Carbon Nanotubes: Size does matters
วีระศักดิ์ สุระเรืองชัย และ พรรษมณฑ์ ริจิรวนิช
ห้องปฏิบัติการวิจัยเซนเซอร์เชิงชีวภาพและเคมี
คณะทรัพยากรชีวภาพและเทคโนโลยี และสถาบันพัฒนาและฝึกอบรมโรงงานต้นแบบ
มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี

วัสดุขนาดนาโน(10 -9 เมตร) อย่าง carbon nontubes (CNTs) เป็นที่กล่าวถึงมากในปัจจุบันในศาสตร์และเทคโนโลยีด้านนาโนด้วยเหตุผลของการนำมาใช้ประโยชน์ได้มากมาย ตั้งแต่เป็นองค์ประกอบสำคัญในการผลิตวัสดุคอมโพสิตที่มีความแข็งแกร่ง ชิ้นงานด้านอิเลคทรอนิคส์และแสง คะตะลิสต์ แบตเตอรี่ เซลล์เชื้อเพลิง และ เซนเซอร์ ก่อนจะกล่าวถึงแนวทางปัจจุบันและอนาคตของการประยุกต์ใช้ อันดับแรกที่จะกล่าวถึงคือ ลักษณะโครงสร้างทั่วไปของ CNTs ที่ทำให้วัสดุดังกล่าวมีคุณสมบัติใหม่ ๆ รวมถึงการสังเคราะห์ และ ผลิต CNTs ในเชิงการค้า

ลักษณะและโครงสร้าง

CNTs เป็นหนึ่งในวัสดุจำพวกคาร์บอน (C) เช่นเดียวกับกราไฟท์ เพชร และ C 60 หรือ fullerene ( ที่มีรูปร่างทรงกลมแบบลูกฟุตบอล) กราไฟท์มีหลายรูปแบบ มีโครงสร้างที่ประกอบด้วยหน่วยของคาร์บอนที่เชื่อมต่อกันเป็นรูปหกเหลี่ยมและเรียงกันเป็นแผ่นในระนาบเดียวกันเรียกว่าแผ่นกราฟีน(graphene) และเชื่อมต่อระหว่างระนาบเป็นชั้น ๆ ดังรูป

 

โครงสร้างกราไฟท์

 

โครงสร้างเพชร

 

โครงสร้าง Fullerence: C 60


Iijima กับ โมเดลของ MWNT

MWNT

การค้นพบ CNTs เป็นความบังเอิญที่ Sumio Iijima ( นักอิเลคตรอนไมโครสโคปีของบริษัท NEC) สังเคราะห์ fullerene โดยวิธี arc-evaporation แล้วพบว่าที่ขั้วคาโทดเกิดมีวัสดุโครงสร้างแบบกราไฟท์ที่เป็นทั้งอนุภาคขนาดนาโนและท่อนาโน ซึ่งอันหลังนี้ไม่เคยมีผู้ใดสังเกตเห็นมาก่อน (Iijima, Nature, 354, 1991, p. 561) ต่อมาทีมงานของ Iijima สามารถสังเคราะห์วัสดุดังกล่าวในปริมาณมากได้ โดยปรับสภาวะของการทำ arc-evaporation ท่อนาโนที่เกิดขึ้นนี้มีลักษณะเป็นท่อกราไฟท์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 3-10 นาโนเมตร (nm) และมีความยาวในช่วง 1 ไมโครเมตร ( m m) และเป็นท่อซ้อนกัน 2-50 ชั้น เรียกว่า multi-walled CNT (MWNT) ต่อมามีการสร้างและทำให้บริสุทธิ์แพร่หลายไปตามห้องปฎิบัติการต่าง ๆ ทั่วโลก รวมถึงการพัฒนาเป็นท่อเดี่ยวที่เรียกว่า single-walled CNT (SWNT) ในอีกสองปีต่อมา

 

ลักษณะโครงสร้าง CNTs กล่าวอย่างง่ายๆคือแผ่นกราฟีนม้วนปิดเป็นท่อทรงกระบอก การม้วนกราฟีนนี้ทำได้ 3 แบบ คือ ตามแนวแกนสมมาตร ถ้าเป็นแกนแนวตั้งจะเห็นโครงสร้างท่อแบบ armchair และแกนแนวนอนจะได้ท่อแบบ zigzag และถ้าม้วนต่างจากนี้จะได้ท่อแบบ chiral ดังรูปต่อไปนี้
ลักษณะของการม้วนแผ่นกราฟีนเป็นท่อนาโน

