—d1926

چکیده
بررسی تنوع ژنتیکی اقوام ایرانی با استفاده از STR
مونا داودبیگی
بررسی تنوع ژنتیکی در جمعیت‏ها با استفاده ار تعیین فراوانی آللی و پارامترهای ژنتیکی روش نوینی است که در سال‏های گذشته در بسیاری از جمعیت‏های جهان صورت گرفته و با استفاده از آن شباهت بسیاری از جمعیت‏ها به یکدیگر مشخص گردیده. شباهت جمعیت‏ها نشان‌دهنده‏ی همسان‌بودن خزانه‏ی ژنتیکی آنها و احتمالا یکسان‌بودن آن جمعیت‏ها در گذشته است. پس این احتمال وجود دارد که این جمعیت‏ها در گذشته یک جمعیت بوده باشند و بعد‏ها به دلایل جغرافیایی و یا مهاجرت‏ها از یکدیگر جدا شده باشند. یکی از راه‏های بررسی تنوع‌ ژنتیکی در جمعیت‏ها استفاده از توالی‏های کوتاه تکراری می‏باشد .هدف این مطالعه بررسی تنوع ژنتیکی در دو قوم یزد و کرد (کرمانشاه) از ایران بود. بدین منظور پروفایل ژنتیکی پنجاه فرد غیر‌خویشاوند از هر یک از جمعیت‏های کرمانشاه و یزد با استفاده از کیت ABIتهیه شد. این کیت حاوی پانزده جایگاه D8S1179،D21S11 ، D7S820،CSF ،D3S1358 ،TH01 ، D13S317، D16S539،D2S1338 ، D19S433، VWA، TPOX،D18S51 ، D5S818،FGA ،VWA ، TPOX و TH01 و ژن آمیلوژنین (برای تعیین جنسیت افراد) می‏باشد. نتایج نشان‌دادند که به جز دو جایگاه D7S820 وD19S433 در جمعیت کرمانشاه و سه جایگاه D21S11 ,D19S433 و VWA در یزد سایر جایگاه‏ها در تعادل هاردی‏واینبرگ بودند. همچنین پارامترهای پزشکی‌قانونی شامل PIC,PD,PE,MP در این مطالعه بررسی شدند. سپس دو جمعیت با جمعیت‏های کشورهای همسایه مقایسه شدند. این مطالعه نشان داد که این جایگاه‏ها، جایگاه‏های مناسب برای استفاده در تست‏های تعیین هویت و مطالعات جمعیتی می‏باشند. در نتیجه‏‏ی مقایسات هم دیده شد که هر دو جمعیت یزد و کرمانشاه شباهت زیادی به جمعیت کشور ترکیه داشتند ولی با سایر کشورها متفاوت بودند. از طرفی یزد نسبت به کرمانشاه دارای جمعیت همگن‌تری بود که این مسئله می‏تواند به‌علت بکر بودن این جمعیت در طول سالیان مختلف باشد.
کلمات کلیدی: توالیهای کوتاه تکراری، نشانگرهای مولکولی، ژنتیک جمعیت
Abstract
Genetic variation in two Iranian population with STR
Mona Davood Beigi
In recent years studying genetic variation among population by determination of allele frequencies and genetic parameters became a new method that it has been done in different population all around the world. By using this method lots of similarities has been founded among population around the world. These similarities represent the same genetic pool and also it may show the same population in the past as well. So it seems that different population were one at the first and geographical situations or migrations were the reasons that caused its separation.
Studying short tandem repeats (STR) in genome is the best way to founding genetic variation in population. The aim of this study was to investigate the genetic variation of two population of Iran, Yazd and Kermanshah people.
For this purpose the genetic profile of 50 unrelated individual from each population prepared by using ABI kit. This kit contains fifteen str loci (D8S1179, D21S11, D7S820, CSF1PO, D3S1358, TH01, D13S317, D16S539, D2S1338, D19S433, VWA, TPOX, D18S51, D5S818 and FGA) and also amylogenin gene for sex determination. The result showed all the loci were in Hardy Weinberg equilibrium except two loci(D19s433 , D2s820) in Kermanshah and three loci (D19s433, D21s11 and VWA) in Yazd population. More over forensic parameters including PIC, PD, PE and MP have been calculated. After all the results have been compared with other population in neighbor countries.
