Carbon nanotube

^ ท่อนาโนคาร์บอน ^

ท่อนาโนคาร์บอน (อังกฤษ: Carbon nanotubes) คือ วัสดุที่มีรูปทรงเป็นท่อขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางในระดับนาโนเมตร ผนังท่ออาจมีเพียงแค่ชั้นเดียว (Single-walled) หรือหลายชั้น (Multi-walled) ซึ่งประกอบขึ้นจากอะตอมของธาตุคาร์บอนเพียง ธาตุเดียว ค้นพบครั้งแรกเมื่อปี 1991 โดยนักวิทยาศาสตร์ชาวญี่ปุ่นชื่อ Sumio Iijima ปัจจุบันพบว่ามีสมบัติที่สามารถนำไปประยุกต์ใช้ประโยชน์หลายด้าน เช่น ทำเส้นใยเสริมความแข็งแกร่งในวัสดุคอมพอสิท ทำอิเล็กโทรดเพิ่มกำลังไฟและอายุการใช้งานในแบตเตอรี และตัวเก็บประจุ เป็นต้น ท่อนาโนคาร์บอนมีโครงสร้างและสมบัติหลากหลายซึ่งขึ้นกับวิธีที่ใช้ในการสังเคราะห์

วิธีการสังเคราะห์

การสังเคราะห์ท่อนาโนคาร์บอนนั้น มีหลายวิธี ซึ่งแต่ละวิธีก็มีข้อดีและข้อเสียต่างกันไป ทั้งในด้านของขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง ความยาว ปริมาณ คุณภาพ และความบริสุทธิ์ของท่อนาโนคาร์บอนที่ได้ โดยทั่วไปแล้วอาจแบ่งออกเป็น 3 วิธีหลักๆ ได้แก่

ตกสะสมไอเคมี (Chemical vapor deposition คำย่อ: CVD) โดยการผ่านไอหรือแก๊สของสารประกอบไฮโดรคาร์บอนซึ่งใช้ทำหน้าที่เป็นแหล่งกำเนิดคาร์บอน เช่น มีเทน (CH4) คาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) อะเซทิลีน (C2H2) และเอทานอล (C2H5OH) เป็นต้น เข้าไปในเตาเผาที่มีอุณหภูมิประมาณตั้งแต่ 600-1200 °C ซึ่งต้องมีอนุภาคนาโนของ โลหะคะตะลิสต์อยู่บริเวณนั้นด้วย ทำให้โมเลกุลของแก๊สให้แตกตัว (Decomposed) ออกเป็นอะตอมของคาร์บอน โดยการควบคุมอุณหภูมิ ความดัน อัตราการไหลของแก๊ส สัดส่วนอะตอมของธาตุ C:O:H ในระบบ การคุมขนาดของอนุภาคคะตะลิสต์ และระยะเวลาในการสังเคราะห์ สามารถกำหนดขนาด ความยาว ทิศทางการเติบโต และตำแหน่งที่ต้องการปลูกของท่อนาโนคาร์บอนได้ แต่อาจมีข้อเสียที่ปริมาณข้อบกพร่องหรือความไร้ระเบียบของโครงสร้างสูง ทำให้ท่อที่สังเคราะห์ได้โดยวิธีนี้มักเป็นท่อโค้งงอ