ท่อขนาดนาโนของกราไฟท์นี้สามารถเป็นได้ทั้งแบบท่อปลายเปิดหรือปลายปิด(cap) ถ้าเป็นแบบปลายปิดจะครอบด้วยครึ่งทรงกลมของ C 60 ขนาดของท่อสำหรับ SWNT มีตั้งแต่ 0.7 ถึง 2 nm ส่วน MWNT มีขนาดระหว่าง 10 ถึง 300 nm โดยมีช่องว่างระหว่างชั้นของแต่ละท่อมีขนาดอยู่ในระหว่าง 0.34 ถึง 0.36 nm สามารถทำให้ยาวได้ถึง 20 cm และมีรายงานว่าสามารถทำให้ยาวได้ถึง 100 เมตร (Li และคณะ, Science, 304, 2004, p. 276) ล่าสุดสามารถทำท่อ CNTs ขนาดเล็กสุดได้ถึง 3 อังสตรอม ( ?) (Zhao และคณะ, Phys. Rev. Lett. 92, 2004, p.16) คุณส

มบัติของ CNTs

ในขณะที่เพชรซึ่งรู้กันดีว่ามีความแข็งแกร่งมากด้วยโครงสร้างโครงตาข่ายสามมิติจากการเชื่อมต่อระหว่างพันธะของอะตอมคาร์บอนที่มีสี่ตำแหน่งอย่างลงตัว ขณะที่โครงสร้างของกราไฟท์นั้นคาร์บอนหนึ่งอะตอมเชื่อมพันธะกับคาร์บอนอีกสามอะตอมในระนาบเดียวกันและอีกหนึ่งพันธะที่เหลือจะยึดกับระนาบถัดไป พันธะในระนาบเดียวกันของกราไฟท์( กราฟีน) มีความแข็งแกร่งมาก( มากกว่าเพชร) แต่พันธะระหว่างระนาบไม่แข็งแรงมากนักและเลื่อนไหลได้ ด้วยลักษณะโครงสร้าง CNTs ดังกล่าวรวมถึงพันธะระหว่างอะตอมคาร์บอนที่ยาวเพียง 0.14 นาโนเมตร( สั้นกว่าเพชร) จึงทำให้ CNTs แข็งแรงกว่าเพชรและกราไฟท์

ค่าความยืดหยุ่น(Young’s modulus of elasticity) ของ CNTs มีค่าสูงถึง 1 เทอราปาสคาล(Tpa) หรือ 1000 กิกะปาสคาล(Gpa) คงเป็นที่สงสัยว่าขนาดของ CNTs เล็กจิ๋วขนาดนั้นจะวัดได้อย่างไร วิธีการประเมิณค่าความยืดหยุ่นนี้ทำได้หลายวิธีเช่น โดยอาศัย thermal vibration หรือใช้ scanning force microscopy ไปงอ CNTs โดยยึดปลายหนึ่งไว้แล้ววัดการสั่นสะเทือนในสนามไฟฟ้า และมีการใช้ atomic force microscopy (AFM) เพื่องอตรงกลางแท่งนาโนที่วางอยู่บน nanopores เพื่อวัดค่าความยืดหยุ่น

ได้มีการใช้ AFM จับ CNTs ทั้งสองข้างแล้วดึงจนขาดเพื่อหาค่าความต้านทานแรงดึง(tensile strength) ดังแสดงให้เห็นในรูป ความแข็งแรง ของ CNT มีค่าอยู่ระหว่าง 11 ถึง 63 Gpa ขณะที่ค่าความแข็งแรงของเหล็กกล้าอัลลอยมีเพียง 2 Gpa นอกจากนี้ SWNTs สามารถยืดตัวได้ถึง 10 ถึง 13 เปอร์เซนต์ก่อนที่จะขาดออกจากกัน

 

 

(a) AFM microscope ของ MWNT วางผ่านรูเพื่อวัดค่า Young’s modulus

(b) and (c) SEM ของ MWNT ที่อยู่ระหว่างปลายทั้งสองด้านของ AFM เพื่อวัดค่า tensile strength