This study revealed that these loci were the suitable loci for identification people and studying genetic population variation. Also the comparison showed that both of Yazd and Kermanshah people were similar to Turkish genetically, but were different from other countries. In addition Yazd has more homogeneous population than Kermanshah, that it could be due to pristine gene pool of this population in the past centuries.
Keywords: Short tandem repeats; Microsatellite markers; Population genetic
فصل اول
مقدمه
1-1 مقدمهدرگذشته مطالعه‏ی تکامل و مهاجرت‏ها از طریق کشف و بررسی بقایای اسکلتی و فسیل‏ها انجام می‏شد. اما از حدود سه دهه‏ی پیش، باستان‏شناسان و زیست‏شناسان با به‌کار‏گیری آنالیز‏های DNA موفق به کشف‏های بسیار دقیقی شدند که کمک فراوانی به ردیابی تاریخ مهاجرت بشر و تکامل انسان‏ها نموده است. یکی از پر‏کاربرد‏ترین راه‏های آنالیز DNA، بررسی نشان‌گرهای ژنتیکی افراد است، که از مهم‌ترین آنها می‏توان به توالی‏های کوتاه تکراری موسوم به STR اشاره کرد. STR‏ها، توالی‏هایی به طول یک تا سیزده نوکلئوتید هستند که در ژنوم موجودات در نواحی غیر‌کد‏کننده موجود می‏باشند. هر فرد توالی‏های منحصر به فردی دارد و هیچ دو نفری در جهان نیستند که توالی‏های یکسانی داشته باشند. به همین دلیل ازSTR ‏ها می‏توان در مطالعات جمعیتی و بررسی تنوع ژنتیکی در جمعیت‏ها سود جست [1].
علاوه بر مطالعات جمعیتی ازSTR ‏ها می‏توان در موارد تعیین هویت‏، تعیین ابویت، تست‏های پزشکی‏قانونی و سایر موارد استفاده کرد. به طور معمول STRهایی که برای تعیین هویت و مطالعات ژنتیکی جمعیت به‌کار می‏روند، یکسان هستند و شامل پانزده جایگاه به نام‏های D8S1179،D21S11 ، D7S820،CSF ،D3S1358 ،TH01 ، D13S317، D16S539،D2S1338 ، D19S433، VWA، TPOX،D18S51 ، D5S818،FGA ،VWA ، TPOXو TH01 می‏باشند [1].
هم‌چنین از روش مشترکی موسوم به تعیین الگوی DNA در این زمینه‏ها استفاده می‏شود. هر فرد دارای الگوی DNA منحصر به فرد است که تا پایان عمر تغییر نخواهد کرد. محققان دریافتند که افراد یک جمعیت در الگوهای ژنتیکی خود دارای تشابهاتی هستند که منحصر به همان جمعیت است و با الگوی افراد جمعیت‏های دیگر متفاوت است. از این تفاوت‏ها می‏توان برای ردیابی تاریخ مهاجرت و تکامل انسان‏ها استفاده نمود (1).
1-2 نشان‌گر چیست؟
صفاتی را که می‏توانند به عنوان نشانه‏ای برای شناسایی افراد حامل آن صفت مورد استفاده قرار گیرند، نشان‌گر می‏نامند. مندل نخستین کسی بود که از نشان‌گرهای ظاهری برای مطالعه چگونگی توارث صفات در نخود‌فرنگی استفاده کرد. اما گاهی صفات به سادگی و با چشم غیر مسلح قابل مشاهده نیستند، مانند گروه خونی. برای مشاهده چنین صفاتی باید آزمایش‏های خاصی صورت گیرد. به طور کلی هر صفتی که بین افراد متفاوت باشد، ناشی از تفاوت موجود میان محتوای ژنوم آنها می‏باشد. حتی بروز صفات به صورت متفاوت در میان افراد (در شرایط محیطی یکسان)، به علت تفاوت‏ در ژنوم آنها است. این تفاوت‏ها می‏توانند به عنوان نشانه یا نشان‌گر ژنتیک به کار گرفته شوند. به طور کلی برای آنکه صفتی به عنوان نشان‌گر ژنتیک مورد استفاده قرار گیرد، باید دست کم دو ویژگی داشته باشد‌:
1-در بین دو فرد متفاوت باشد (چند شکلی)
2-به توارث برسد (2).
