Kimiyyar lantarki da sinadarai ta methylene blue: elekturod, abubuwan binciken redox, da na'urorin auna

Wani ɗalibin digiri na gaba ya gudanar da voltammetry mai zagaye na methylene blue a kan elekturod na carbon mai kama da gilashi, ya ga ƙololuwa biyu masu bayyana sarai, sannan ya yanke cewa an gama ƙera na'urar auna. Bayan mako guda, ƙololuwar sun sauya matsayi, sun ragu, ko sun rabu, kuma babu wani abu a tsarin gwajin da ya bayyana dalilin hakan. Rinin bai canza ba. Fahimtar da aka gina aunawar a kanta ba ta cika ba.

Methylene blue ya samu matsayinsa a kimiyyar lantarki da sinadarai saboda dalilai uku. Yana musayar elektaroni ta hanyar da za a iya juyawa a ƙarfin lantarki marar tsanani, yana manne wa saman abubuwa kuma yana zama polymer ya samar da siraran yadudduka, sannan yana ɗaurewa da acid na nucleic. Kowanne daga cikin waɗannan ra'ayi ne daban, kuma kowanne yana samun matsala ta hanyarsa. Wannan nazari ya ware su: nau'ukan biyu na redox, siginar aunawa, elekturod da aka gyara, aikin shiga tsakani, da tsarin na'urorin auna da aka gina a kansu.

Nau'uka biyu masu alaƙa, siffofi biyu, proton ɗaya

A pH tsaka-tsaki, galibi ana rubuta babban martanin a matsayin ion ɗaya mai cajin ƙari da aka yi wa oksidashan, wanda yake karɓar elektaroni biyu da proton ɗaya don samar da siffar leuco marar launi da aka yi wa raguwa:

MB+ + H+ + 2e- gives LMB

Ƙarfin lantarkin redox na methylene blue a pH 7 yana kusa da +11 mV idan aka kwatanta da daidaitaccen elekturod na hydrogen, kamar yadda aka ruwaito a wani bincike na baya-bayan nan kan hanyar aikin rinin a Chemistry Europe. Saboda proton ɗaya yana tare da elektaroni biyu, ƙarfin lantarki na tsari yana matsawa kusan 30 mV zuwa ɓangaren korau ga kowace ƙaruwa ta raka'a ɗaya ta pH. Wannan gangara ita ce alamar tantancewa ta farko da ya dace a haddace. Idan ƙololuwarka tana matsawa kusan 30 mV ga kowace raka'ar pH, kana kallon nau'ukan redox da ake tsammani. Idan tana matsawa 60 mV ga kowace raka'a, adadin proton ya canza. Idan kuma kusan ba ta motsawa, siginar na iya fitowa daga siririn yadudduka a saman elekturod mai nasa halayen acid da base, maimakon rinin da ya narke.

Ƙayyade elekturod na kwatanci shi ne al'ada ta biyu da ya kamata a runguma. Ƙarfin lantarki da aka bayar dangane da Ag/AgCl, SCE, da NHE yana bambanta da gomomi zuwa ɗaruruwan millivolt, kuma ruwan cika elekturod yana ƙara sauya lambobin. Kowane ƙarfin lantarki a wannan labarin yana bayyana elekturod ɗin kwatancinsa. Duk wata takardar bincike da ba ta yi haka ba, ba za a iya sake amfani da bayananta ba. Bambancin tsari tsakanin siffofin biyu, ion mai cajin ƙari mai shimfiɗa da kuma kwayar halitta marar caji mai lanƙwasawa, shi ma ɓangare ne na bayanin, kuma shafin da ke tare da wannan kan nau'ukan redox biyu ya tattauna shi dalla-dalla.