(Yu และคณะ, Science, 287, 2000, p. 637)
SWNT มีพื้นที่ผิวได้ถึง 1500 m 2/g โดยมีความหนาแน่น 1.33 ถึง 1.40 g/cm 3 ซึ่งน้อยมากเมื่อเทียบกับอลูมิเนียมที่มีความหนาแน่นสูงถึง 2.7 g/cm3

CNTs มีความสามารถด้านการนำไฟฟ้าได้ดีกว่าทองแดง มัดหนึ่งของ CNTs สามารถนำไฟฟ้าได้ถึง 10 9 A/cm 2 ขณะที่ทองแดงได้สูงสุดเพียง 10 6 A/cm2 สมบัติเชิงไฟฟ้าอีกอย่างหนึ่งที่น่าสนใจของ CNTs คือ สามารถปลดปล่อยอิเลคตรอนจากปลายของ CNTs ในสภาวะสุญญากาศได้ เมื่อวางอยู่ในสนามไฟฟ้าที่ใช้ค่าศักย์ต่ำกว่า เช่นจะกระตุ้น phosphors ที่วางไว้ห่าง 1 mm ใช้ศักย์ไฟฟ้าเพียง 1-3 V ขณะที่ต้องใช้ศักย์ไฟฟ้าสูงถึง 50-100 V สำหรับปลายที่เป็นขั้ว molybdenum


การปลดปล่อยอิเลคตรอนจากปลายของแท่งนาโน ค่าการนำความร้อนของ CNTs สูงถึง 2000 W/mK โดยมีบางรายงานกล่าวว่า CNTs มีค่าการนำความร้อนได้ถึง 6000 W/mK เมื่อเปรียบเทียบกับเพชรที่มีค่าการนำไฟฟ้าเพียง 3320 W/mK นอกจากนี้ CNTs ยังทนต่ออุณหภูมิได้ถึง 2800 ?C ภายใต้สุญญากาศ และ 750 ?C ในสภาวะปกติ คุณสมบัติเหล่านี้เป็นที่น่าสนใจอย่างมากในเชิงกายภาพ นอกจากนี้ยังมีการค้นพบสมบัติอีกหลายประการเพิ่มขึ้นเมื่อมีการประยุกต์ใช้เพื่อประโยชน์ในด้านต่าง ๆ ที่จะกล่าวต่อไป

การสังเคราะห์และการผลิต

ผู้เขียนไม่ได้มีความรู้ลึกซึ้งเพียงพอในเทคนิคของการผลิต จึงขอเป็นเพียงรวบรวมเทคนิคที่ใช้กันอยู่ในปัจจุบัน เทคนิคแรกเริ่มดังได้กล่าวมาแล้วข้างต้นคือ arc discharge ซึ่งเป็นกระบวนการที่อาศัยกระแสไฟตรงขนาด 100 A และศักย์ประมาณ 20 V โดยควบคุมอุณหภูมิที่ 2000 ถึง 3000 ?C ซึ่งทำให้เกิดไอพลาสมาร้อนระหว่างขั้วคาร์บอน (2 ขั้ววางห่างกัน 2-3 mm) และเกิดการควบแน่นที่ขั้วคาโทด( เป็น water-cooled electrode) ได้ผลิตผลเป็น MWNTs ประมาณ 30 เปอร์เซ็นต์ของน้ำหนัก และมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 2-20 nm ด้วยความยาวน้อยกว่า 50 mm และถ้ามีการใช้โลหะคะตะลิสต์ร่วมด้วยจะได้เป็น MWNTs

เทคนิคอีกเทคนิคหนึ่งอาศัยแสงเลเซอร์(Pulsed-laser vaporization) ไปทำให้เป้าคาร์บอนผสมโลหะกลายเป็นไอในเตาเผาที่อุณหภูมิ 1100-1200 ?C และใช้ก๊าซเฉื่อยเช่น อาร์กอนหรือไนโตรเจนไปกวาดท่อนาโนที่ได้ออกจากเตาเผาไปหล่อเย็นที่ตัวเก็บกัก(Collector) ทองแดงด้านนอกเตาเผา เทคนิคนี้ใช้โคบอลต์และนิกเกลเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาได้ SWNTs ที่เป็นระเบียบมากกว่าวิธีแรกแต่มีข้อเสียคือต้นทุนการผลิตสูง