อาร์คดิสชาร์จ (Arc-discharge) ใช้ไฟฟ้ากระแสตรงตั้งแต่ 20-200 แอมแปร์ ที่ความต่างศักย์ประมาณ 20-40 โวลต์ ตกคร่อมแท่งแกรไฟต์สองแท่งที่วางจ่อใกล้ๆ กัน โดยให้ระยะห่างระหว่างปลายแท่งประมาณ 1-3 มิลลิเมตร ภายใต้บรรยากาศแก๊สเฉื่อย เช่น ฮีเลียม หรือ อาร์กอน ที่ความดันต่ำระหว่าง 100-500 Torr จนทำให้เกิดเป็นสถานะพลาสมา และมีอุณหภูมิสูงบริเวณระหว่างขั้วอิเล็กโทรด ส่งผลให้แท่งแกรไฟต์ระเหยกลายเป็นไอแล้วมีการควบแน่นกลายเป็นท่อนาโนคาร์บอน บริเวณปลายแท่งแกรไฟต์ที่ต่อกับขั้วลบ (Cathode) การควบคุมขนาดหรือจำนวนชั้นของท่อนาโนคาร์บอน สามารถทำโดยการควบคุมความดัน อุณหภูมิ และการเติมผงโลหะคะตะลิสต์ปริมาณเล็กน้อย เช่น เหล็ก นิกเกิล หรือโคบอลต์ อย่างใดอย่างหนึ่ง หรือผสมกันลงในแท่งแกรไฟต์ที่ต่อกับขั้วบวก (Anode)


ระเหยด้วยเลเซอร์ (Laser vaporization) วิธีนี้จะใช้พัลล์แสงเลเซอร์ที่มีความเข้มแสงสูงยิงไปยังเป้าซึ่งเป็น แกรไฟต์ผสมกับผงโลหะคะตะลิสต์ ภายใต้บรรยากาศของแก๊สเฉื่อย ที่ความดันต่ำประมาณ 500 Torr และอุณหภูมิ 1200 °C เทคนิคนี้คล้ายกับวิธีอาร์คดิสชาร์จ ซึ่งจะได้ปริมาณและคุณภาพของท่อนาโนคาร์บอนดีกว่า แต่มีข้อเสียที่ จำเป็นต้องใช้แหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์กำลังสูง และมีราคาแพงมาก

> > > > > การนำไฟฟ้าขึ้นกับโครงสร้าง 0_O

ท่อนาโนคาร์บอนมีโครงสร้างเป็นแผ่นแกรไฟต์ม้วนเป็นท่อไร้ตะเข็บ มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางได้หลายขนาด มีรูปแบบการเรียงตัวของหกเหลี่ยมเทียบกับแนวเส้นรอบวงของท่อได้ 3 แบบ ดังนั้นจึงได้มีการกำหนดเวกเตอร์ Ch (Chiral vector) ที่มีทิศตั้งฉากกับแกนท่อและมีขนาดเท่ากับเส้นรอบวงพอดี เพื่อกำหนดแทนโครงสร้างของท่อ

เวกเตอร์ a1 และ a2 มีขนาดเท่ากันคือ 0.246 นาโนเมตร ทำมุมต่อกัน 60 องศา ส่วน Ch = na1 + ma2 หรือเขียนอย่างย่อคือ (n,m) เมื่อ n และ m คือจำนวนเต็ม มีทิศตามแนวเส้นประ (ดูรูปด้านขวา) และมีขนาดเท่ากับ 0.246 x (n2 + nm + m 2 ) 1/2 นาโนเมตร

การม้วน Ch เป็นเส้นรอบวงโดยให้ตำแหน่งปลายลูกศร (n,m) ซ้อนทับกับตำแหน่งเริ่มต้น (0,0) พอดี จะได้ลักษณะท่อ 3 แบบ คือ (1) Armchair (n,n) และมี ө = 30 , (2) Chiral (n,m) โดยที่ 0 > ө < n="m">

> > > > > ตัวอย่างการประยุกต์ O_0

ท่อนาโนคาร์บอนสามารถนำไประยุกต์ในหลายๆ ด้าน เช่น หัวจ่ายอิเล็กตรอน วัสดุผสมพลาสติกให้นำไฟฟ้า ตัวกักเก็บเชื้อเพลิงไฮโดรเจน ตัวผสมกาวต่อเชื่อมชนิดนำไฟฟ้า อิเล็กทรอนิกส์ระดับโมเลกุล หัววัดแก๊ส หัววัด AFM ขั้วอิเล็กโตรดของแบตเตอรีชนิดลิเทียมในโทรศัพท์มือถือ วัสดุถ่ายเทความร้อน วัสดุเสริมความแกร่งในนาโนคอมพอสิท เส้นใยและสิ่งทอ ตัวรองรับคะตะลิสต์ และการประยุกต์ทาง Biomedical เป็นต้น


แหล่งที่มา
http://th.wikipedia.org/wiki/%E0%B8%97%E0%B9%88%E0%B8%AD%E0%B8%99%E0%B8%B2%E0%B9%82%E0%B8%99%E0%B8%84%E0%B8%B2%E0%B8%A3%E0%B9%8C%E0%B8%9A%E0%B8%AD%E0%B8%99

Biosensor

ไบโอเซนเซอร์คืออะไร ?????