Abin da voltammogram na methylene blue yake nunawa a zahiri

A kan elekturod na carbon mai kama da gilashi, mai tsafta kuma ba tare da wani rufi ba, a cikin ruwan daidaita pH na phosphate mai kusan pH tsaka-tsaki, methylene blue da ya narke yawanci yana ba da ƙololuwar anodic kusa da 0.15 zuwa 0.18 V a ɓangaren korau idan aka kwatanta da Ag/AgCl, da ƙololuwar cathodic kusa da 0.20 zuwa 0.25 V a ɓangaren korau idan aka kwatanta da wannan elekturod ɗin. Ainihin wuraren suna sauyawa da saurin sikan, tarihin saman elekturod, da ruwan cika elekturod na kwatanci, kuma wata aunawa ta baya-bayan nan da kowa zai iya samun rahotonta kan carbon mai kama da gilashi marar rufi ta sanya ƙololuwar cathodic kusa da 0.18 V a ɓangaren korau a pH 7.4 ƙarƙashin nata sharuɗɗa.

Mafi dacewar bayanin nau'ukan biyu shi ne cewa martaninsu yana kusan juyawa. Nau'ukan redox biyu masu musayar elektaroni biyu, waɗanda suke juyawa yadda ya kamata, za su nuna ƙololuwa masu tazarar kusan 30 mV. Raƙuman methylene blue galibi sun fi faɗi kuma ba su da daidaiton siffa, sannan manne wa saman elekturod yana ƙara rikitar da yanayin. Wannan rikitarwa alamar tantancewa ce, ba hayaniyar sigina ba. Ƙololuwar kwararar lantarki da take ƙaruwa daidai da saurin sikan tana nuna rinin da ya manne a saman. Ƙololuwar kwararar lantarki da take ƙaruwa bisa tushen murabba'in saurin sikan tana nuna rinin da yake yaɗuwa daga ruwan sinadarin. Yawancin zane-zanen aunawa na zahiri suna haɗa duka biyun, shi ya sa ruwan sinadari ɗaya zai iya ba da tsayin ƙololuwa daban a kan elekturod da aka goge sabo da kuma wanda aka riga aka yi amfani da shi.

Oxygen da ya narke yana ƙara nasa kwararar lantarki ta raguwa a cikin wannan zangon ƙarfin lantarki, don haka yawanci ana yin aikin tantance adadi bayan an cire oxygen ko kuma an lissafa tasirinsa. Haka kuma methylene blue yana gurɓata saman elekturod: rinin da ya manne yana canza saman a kowane zagaye, don haka sauyin matsayin ƙololuwa a cikin sikan da ake maimaitawa shaida ce game da elekturod, ba game da sinadarin da ake aunawa ba.

Daga rini da ya narke zuwa elekturod da aka gyara

Na'urar auna ta halittu mai amfani da elekturod da aka gyara da methylene blue tana farawa daga wani abu mai sauƙi da aka lura da shi. Rinin yana manne wa carbon sosai, don haka tsoma elekturod a cikin ruwan rini kaɗai ma yana gyara shi. Mannewa kawai shi ne kuma tsarin da ya fi ƙarancin ɗorewa, domin rinin yana fita ya koma cikin ruwan sinadarin. Duk sauran abubuwan wannan sashe hanyoyi ne na magance wannan fita.

Amsar da aka fi tabbatarwa ita ce poly(methylene blue) da aka samar ta polymerization da lantarki. Maimaita zagayen elekturod ta hanyar oksidashan a cikin ruwan rini yana shimfiɗa siririn yadudduka mai aikin redox, wanda yake zama a wurinsa fiye da monomer da ya manne kawai. Daidaitaccen tsarin nau'in Karyakin yana amfani da kusan 1 mM na rini a cikin 0.02 M na ruwan daidaita pH na borate kusa da pH 9.1 tare da 0.1 M na potassium chloride, ana zagayawa daga kusan 0.40 V a ɓangaren korau zuwa 1.20 V a ɓangaren ƙari na kusan zagaye 30, kamar yadda aka rubuta a kundin digiri na Durham da ya bayyana hanyar. Ruwan daidaita pH mai alkalinity yana da muhimmanci: siririn yadudduka yana girma ta siffofin da aka yi wa oksidashan waɗanda ake samarwa a ƙarfin lantarki na ƙari, kuma dole zangon ƙarfin lantarki ya kai gare su.