ทั้งสองเทคนิคข้างต้นมีปัญหาในเรื่องของการสังเคราะห์ให้ได้ปริมาณมาก และได้CNTs ที่มีระเบียบนั้นทำได้ยาก chemical vapour deposition (CVD) เป็นอีกทางเลือกหนึ่งที่มีต้นทุนต่ำ โดยอาศัยการก่อรูปของท่อนาโนบนวัสดุรองรับ(substrate) เมื่อทำปฏิกิริยาของก๊าซผสมพวกไฮโดนคาร์บอน ( เช่น acetylene methane หรือ ethylene) และไนโตรเจนภายในห้องปฏิกิริยาที่อุณหภูมิ 600-800 ?C สำหรับการผลิต MWNTs และ 900-1200 ?C สำหรับการผลิต SWNTs ในบรรยากาศปกติ การเร่งปฏิกิริยาทำได้โดยใช้วัสดุรองรับพวกโลหะหรือโลหะออกไซด์ หรือป้อนก๊าซดังกล่าวร่วมกับโลหะคะตะลิสต์เข้าไปในห้อง ซึ่งทำให้สามารถผลิต CNTs ได้ในปริมาณมาก และสามารถควบคุมขนาดและความยาวของ CNTs ได้ง่ายโดยควบคุมอัตราการไหลของก๊าซและระยะเวลาในการเกิดปฏิกิริยา

ปัจจุบัน CNTs สามารถผลิตได้ 10 เมตริกตันต่อปีโดยบริษัทในญี่ปุ่นด้วยเทคนิคที่เรียกว่า vapor-grown carbon fiber รวมถึงการสังเคราะห์ให้บริสุทธิ์ขึ้นโดยบริษัท Hyperion Catalysis International ด้วยเทคนิค high-pressure CO 2 (HiPCO) ที่ใช้ก๊าซของโลหะเช่น ferrocene แทนอนุภาคของโลหะ วิธีนี้ให้ผลผลิต 200-400 กรัมต่อวัน (Chemical Engineering, Jan 2002, p. 41) แ

นวคิดและความเป็นจริงของการประยุกต์ใช้ CNTs

จากไมโครอิเลคทรอนิคในระดับหนึ่งไมโครเมตร ถ้าก้าวต่อไปเป็นนาโนอิเลคทรอนิคส์นั่นคือต้องลดขนาด component ลง 10 ถึง 1000 เท่าจากเดิม ดังนั้นกระบวนทัศน์ของอิเลคทรอนิคcomponent ขนาด นาโนทั้งทรานซิสเตอร์ ไดโอด รีเลย์ และลอจิกเกทต้องเปลี่ยนใหม่ เช่นทรานซิสเตอร์จากเดิมระดับไมครอนที่เป็นซิลิคอนเซมิคอนดักเตอร์ ต้องหันมาใช้โครงสร้างโมเลกุลอินทรีย์ (organic molecules) หรืออนินทรีย์ (inorganic) ในระดับนาโน มีการใช้ CNTs เป็นช่อง (channel) อิเลคตรอนผ่านระหว่างsource-drain อิเลคโทรดสำหรับ field-effect transistor (FET) ดังลักษณะในภาพข้างล่าง โดยสามารถเปิด/ ปิดสวิทซ์ด้วย voltage gate ตามปกติ แต่สิ่งที่แตกต่างจากซิลิกอน FETs ทั่วไปคือ ขนาด และการนำไฟฟ้าผ่าน CNTs นี้สูงมากกว่าถึง 1 ล้านเท่าด้วยกำลังไฟฟ้าน้อยกว่าและให้ clock speed ในระดับสูงกว่าถึง 1 teraHz (Tans และคณะ, Nature, 393, 1998, p.49) รวมถึงการสร้างลอจิกเกทด้วย CNT-FETs โดยมีการโด๊ปด้วยสารเพื่อที่จะเติมหรือเอาอิเลคตรอนออกทำให้ได้ n-type หรือ p-type (holes) เกิดขึ้น