1-3 انواع نشان‌گرهای ژنتیکینشان‌گرهای ژنتیکی عبارتند از:
1-نشان‌گرهای مورفولوژیک
2-نشان‌گرهای پروتئینی
3-نشان‌گرهای مولکولی در سطح DNA و RNA
1-3-1 نشان‌گرهای مورفولوژیک
کاربرد نشان‌گرهای مورفولوژیک به ده‏ها سال پیش از کشف DNA مربوط می‏شود. نشان‌گرهای مورفولوژیکی که پیامد جهش‏های قابل رویت در مورفولوژی هسته، از ابتدای این سده مورد استفاده قرار گرفتند. صفات مورفولوژیکی که عمدتا توسط یک ژن کنترل می‏شوند، می‏توانند به عنوان نشان‌گر مورد استفاده قرار گیرند. این نشان‌گرها شامل دامنه وسیعی از ژن‏های کنترل‌کننده صفات فنوتیپی هستند و جز نخستین نشان‌گرها به شمار می‌آیند و از زمان‏های بسیار دور یعنی از زمانی که محل ژن‏ها روی کروموزوم مشخص شد، مورد استفاده قرار می‏گرفتند (2).
معایب نشان‌گرهای مورفولوژیک
اغلب دارای توارث غالب و مغلوب بوده و اثرات اپیستازی و پلیوتروپی دارند.
تحت تاثیر شرایط محیطی و مرحله رشد موجود قرار می‏گیرند.
فراوانی و تنوع کمی دارند.
گاهی برای مشاهده و ثبت آنها باید منتظر ظهور آنها ماند.
اساس ژنتیک بسیاری از نشان‌گرهای مورفولوژیک هنوز مشخص نشده است‌(2).
1-3-2 نشان‌گرهای پروتئینی
در دهه‌ی 1950، نشان‌گرهای پروتئینی قابل مشاهده توسط الکتروفورز پروتئین‏ها تحول شگرفی را ایجاد نمودند. برخی از تفاوت‏های موجود در ردیفDNA بین دو موجود ممکن است به صورت پروتئین‏هایی با اندازه‏های مختلف تجلی کنند، که به روش‏های مختلف بیوشیمیایی قابل ثبت و مطالعه می‏گردند. این قبیل نشان‌گرها را نشان‌گرهای مولکولی در سطح پروتئین می‏نامند که از آن جمله می‏توان به سیستم آیزوزایم/آلوزایم اشاره کرد. معمول‏ترین نوع نشان‌گرهای پروتئینی آیزوزایم‏ها هستند که فرم‏های مختلف یک آنزیم را نشان می‏دهند. آیزوزایم‏ها به‏ طور گسترده در بررسی تنوع ژنتیکی به‌کار گرفته‌شدند. نشان‌گرهای پروتئینی تغییرات را در سطح ردیف و عمل ژن به صورت نشان‌گرهای هم‌بارز نشان می‏دهند. اما این دسته از نشان‌گرها هم دارای معایبی هستند. برخی از معایب آن‏ها عبارت‌اند از:
محدود بودن فراوانی این نوع نشان‌گرها؛
تعداد آیزوزایم‏های قابل ثبت و مشاهده که می‏توان از آنها به عنوان نشان‌گر استفاده کرد به یکصد عدد نمی‏رسد؛
محدود بودن تنوع ژنتیکی قابل ثبت در آیزوزایم‏ها‌(نداشتن چند شکلی)؛
پیچیدگی فنوتیپ‏های الکتروفورزی آیزوزایم‏ها به دلیل دخیل بودن آنزیم‏های مرکب از چند پلی‌پپتید مستقل در ترکیب برخی از آیزوزایم‏ها‌(3).