Biosensor คือ อุปกรณ์ตรวจวัดทางชีวภาพ ถูกผลิตขึ้นโดยนักวิทยาศาสตร์ เพื่อใช้ในการตรวจวิเคราะห์สารตัวอย่างได้อย่างเฉพาะเจาะจง

Biosensor มีหน่วยทางชีวภาพ เช่น เอนไซม์ สารปฏิชีวนะ จุลินทรีย์ หรือ ดีเอนเอ ซึ่ง Biosensor จะให้ข้อมูลทางด้านชนิด และปริมาณของสารตัวอย่างที่ได้ทำการตรวจวัด

^ มารู้จักประวัติของ Biosensor กันก่อเลยนะคร้าบบบ ^

แพทยศาสตร์เป็นแรงผลักดันให้เกิดการพัฒนา biosensor มาจนถึงปัจจุบันนี้ biosensor ทางการค้าเครื่องแรก คือ เครื่องวิเคราะห์กลูโคสสำหรับห้องปฏิบัติการ ที่ผลิตโดย Yellow Springs Instrument (USA.) ในปี ค.ศ. 1975 หลังจากนั้นในปี ค.ศ. 1987 Medisense (USA.) ได้วางจำหน่าย biosensor ขนาดพกกระเป๋าสำหรับผู้ป่วยโรคเบาหวานขึ้น ซึ่งเป็นต้นกำเนิดให้มีการพัฒนาต่อมาอย่างมากมาย อาทิเช่น Boehringer (Manuheim, Germany” เป็นต้น

ส่วนประกอบมีอะไรบ้างเอ๋ย ?

1. ตัวแปลงสัญญาณ(transducer)เป็นอุปกรณ์สำหรับแปลงสัญญาณ เฉพาะต่างๆ เช่น อิเลกตรอน แสงเป็นสัญญาณไฟฟ้าเพื่อเป็น ดัชนีระบุถึงปริมาณสารที่ ต้องการวิเคราะห์

2. สารชีวภาพ(BiologicalSubstance)เป็นสารที่มีความสามารถทำปฏิกิริยากับสารที่ต้องการวิเคราะห์อย่างจำเพาะเจาะจง

ภาพส่วนประกอบของ Biosensor
^
^

มีหลักการทำงานอย่างไรล่ะ ?

1.ทำการตรึงสารชีวภาพเข้ากับตัวแปลงสัญญาณเพื่อสร้างไบโอเซนเซอร์สำหรับวิเคราะห์สารที่ต้องการ

2.ในขั้นตอนนี้สารที่ต้องการวิเคราะห์จะจับกับไบโอเซนเซอร์ที่ตำแหน่ง จำเพาะเจาะจง เรียกกลไกการจดจำทางชีวภาพเกิดปฏิกิริยาทางชีวเคมีและมีการถ่ายทอดสัญญาณเฉพาะ อาจเป็นอิเลกตรอน แสง สู่ตัวแปลงสัญญาณ

3.ตัวแปลงสัญญาณรับและเปลี่ยนสัญาณเฉพาะเป็นสัญาณไฟฟ้าผ่านเครื่องอ่านสัญญาณออกมา ทำให้เราสามารถอ่านค่าได้ เรียกขั้นตอนนี้ว่าเทคนิคของการรับและแปลงสัญญาณทางกายภาพ