ลักษณะ Single-molecule transistor

ถึงแม้จะสามารถสร้าง component เหล่านั้นได้ในระดับนาโนแต่สิ่งที่ท้าทายกว่าคือการเชื่อมต่อ (wire) component เหล่านี้เข้าด้วยกันเพื่อจะปฏิบัติการเชิงคณิตศาสตร์หรือลอจิกได้ จึงเกิดแนวคิดที่ต้องทำให้ CNTs เป็นทั้งตัวเชื่อมและเป็น component ในทีเดียวเหมือนยิงปืนนัดเดียวได้นกสองตัว อย่างไรก็ตามสิ่งนี้ยังไม่รวมถึงในระดับโครงสร้างของระบบวงจรเชื่อมต่อคอมพิวเตอร์หรือระบบการทำงานอิสระอื่น ๆ มีการกล่าวว่างานวิจัยในประเด็นเหล่านี้หากเทียบกับการปีนยอดเขาเอเวอเรสต์แล้วพึ่งมาถึงแค่ฐานเชิงเขาเท่านั้นเอง

NASA สามารถสังเคราะห์คอมโพสิตของ SWNT-polyimide ที่สามารถเพิ่มคุณสมบัติทางกายภาพทั้งความแข็งแกร่ง การทนอุณหภูมิ และการนำไฟฟ้า ซึ่งทั้งหมดนี้มีความสำคัญมากสำหรับวัสดุประกอบเครื่องบินและยานอวกาศ กล่าวอย่างง่ายคือ CNTs สามารถช่วยเสริมความแข็งแกร่ง (reinforce) ของวัสดุเดิมให้มากยิ่งขึ้น น้ำหนักเบา และสามารถสร้างได้หลายรูปแบบได้แก่ ฟิล์มบาง ไฟเบอร์ โฟม สารเคลือบ และ ผง เป็นต้น

ปัจจุบันมีการผลิตวัสดุคอมโพสิต CNTs ได้ปริมาณมากระดับตันอาทิเช่น พลาสติคเสริม CNTs เช่น เสริมใน ethylene tetrafluoroethylene หรือ polyvinylidene fluoride เพื่อนำมาใช้ในรถยนต์ ใช้เป็นชิ้นส่วนอิเลคทรอนิคส์หรือเครื่องใช้ไฟฟ้าด้วยคุณสมบัติที่ทนสารเคมี ทนต่อการหลุดลอก รวมถึงป้องกันไฟฟ้าสถิตได้มากขึ้น นอกจากนี้ยังนำไปใช้ประโยชน์สำหรับการสร้างจอภาพอย่างแบน และเซลล์เชื้อเพลิง(Fuel cells) ในกรณีหลังนี้ CNTs จะไปแทนที่คะตะลิสต์เดิมคือ แพลตตินัม พบว่าในสภาวะเดียวกันเซลล์เชื้อเพลิงที่ใช้ SWNT เป็นส่วนผสมของขั้วอิเลคโทรดให้กระแสสูงถึง 800 mA ขณะที่ขั้วแบบเดิม(platinum-impregnated carbon black) ให้กระแสไฟฟ้าได้เพียง 350 mA ที่ศักย์ไฟฟ้า 0.6 โวลต์ จากที่ได้กล่าวแล้วว่า CNTs มีขนาดเล็กมากดังนั้นการจะจัดเรียงอนุภาคของ CNTs ให้ได้ตามต้องการนั้นเป็นสิ่งที่ยาก แต่ได้มีรายงานออกมาว่าสามารถใช้ลำแสงเลเซอร์สองเส้นทำงานคล้ายตะเกียบคือ จะคีบและเคลื่อนย้ายอนุภาคของ CNTs ได้ตามต้องการ ซึ่งเรียกเทคนิคนี้ว่า “optical trapping” ดังนั้นจึงคาดว่าน่าจะได้นำ CNTs มาใช้ในการสร้างไมโครชิพที่มีความไวสูงและใช้พลังงานต่ำ (Plewa และ คณะ, Optics Express, 12, 2004,1978)

ในทางการแพทย์แนวคิดสำคัญที่จะใช้ประโยชน์จาก CNTs คือการที่ท่อนาโนนี้สามารถเข้าถึงโครงสร้างในระดับเซลล์ได้ นั่นคือสามารถใช้เป็น probe ตรวจวัด หรือใช้เป็นปิเปตขนาดเล็กมากสำหรับปลดปล่อยสารหรือโมเลกุล(ultrasmall pipette) เข้าสู่เซลล์เป้าหมายได้ อันหลังนี้คือศักยภาพของ CNTs ในการขนถ่ายและปลดปล่อยยาเข้าสู่อวัยวะเป้าหมาย(targeted drug delivery)