اما پیشرفت‏هایی که در زمینه‏ی الکتروفورز دو‏بعدی با قدرت تفکیک زیاد پدید آمده، تجزیه تحلیل هم‌زمان هزاران پروتئین را میسر ساخته و مجددا به‌عنوان فناوری پیشتاز در عرصه نشان‌گر‏های مولکولی مطرح شده‏اند. تاثیرپذیری نشان‌گرها از محیط که به‌طور معمول به‌عنوان یکی از محدودیت‏ها و نکات منفی نشان‌گرهای مولکولی یاد می‏شود، در مورد این نشان‌گر‏ها تبدیل به برتری شده و جایگاه متمایزی را در بین سایر نشان‌گرها به ارمغان آورده است. پروتئومیکس‌(مطالعه سراسری کل پروتئین‏های موجود در یک سلول یا یک ارگانیسم) می‏تواند به‌طور هم‌زمان برای مطالعه بیان ژن و هم‌چنین برای شناسایی پروتئین‏های واکنش دهنده به شرایط محیطی مورد استفاده قرار گیرد(3).
1-3-3 نشان‌گرهای مولکولیDNA وRNA
دسته‌ای دیگر از تفاوت‏های موجود در سطح DNA هیچ تظاهری ندارند. نه صفت خاصی را کنترل می‏کنند و نه در ردیف اسید‏های آمینه پروتئین‏ها تاثیری برجای می‌گذارند. این دسته از تفاوت‏ها را می‏توان با روش‏های مختلف شناسایی، قابل دیدن و ردیابی کرد و به عنوان نشان‌گر مورد استفاده قرار داد. این نشان‌گر‏ها که تعدادشان تقریبا نا‏محدود است، فقط از راه تجزیه و تحلیل مستقیم DNA قابل ثبت هستند. بنابراین به آنها نشان‌گرهای مولکولی در سطح DNA گفته می‏شود. نشان‌گرهای مولکولی فراوان و در هر موجود زنده‌ای می‌توانند مورد استفاده قرار گیرند. تاکنون تعداد زیادی از نشان‌گرهای DNA معرفی شده‌اند. این نشان‌گرها از نظر بسیاری از ویژگی‏ها مانند درجه‏ی چندشکلی، غالب یا هم‌بارز بودن، تعداد جایگاه‏های تجزیه شده در هر آزمایش DNA، توزیع در سطح کروموزوم، تکرار‌پذیری، نیاز یا عدم نیاز به توالی‏یابی DNA الگو و هزینه‏ی مورد نیاز با همدیگر متفاوت‌اند. انتخاب بهترین نشان‌گر به هدف مطالعه (انگشت نگاری، تهیه نقشه پیوستگی، ژنتیک جمعیت و روابط تکاملی) و سطح پلوئیدی موجود مورد مطالعه بستگی دارد‌(4).
مزایای کاربرد نشان‌گرهای مولکولی
عدم تاثیرپذیری آنها از شرایط محیطی خارجی و داخلی موجود؛
امکان به‌کارگیری آنها در مراحل نخستین رشد جنینی حیوانات و مراحل نخستین رشد موجودات؛
فراهم نمودن امکان مطالعه موجودات در خارج از فصل و محیط کشت؛
دقت و قابلیت مطلوب تفسیر نتایج؛
هم‌بارز بودن بسیاری از این نشان‌گرها؛
امکان استفاده از آنها در مورد گونه‏های منقرض شده؛
سهولت تشخیص افراد ناخالص از خالص؛
سهولت امتیازدهی و تجزیه و تحلیل نتایج؛
دسترسی به برنامه‏های رایانه‏ای قوی برای تجزیه و تحلیل و تفسیر سریع نتایج‌(4)
انواع نشان‌گرهای مولکولی
نشان‌گرهای DNA گروه بزرگی از نشان‌گرها را تشکیل می‏دهند. این نشان‌گرها سیر تحول و تکامل خود را به پایان نرسانده‏اند و ابداع و معرفی روش‏های متنوع و جدیدتر ثبت و مشاهده‏ی تفاوت‏های ژنتیک بین موجودات از طریق مطالعه‏ی مستقیم تفاوت‏های موجود در بین ردیف‏های DNA هم‌چنان ادامه دارد. نشان‌گر‏های DNA در مدت یک دهه تکاملی شگرف و تحسین‌برانگیز داشته‏اند‌(5).