Sauran tsare-tsare suna magance matsaloli daban. Elekturod na carbon paste da waɗanda aka buga ta ragar bugu suna rage daidaiton aunawa domin samun damar zubar da su bayan amfani. Haɗe-haɗen da ke ɗauke da nanotube ko graphene suna ƙara yankin da yake aiki kuma suna sa ƙololuwa su fi fitowa sarai. Elekturod na zinariya masu abubuwan bincike da aka ɗaure ta thiol suna hidima ga na'urorin auna acid na nucleic da ke ƙasa. Kulle rinin ƙarƙashin siraran yadudduka na Nafion yana rage saurin fitarsa, amma yana rage saurin amsa. Tambayar ƙira kullum ɗaya ce: wace hanyar gazawa kake ragewa, kuma me ka sadaukar domin hakan?

Ra'ayin shiga tsakani: mai miƙa elektaroni, ba sinadarin martani ba

A matsayinsa na mai shiga tsakani a redox yayin voltammetry mai zagaye na methylene blue, rinin da ya narke yana miƙa elektaroni tsakanin sinadarin da ake aunawa wanda ba ya sauƙin musayar su da kuma elekturod. Rinin da aka yi wa oksidashan yana karɓar elektaroni daga martanin sinadaran samfurin, elekturod yana sake yi wa rinin da aka rage oksidashan, sannan kwararar lantarkin da aka auna tana nuna yadda wannan zagaye yake gudana. Yawan rinin da ke yaɗuwa cikin 'yanci yawanci yana cikin gomomin micromolar, kusan 10 zuwa 60, maimakon wani ƙayyadadden ma'auni guda.

Nau'ukan martanin sinadarai uku da ake shiga tsakani a cikinsu suna maimaituwa. Rinin yana shiga tsakani a oksidashan na NADH, ciki har da zagayen martani da aka haɗa da enzyme, kuma siraran yadudduka na poly(methylene blue) suna hanzarta wannan martanin a saman elekturod ta hanyar lantarki. Tare da oxidase, yana iya zama mai karɓar elektaroni na wucin gadi. A tsarin peroxidase, rinin da aka rage yana miƙa elektaroni zuwa sinadaran tsaka-tsaki masu rage peroxide, wanda ke ba da damar gano hydrogen peroxide a ƙananan ƙarfin lantarki da ake amfani da shi, inda abubuwan da ke tsoma baki ba su da yawa. Wani bincike na Chemical Science na 2025 kan oksidashan na NADH ta shiga tsakani ya bayyana hanyar aikin dalla-dalla. Idan adadin rini ya yi yawa, siginar asali ta mai shiga tsakani da martanin oxygen na iya zarce siginar binciken, don haka yawan mai shiga tsakani abin da ake daidaitawa ne don samun mafi kyawun aiki, ba sinadarin martani da ake zubawa fiye da kima ba.

Na'urorin auna acid na nucleic: inda ɗaurewa ke zama kwararar lantarki

Methylene blue yana ɗaurewa da DNA ta haɗuwar shiga tsakanin yaduddukan DNA, jan hankalin cajin lantarki, da hulɗar da ta keɓanta da guanine, don haka kiransa kawai sinadarin shiga tsakanin yadudduka yana rage faɗin bayanin sinadaran. Tsarin na'urorin auna yana juyar da wannan ɗaurewa zuwa kwararar lantarki ta tsare-tsare biyu daban, kuma ruɗewa tsakanin su ita ce kuskuren karatu da ya fi yawa a wannan fannin rubuce-rubucen bincike.

A tsare-tsaren da ba su da alama, rini mai 'yanci a cikin ruwa yana haɗuwa da DNA na bincike da aka ɗaure a saman, sannan haɗewar sarƙoƙin DNA masu dacewa tana canza siginar. Wani tsarin da aka saba amfani da shi na raguwar sigina shi ne: sarƙa ɗaya ta DNA na bincike tana tara rini ta ba da babban ƙololuwa, amma haɗewarta ta zama DNA mai sarƙoƙi biyu tana sauya muhallin rinin, sai siginar ta ragu. Waɗannan tsare-tsaren sau da yawa suna kaiwa iyakokin ganowa na nanomolar. A wani misali, an ɗora DNA mai dacewa a kan nanotube na carbon mai bango ɗaya a kan zinariya, kuma an ruwaito alaƙa ta layi madaidaici daga 100 zuwa 1000 nM tare da iyakar ganowa kusa da 7 nM a Electroanalysis.