การที่ CNTs สามารถทำให้อยู่ในรูปของสารกึ่งตัวนำ(semiconductor) ขณะเดียวกันสารกึ่งตัวนำตอบสนองต่อสารพวกอัลคาไลน์ ฮาโลเจน และ ก๊าซต่างๆ ได้ โดยการเปลี่ยนแปลงความต้านทานทางไฟฟ้าที่เกิดขึ้น ดังนั้นเมื่อเป็น semiconducting CNTs จะสามารถสังเกตการเปลี่ยนแปลงความต้านทานได้ดีขึ้นอย่างมาก ทำให้เซนเซอร์ที่ใช้ CNTs นี้มีความไวมากขึ้น ซึ่งก็มีการพัฒนาเป็นเซนเซอร์ตรวจวัด cytochrome c (Boussaad และคณะ, Chem. Comm., 2003, p.1502) methane, krypton (Muris และ คณะ, Langmuir, 16, 2000, p. 7019) และ โมเลกุลของ alkylamine (Kong และ คณะ, J. Phys. Chem.B, 105, 2001, p.2890) แบบสารกึ่งตัวนำ เป็นต้น ลักษณะภาพของไดอะแกรมแสดงดังนี้

 

 

เคมิคัลเซนเซอร์ที่ใช้ semiconducting CNTs สำหรับตรวจวัดก๊าซ หรือ สารโมเลกุลอื่น
แต่การประยุกต์ใช้ semiconducting CNTs เป็นเซนเซอร์แบบนี้มีปัญหา คือไม่สามารถแยกชนิดของก๊าซที่ความเข้มข้นต่ำได้และยังไวต่อการเปลี่ยนแปลงสภาวะแวดล้อมได้แก่ ความชื้น อุณหภูมิ และความเร็วก๊าซที่ไหลผ่าน ทำให้ขาดความสามารถเชิงจำเพาะหรือคัดเลือกเฉพาะที่เป็นสมบัติที่สำคัญของเซนเซอร์

แนวทางสำหรับประยุกต์เชิงเซนเซอร์ให้ดีขึ้นสามารถทำได้ด้วยเหตุที่ CNTs สามารถ functionalize ( เช่นหมู่ –OH และ -COOH เป็นต้น) ได้ ทำให้สามารถตรึงด้วยสารทางชีวภาพได้แก่ โปรตีน เอนไซม์ หรือ ดีเอ็นเอ จึงสามารถนำ CNTs ดังกล่าวไปประยุกต์ใช้กับงานด้านไบโอเซนเซอร์เพื่อประโยชน์ในการวินิจฉัยทางการแพทย์ หรือใช้ในการตรวจวิเคราะห์สารต่าง ๆ ได้ โดย CNTs มีพื้นผิวสำหรับการตรึงสารทางชีวภาพสูงทำให้สามารถเพิ่มขนาดสัญญาณได้มากขึ้นเมื่อเทียบกับวิธีของไบโอเซนเซอร์เดิม การตรึงสารทางชีวภาพบน CNTs นั้นมีหลายวิธีได้แก่ การทำ simple adsorption ที่ช่องของปลายเปิดหรือผนังด้านนอกของ CNTs ( วิธีนี้เป็นวิธีที่ง่ายและสะดวกแต่มีข้อเสียคือ มีปริมาณสารทางชีวภาพที่ติดอยู่น้อย) การทำ hydrophobic หรือ electrostatic interaction ระหว่างสารชีวโมเลกุลกับ CNTs การทำให้เกิดพันธะโควาเลนต์ที่ปลายเปิดของ CNTs หรืออาจ functionalize ด้านข้างของ CNTs โดยการเคลือบด้วยชั้นฟิล์มพอลิเมอร์ ได้มีการพัฒนาใช้ CNTs สร้างเป็นหัววัดไบโอเซนเซอร์สำหรับตรวจวัด น้ำตาลกลูโคส ดีเอ็นเอ H 2O 2 และ NADH เป็นต้น