ภาพหลักการทำงานของ Biosensor

ประโยชน์อันมากมายของไบโอเซนเซอร์ O_0

ด้านการแพทย์ ใช้ไบโอเซนเซอร์ตรวจวัดกลูโคสในผู้ป่วยโรคเบาหวาน เชื้อโรคต่างๆ(รวมไปถึงเชื้อไวรัสไข้เลือดออก) ฮอร์โมน และสารเสพติดในปัสสาวะอีกด้วย

ด้านอุตสาหกรรมอาหารและการเกษตร ใช้ไบเซนเซอร์ตรวจวัดสารพิษ เชื้อโรคปนเปื้อนในอาหาร สารปลอมปนในอาหารส่งออก และสารต่างๆ ที่เกิดขึ้นในกระบวนการหมักระดับอุตสาหกรรม อย่างไรก็ตาม มีการพัฒนาไบโอเซ็นเซอร์ที่ใช้ตรวจวัดบีโอดีเท่านั้นที่

ด้านสิ่งแวดล้อม ใช้ไบโอเซนเซอร์ตรวจวัดสารพิษ สารฆ่าแมลง โลหะหนัก และสารก่อมลพิษ

ด้านการทหาร ใช้ไบโอเซนเซอร์ตรวจวัดอาวุธชีวภาพ หรืออาวุธเชื้อโรค ตลอดจนสารพิษในยาม

สงคราม

ตัวอย่างการประยุกต์ไบโอเซนเซอร์กับการแพทย์

>>>> กลูโคสเซนเซอร์ (Glucose Sensor) <<<<

เกิดขึ้นในปี ค.ศ. 1962 ลีแลนด์ คลาค (Leland C. Clark) นัก วิทยาศาสตร์ชาวสหรัฐ ได้ตีพิมพ์ผลงานในการประยุกต์ใช้ไบโอเซนเซอร์(ตอนนั้นเรียกเอนไซม์เซนเซอร์) เพื่อตรวจวัด ปริมาณกลูโคสในเลือดมนุษย์ได้เป็นผลสำเร็จครั้งแรก นั่นเป็นเหตุการณ์ที่นักวิทยาศาสตร์รู้จักคำว่าไบโอเซนเซอร์เป็นครั้งแรก ใน การศึกษาของเขานั้น เขาสนใจในการตรวจวัดปริมาณแก๊สออกซิเจนก่อนเป็นอันดับแรก เขาได้อธิบายว่า สามารถติดตามการทำงานของเอนไซม์โดยการตรวจวัดระดับออกซิเจนที่เอนไซม์นั้น ใช้ไปโดยใช้อิเล็กโทรดแพลทินัม (platinum electrode) เอนไซม์แต่ละชนิดจะมีความจำเพาะเจาะจงกับสารเคมีตั้งต้นหรือสับสเตรท (substrate) อย่างใดอย่างหนึ่งเท่านั้น ในการเปลี่ยนสารตั้งต้นไปเป็นสารผลิตภัณฑ์ในสิ่งมีชีวิต จำเป็นต้องอาศัยเอนไซม์เพื่อมาลดพลังงานกระตุ้นลง

การทำงานของเอนไซม์เป็นอย่างไร ในตอนแรกเอนไซม์เมื่ออยู่ในสภาวะที่เหมาะสำหรับทำงานแล้วก็จะจับกับสับสเตรท หลังจากที่เอนไซม์จับกับสับสเตรทแล้วเกิดการเปลี่ยน สับสเตรทไปเป็นผลิตภัณฑ์ และได้เอนไซม์ซึ่งอยู่ในอีกสภาวะหนึ่งซึ่งไม่เหมาะที่จะจับกับสับสเตรท ก็จะต้องมีการถ่ายโอนพลังงานบางชนิดให้เอนไซม์เพื่อให้เอนไซม์กลับมาสู่ สภาวะที่เหมาะสมสำหรับการทำงานใหม่ วิธีการอย่างหนึ่งคือการถ่ายโอนอิเล็กตรอน เราสามารถนำเอนไซม์มาทำปฏิกิริยากับสับสเตรทตัวใหม่ได้โดยการถ่ายโอน อิเล็กตรอนที่เกิดขึ้นในระบบนั้น เมื่อเอนไซม์อยู่ในภาวะเหมาะสมที่จะกระตุ้นสับสเตรทอันใหม่มันก็สามารถทำงาน ได้ต่อไป ในการทำงานของเอนไซม์กับสับสเตรทต้องใช้ก๊าซบางชนิดหรือ อาศัยน้ำ ซึ่งการใช้แก๊สเหล่านี้จะขึ้นกับปริมาณสับสเตรทที่เอนไซม์ทำปฏิกิริยาด้วย