A tsare-tsaren da ke da alama, ana haɗa rinin da ƙarshen ɗaya na abin binciken ta alaƙar covalent, ana kuma ɗaure ɗayan ƙarshen da zinariya ta thiol, sannan voltammetry na raƙumar murabba'i yana bibiyar mai bayar da siginar da aka ɗaure. Na'urorin auna aptamer na lantarki da sinadarai masu amfani da naɗewa suna faɗaɗa wannan ra'ayi: ɗaurewar abin da ake nema tana sake tsara aptamer kuma tana motsa mai bayar da siginar dangane da elekturod. Wata na'urar auna ochratoxin A da ta yi amfani da aptamer mai alamomi biyu, thiol da rini, a kan zinariya ta ruwaito zango na 0.1 zuwa 1000 pg per mL tare da iyakar ganowa kusa da 0.095 pg per mL, kamar yadda aka wallafa a Analytica Chimica Acta.

Wannan bambanci yana da muhimmanci wajen gano matsaloli. A tsare-tsaren da ba su da alama, rinin ɓangare ne na ruwan sinadarin, yana da nasa yawa da dogaro ga pH. A tsare-tsaren da ke da alama, rinin ɓangare ne na abin binciken, kuma sauye-sauyen sigina suna nuna tazara da motsi, ba ɗaukar rini ba.

Misalan enzyme da haɗe-haɗen kayan aiki

Siraran yadudduka na poly(methylene blue) kuma suna zama tushen ɗaure na'urorin auna masu amfani da enzyme. Wata na'urar auna ammonium ta haɗa elekturod da aka buga ta ragar bugu da ƙananan ƙwayoyin zinariya na nano da siririn yadudduka na rini, sannan aka shafa tsarin martanin glutamate dehydrogenase a samansa. Siririn yadudduka yana yi wa NADH oksidashan yayin da enzyme yake cinye shi daidai da yawan ammonium: 0 zuwa 300 micromolar tare da iyakar ganowa kusa da 0.65 micromolar, kamar yadda aka ruwaito a Biosensors. An tattauna cikakken fannin a wani nazari na 2025 kan rinin a na'urorin auna na lantarki da sinadarai a Analytica Chimica Acta.

Sharuɗɗan da dole su kasance tare da kowane sakamako

Shafin bayani da ke da alaƙa kan tsarin gwaje-gwajen tantance adadi ya tattauna ƙa'idojin daidaita ma'auni gaba ɗaya. Ga sakamakon lantarki da sinadarai musamman, waɗannan bayanai ya kamata su kasance a kowane kundin dakin gwaje-gwaje:

Mai bayar da sigina ba magani ba ne

Bambanci na ƙarshe shi ne wanda aka ƙirƙiri wannan shafin domin tabbatar da shi. Raguwar ƙololuwar raƙumar murabba'i bayan haɗewar sarƙoƙin DNA masu dacewa tana tabbatar da cewa alamar redox ta motsa ko kuma ɗaurewar rini ta canza. Ba ta tabbatar da komai game da abin da methylene blue yake yi a jikin mara lafiya ba. Sinadaran aunawa da aikin halittu suna amfani da kwayar sinadari ɗaya, amma babu wani abu daban da suka yi tarayya a kai: yawan sinadari daban, muhallin samfurori daban, kuma membranes da enzymes suna maye gurbin elekturod na taimako. A bar tambayoyin magani a shafukan aikin halittu, sannan a ɗaure duk abin da ake da'awa game da na'urar auna da elekturod, ruwan daidaita pH, da dabarar da suka samar da sakamakon. Alamar redox mai bayar da sigina ce. Masu bayar da sigina suna bayyana gwajin, ba jiki ba.