توسعه‌ی حسگرهای نوری بر پایه‌ی نقاط‌کوانتومی کادمیم تلورید و نقاط کوانتومی کربنی برای اندازه‌گیری هپارین، آسکوربیک اسید، جیوه، متوتریکسات و پروتامین

STUDENT

DEGREE

YEAR

In this thesis, cadmium telluride quantum dots (CdTe QDs) and carbon quantum dots (CDs) were used in order to determination of different chemical species. In the first study, a simple turn-on fluorescent assay was developed for the determination of trace amounts of the important anti-coagulant drug, heparin, based on glutathione-capped CdTe QDs. In this method, the fluorescence intensity of glutathione-capped CdTe QDs increased with increasing concentration of heparin. Using this optical sensor under optimum conditions, heparin was measured in the range of 10.0 – 200.0 ng mL –1 . Investigation of the effects of potential interfering showed the high selectivity of the sensor for the detection of heparin in real samples. High sensitivity, superior selectivity, low detection limit, and ease of production are the most important advantages of the present sensor. In the second study, a novel fluorescent sensor has been developed, based on inner filter effect (INF) of silver nanoparticles () on the glutathione-capped CdTe QDs, for the determination of trace amount of an important vitamin, ascorbic acid (AA). The were in situ produced from reduction of silver salt by the AA. In this method fluorescence quenching upon (INF) was accrued with increasing the concentration of AA. Different parameters affect the sensitivity, such as pH, concentration of silver salt, time and amount of the quantum dots were optimized. Using this optical osensor, under optimized conditions AA could be measured in the range of 1.8 and 8.8 ng mL –1 . The optical biosensor was successfully used for the determination of AA in real samples. In the third study, a new approach for developing a fluorimetric aptasensor has been described and applied for determination of a highly toxic cation, Hg(II). In this method an aptamer was used to aggregate cationic cysteamine-stabilized CdTe/ZnS core/shell QDs, as a result fluorescence quenching was accrued. In the presence of Hg(II), the aptamer and Hg(II) make a hairpin complex, which prevents aggregation of the QDs. Thus, the fluorescence intensity of the QDs was enhanced upon the de-aggregation, which depends on the concentration of Hg(II). This method has a low detection limit of 80 pmol L –1 Hg(II). The interference effect of a wide variety of cations were investigated by theoretical and experimental methods. The present assay was successfully applied for the determination of Hg(II) in several water samples. In the fourth study, for the first time, an innovative, facile, low- cost and one-pot hydrothermal synthesis of a high fluorescence carbon dot (CD) from henna plant was developed. The prepared CDs were characterized by different techniques. The as-synthesized CDs exhibit high stability under various conditions and exceptionally solubility in hydrophilic solvents such as water and ethanol. In addition, the CDs were employed as a biocompatible probe for determination of methotrexate (MTTX) in human serum with a linear range of 0.02 µmol L -1 to 18 µmol L -1 . Highly selective and sensitive determination of MTTX was carried out through the fluorescence resonance energy transfer (FRET) mechanism. It is noteworthy that, the antibacterial studies of this CDs lead to interesting results which suggested henna CDs kill Gram-positive and Gram-negative bacteria as an anti-bacterial agent. Also it was show that henna CDs can act as a desirable biomarker for cell imaging. In the final study, a simple and label free method based on green synthesized and low cast henna CDs was presented for the detection of heparin and protamine. In this method fluorescence quenching upon aggregation of CDs was accrued with increasing the concentration of protamine. Since, the high binding affinity of protamine with heparin, addition of heparin disturbed the interaction between protamine and CDs due to its strong affinity to protamine, resulting recovery of the fluorescence emission of CDs. The linear response range was obtained over the range 1–200 and 1–180 ng/mL with the low detection limit of 0.2 and 0.3 ng/mL for protamine and heparin, respectively. The sensing platform was successfully applied to determination of heparin and protamine in serum samples.