จากหลักการนี้ ถ้าเรามีเซนเซอร์ที่สามารถวัดปริมาณก๊าซที่เอนไซม์ใช้ไปเราก็สามารถที่จะรู้ปริมาณสารเคมีที่เราต้องการวัดได้

ในการวัดปริมาณกลูโคสในเลือดของ ตามวิธีของคลาค เขาได้ใช้เอนไซม์ชนิดหนึ่งเรียกว่าเอนไซม์กลูโคสออกซิเดส (glucose oxidase) หรือใช้ตัวย่อ GOD เนื่อง จากเอนไซม์กลูโคสออกซิเดสจะมีความจำเพาะเฉพาะกับกลูโคสเท่านั้น เพราะฉะนั้นปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นก็เป็นผลมาจากเอนไซม์กลูโคสออกซิเดสทำกับ กลูโคส อิเล็กโทรดที่เขาใช้มีลักษณะเป็นดังรูป

- ขั้ว บวกทำจากโลหะแพลทินัม ขั้วลบทำจากโลหะเงิน ตรงส่วนรับสัญญาณก็จะบรรจุเอนไซม์กลูโคสออกซิเดสที่ตรึงบนพอลิเมอร์ โดยหุ้มไว้ด้วยเยื่อ 2 ข้างด้านที่ติดกับขั้วไฟฟ้าเป็นเยื่อเทฟลอน แต่ด้านที่ติดกับสารที่ต้องการวิเคราะห์ (analyte) จะเป็นเยื่อเซลโลเฟน

หลักการในการตรวจวัดกลูโคสของคลาค

เริ่ม ต้นจากเมื่อ กลูโคส แทรกผ่านเยื่อเซลโลเฟนเข้ามา ทำปฏิกิริยากับเอนไซม์กลูโคสออกซิเดสที่ในรูปที่มีอิเล็กตรอนอยู่มาก กลูโคสจะกลายเป็น กรดกลูโคนิก ส่วนเอนไซม์กลูโคสออกซิเดสเมื่อถูกออกซิ-ไดซ์ด้วยกลูโคส จะให้ 2 อิเล็กตรอนและ 2 ไฮโดรเจนไอออนหรือ 2 โปรตอน แล้วกลายเป็นอยู่อีกรูปหนี่ง

ต่อมาออกซิเจนที่ละลายอยู่ในสารละลายจะแทรกผ่านเยื่อเทฟลอนรับเอา 2 อิเล็กตรอนและ 2 โปรตอน กลายไปเป็น แก๊สไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ ที่ขั้วบวก เกิดเป็นสัญญาณไฟฟ้าต่อไป ส่วนกลูโคสตัวใหม่ก็สามารถเกิดการเปลี่ยนแปลงได้อีกเช่นเดียวกันเรื่อยไป

เมื่อ นำอิเล็กโทรดไปวัดสารตัวอย่างเพื่อหาปริมาณกลูโคส ปริมาณออกซิเจนที่ใช้ไปจะสัมพันธ์กับปริมาณของเอนไซม์ที่จับกับกลูโคส ดังนั้นปริมาณกลูโคสที่มีอยู่ก็สามารถวัดได้โดยการวัดปริมาณแก๊สออกซิเจนที่ เอนไซม์ใช้ไปนั่นเอง

ที่มาของข้อมูล

http://www.biotec.or.th/biotechnology-th/newsdetail.asp?id=2648
http://library.uru.ac.th/webdb/images/wn35.htm
http://www.sopon.ac.th/lms/electrochemistry/web/Eanal/anal_biosensor_2.htm