การตรึงสารทางชีวภาพที่ปลายเปิดของ CNTs นั้นต้องเปิดปลายหรือเอาส่วนของครึ่งทรงกลม C 60 ออกโดยสองวิธีหลัก ๆ คือ ทำให้เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันกับ CNTs ด้วยกรด(acid oxidation) วิธีนี้ทำให้เกิดหมู่คาร์บอกซิลที่ปลายเปิด และสามารถตรึงเอนไซม์หรือชิ้น peptide nucleic acid (PNA) ลงบน CNTs ได้ ( ดังรูปข้างล่าง) ส่วนวิธีที่สองคือการเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันกับอากาศ(air oxidation) ด้วยความร้อนสูง 600 ?C ประมาณ 5 นาที แต่การเปิดปลายวิธีที่สองนั้นจะตรึงเอนไซม์ได้ในปริมาณน้อยกว่าวิธีแรกเพราะไม่สามารถเพิ่มหมู่ function ของ CNTs ได้ และยังส่งผลถึงความคงตัว(stability) ของเอนไซม์ด้วย ดังนั้นวิธีการเปิดปลาย CNTs จึงมีผลต่อการเข้าจับของเอนไซม์ภายในท่อของ CNTs (Sotiropoulou และคณะ, Anal Bioanal Chem, 375, 2003, p.103) บางรายงานใช้กรดไฮโดรคลอริกเข้มข้นเพื่อทำให้ปลายเปิดของ CNTs และมีหมู่คาร์บอกซิลเพิ่มมากขึ้น นอกจากการใช้กรดทำปฏิกิริยากับ CNTs เพื่อทำให้เกิดหมู่คาร์บอกซิลที่ปลายเปิดของ CNTs แล้วยังสามารถใช้วิธีทางเคมีไฟฟ้า โดยให้ศักย์ไฟฟ้าที่ 1.5 โวลต์กับ CNTs ในสารละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์ ดังนั้นหมู่เอมีนที่มีอยู่ในสารชีวภาพจะสามารถจับกับหมู่คาร์บอกซิลบน CNTs ได้

เอนไซม์กลูโคสออกซิเดสจับกับหมู่คาร์บอกซิลที่ปลายเปิดของ CNTs

  • PNA ที่ตรึงบนปลายเปิดของ SWNT ด้วย amine-linkage
  • การ hybridization ระหว่างชิ้น sDNA กับ PNA-SWNT แบบ Watson-Crick base-pairing

ด้วยคุณสมบัติที่เป็น hydrophobic ที่ด้านข้างของ CNTs นี้จึงได้มีงานวิจัยที่ใช้คุณสมบัติดังกล่าวของ CNTs มาทำการ functionalize โดยใช้ bifunctional molecule ที่ประกอบด้วยกรด pyrenebutanoic และ succinimidyl ester ด้วยโครงสร้างของ pyrene ที่เป็นวงแหวน จึงเกิด hydrophobic interaction กับด้านข้างของ CNTs อย่างแข็งแรงแม้ว่าจะไม่ได้อยู่ในสารละลายอินทรีย์ และ succinimidyl ester สามารถเกิดพันธะเอไมด์กับหมู่เอมีนบนโปรตีนได้ (Chen และ คณะ, J. Am. Chem. Soc.,123, 2001, p.3838) ลักษณะดังรูปต่อไปนี้


หมู่เอมีนของโปรตีนจับกับ succinimidyl ester ที่ด้านข้างของ SWNT (Chen และ คณะ, J. Am. Chem. Soc., 123, 2001, p. 3838)



ภาพจาก AFM ของเอนไซม์กลูโคสออกซิเดสที่ตรึงอยู่บน SWNT, scale bar = 200 nm ( Azamian และคณะ ,

J. Am. Chem. Soc ., 124, 2002, p.2665)
จากโครงสร้าง เทคนิคในการผลิต และคุณสมบัติอันหลายหลายของ CNTs นี้เอง จึงทำให้มีการศึกษาวิจัยและประยุกต์ใช้ CNTs อย่างมากมาย ไม่ว่าจะเป็นทางการแพทย์ วิศวกรรมศาสตร์ วิทยาศาสตร์ และในไม่ช้า CNTs จะมีบทบาทมากยิ่งขึ้นในงานวิจัยที่หลากหลาย




Presented by
Digital Library Team | e-mmet@lib.kmutt.ac.th