در این رساله سه حسگر نوری بر پایه‌ی نقاط‌کوانتومی کادمیم تلورید با استفاده از پایدارکننده‌های تیولی مختلف و دو حسگر بر پایه نقاط کوانتومی کربنی طراحی شد و با به‌کارگیری روش‌ها و واسطه‌های متنوع برای اندازه‌گیری چندین گونه‌ی شیمیایی استفاده شده است. در نخستین کار پژوهشی، از یک حسگر نوری بر پایه‌ی فلورسانس سنجی نقاط‌کوانتومی کادمیم تلورید گلوتاتیون پوش شده برای اندازه‌‌گیری هپارین استفاده شد. در حضور هپارین شدت فلورسانس نقاط نقاط‌کوانتومی کادمیم تلورید گلوتاتیون پوش شده افزایش می¬یابد. این افزایش فلورسانس نقاط‌کوانتومی کادمیم تلورید گلوتاتیون پوش شده متناسب با غلظت هپارین است. میزان افزایش فلورسانس به‌عنوان پاسخ تجزیه‌ای ردیابی و برای ارتباط دادن به غلظت هپارین پردازش شد. فاکتورهای مؤثر بر پاسخ حسگر نوری به هپارین از جمله pH، مقدار نقاط‌کوانتومی کادمیم تلورید گلوتاتیون پوش شده و زمان بهینه شدند. این حسگرنوری مزایای زیادی از جمله بدون برچسب بودن، حساسیت بالا، آسان بودن ساخت و استفاده، انتخاب‌‌پذیری و دقت قابل قبول دارد. در نهایت از این حسگر نوری برای اندازه‌گیری هپارین در نمونه‌های حقیقی سرم خون استفاده شد. در دومین کار پژوهشی، از یک حسگر نوری بر پایه‌‌ی اثر فیلتر داخلی برای اندازه‌‌گیری مقادیر کم آسکوربیک اسید استفاده شد. در این کار حضور غلظت کم یون نقره باعث خاموشی خفیف نقاط کوانتومی کادمیوم تلورید گلوتاتیون پوش شده گردید. با افزوده شدن آسکوربیک اسید به محیط، به دلیل احیای یون¬های نقره توسط آسکوربیک اسید، نانو ذرات نقره به¬صورت در جا تولید شدند. نانو ذرات نقره به دلیل اثر رزونانس پلاسمون سطح به¬عنوان یک فیلتر داخلی برای نشر فلورسانس نقاط کوانتومی گلوتاتیون پوش شده عمل می¬کنند و باعث خاموشی شدید فلورسانس شدند. میزان این خاموشی وابسته به غلظت آسکوربیک اسید دارد. حسگر نوری پیشنهادی برای اندازه‌گیری آسکوربیک اسید در نمونه‌های پلاسمای خون انسان مورد استفاده قرار گرفت. از مزایای چشمگیر این روش می‌توان به سریع، ساده و ارزان قیمت بودن اشاره کرد. در سومین کار پژوهشی یک آپتاحسگر نوری جدید برای اندازه‌گیری گونه‌های مختلف مبنی بر تجمع نقاط‌کوانتومی CdTe/ZnS سیستئامین پوش شده‌‌ طراحی و برای اندازه‌گیری جیوه(II) مورد استفاده قرار گرفت. در این روش یک آپتامر که در شرایط آزمایش دارای بار منفی است برای متجمع کردن نقاط‌کوانتومی کاتیونی CdTe/ZnS سیستئامین پوش شده‌‌ و خاموش کردن فلورسانس مورد استفاده قرار گرفت. در صورتی¬که در مخلوط نقاط‌کوانتومی و آپتامر گونه‌ی هدف نیز حضور داشته باشد، آپتامر با گونه‌ی ‌مدنظر که در این کار جیوه(II) می‌باشد، از طریق گروه-های تیمین آپتامر، تشکیل کمپلکس با ساختار سنجاق سری می‌دهد که باعث کاهش توانایی آپتامر در متجمع کردن نقاط‌کوانتومی و در نتیجه افزایش فلورسانس آن می‌شود. در چهارمین کار پژوهشی، برای نخستین بار نقاط کوانتومی کربنی از گیاه حنا با روش هیدروترمال ساخته شد و با استفاده از روش¬های مختلف، مشخصه یابی گردید. سپس خاصیت ضد باکتریایی این نانو ذره بر روی سر دسته باکتری¬های بیماری¬زای گرم مثبت و گرم منفی مورد بررسی قرار گرفت؛ و خاصیت ضد باکتریایی نقاط کوانتومی کربنی ساخته شده از حنا به اثبات رسید. تصویر برداری توسط میکروسکوپ فلورسانس از مجاورت نقاط کوانتومی کربنی ساخته شده از حنا و باکتری اشرشیاکلی نشان داد که این نانو ذرات به دلیل پایداری فلورسانس بسیار خوب، قابلیت استفاده به¬عنوان نشانگر زیستی برای اهداف تصویر برداری سلولی را دارا بودند. همچنین نقاط کوانتومی کربنی ساخته شده از حنا به¬عنوان حسگر برای اندازه¬گیری داروی متوتریکسات مورد استفاده قرار گرفتند. . فاکتورهای متغیر تاثیرگذار روی پاسخ حسگر نوری در اندازه‌گیری متوتریکسات بررسی و بهینه شد. در شرایط بهینه محدوده خطی روش از 02/0تا 18 میکرومول بر لیتر و حدتشخیص روش 7 نانومول بر لیتر محاسبه شد. زیست حسگر سبز تهیه شده برای اندازه‌گیری متوتریکسات در پلاسمای خون انسان مورد استفاده قرار گرفت. این روش ساده و سریع است و نیازی به برچسب دار کردن سطح نقاط کوانتومی کربنی ندارد. در آخرین کار پژوهشی از نقاط کوانتومی کربنی ساخته شده از حنا برای طراحی حسگر دوگانه پروتامین و هپارین استفاده شد. در ابتدا از تجمع کنترل شده‌ی نقاط‌کوانتومی کربنی برای اندازه‌‌گیری مقادیر کم پروتامین استفاده شد. پروتامین یک پلی کاتیون است که با متجمع کردن نقاط‌کوانتومی کربنی به‌کار گرفته شده، باعث تغییر خواص نوری آن و خاموشی فلورسانس گردید. با استفاده از تصاویر گرفته شده توسط میکروسکوپ الکترونی عبوری ساز‌و‌کار اندازه‌گیری تایید شد. در این روش با افزایش غلظت پروتامین شدت فلورسانس نقاط‌کوانتومی کربنی در اثر افزایش تجمع، کاهش یافت. سپس با افزوده شدن هپارین به محیط، شدت فلورسانس نقاط کوانتومی کربنی بازیابی شده و افزایش می¬یابد. هپارین یک پلی آنیون است و به دلیل ایجاد کمپلکس قوی و جاذبه الکترواستاتیکی قوی با پروتامین، باعث تجمع زدایی نقاط کوانتومی کربنی گردید. pH، مقدار نقاط‌کوانتومی، غلظت پروتامین و زمان به‌عنوان متغیرهای مهم بهینه شدند. در شرایط بهینه محدوده خطی روش برای پروتامین و هپارین به ترتیب 0/1 تا 200 و 0/1 تا 180 نانوگرم بر میلی‌لیتر و حد تشخیص برای پروتامین و هپارین به ترتیب 2/0 و 3/0 نانوگرم بر ‌لیتر محاسبه شد. حسگر نوری پیشنهادی برای اندازه‌گیری پروتامین و هپارین در نمونه‌های پلاسمای خون انسان مورد استفاده قرار گرفت. از مزایای چشمگیر این روش می‌توان به سریع، ساده و استفاده از فلوروفور غیر سمی و گیاهی اشاره کرد.