ابداع و معرفی واکنش زنجیره‌ای پلی‌مراز یا PCR یک روش سریع تکثیر آزمایشگاهی قطعه یا قطعه‌های مورد نظر DNA است. در واقع PCR روشی بسیار قوی است که تکثیر ردیف منتخبی از مولکول یک ژنوم را تا چندین میلیون در کم‌تر از نیم‌روز امکان‌پذیر می‏سازد. اما این فرایند هنگامی امکان‌پذیر است که دست‌کم ردیف کوتاهی از دو انتهای قطعه DNA مورد نظر معلوم باشد. در این فرایند که تقلیدی از فرایند همانندسازی DNAدر طبیعت است، الیگونوکلئوتیدهای مصنوعی که مکمل ردیف شناخته شده دو انتهای قطعه‏ی مورد‌نظرDNA هستند، به‌عنوان آغازگر مورد استفاده قرار می‏گیرند تا واکنش آنزیمی همانندسازی DNA درون لوله‌ی آزمایش امکان‌پذیر شود. این همانند‏سازی فرایندی آنزیمی است و توسط انواع مختلفی از آنزیم‏های پلی‌مراز صورت می‏گیرد. امروزه تعداد زیادی از این نوع آنزیم‏ها به صورت تجاری دردسترس هستند‌(6).
واکنش زنجیره‏ای پلی‌مراز (PCR) در سال 1983 توسط کری‌مولیس در حالیکه در یک نیمه شب تابستانی در حال رانندگی بود، ابداع گردید و سبب انقلاب عظیمی در زیست شناسی مولکولی شد(6).
همان‌گونه که در شکل 1-1 نشان داده شده است، نشان‌گرهای DNAبه دو دسته‏ی کلی طبقه‌بندی می‏شوند.
نشان‌گرهای DNAمبتنی بر PCR
نشان‌گرهای DNA غیر مبتنی PCR(6).

شکل 1-1 انواع نشان‌گرهای ژنتیکی‌(10)
1-3-3-1 نشان‌گرهای غیر مبتنی بر PCRاین دسته از نشان‌گرهای DNA بدون استفاده از روشPCR تولید می‌شوند و مورد استفاده قرار می‌گیرند.
انواع نشان‌گرهای غیر مبتنی بر PCR به شرح زیر است:
تفاوت طول قطعات حاصل از هضم DNA توسط آنزیم‏های محدودگر(RFLP)
پویش ژنومی نشانه‏های هضم (RLGS)
ماهوارک‏ها
1-3-3-1-1 تفاوت طول قطعات حاصل از هضم DNA توسط آنزیم‌های محدودگر( (RFLPسرگروه نشان‌گرهای غیر‌مبتنی برPCR ، همان تفاوت طول قطعه‏های حاصل از هضم DNA توسط آنزیم‏های محدودگر یا RFLP است. از بین نشان‌گرهای مولکولی DNA، RFLP ها اولین نشان‌گرهایی بودند که برای نقشه‌یابی ژنوم انسان توسط بوتستین و همکاران در سال 1980 و پس از آن برای نقشه‌یابی ژنوم گیاهان توسط بر و همکاران در سال 1983 مورد استفاده قرار گرفتند. در اوایل دهه 1980 بوتستین و همکاران استفاده از تفاوت طول قطعه‏های حاصل از هضم یا RFLP را برای مطالعه‏ی مستقیم DNA و یافتن نشان‌گر‏های ژنتیک جدید معرفی کردند. این تحول از پیامد‏های منطقی کشف آنزیم‏های محدودگر بود. این آنزیم‏ها که بسیار اختصاصی‏ هستند، ردیف‏های ویژه‏ای را روی مولکولDNA شناسایی کرده و آنها را از محل خاصی (نقطه‏ی برش) برش می‏دهند‌(7).
RFLP الزاما مختص ژن‏های خاص نیست، بلکه در کل ژنوم پراکنده است. ازاین رو، از نشان‌گرهای RFLP برای نقشه‌یابی تمام ژن‌ها در ژنوم انسان استفاده می‏شد(5). علاوه برRFLP که هنوز هم از قدرتمندترین و معتبرترین نشان‌گرهایDNA است، انواع مختلف نشان‌گرهایDNA با تفاوت‌های زیادی از نظر تکنیکی و روش تولید، نحوه‌ی کاربرد، امتیاز‌بندی، تجزیه و تحلیل و تفسیر نتایج به سرعت ابداع ومعرفی شده‌اند‌(7).
مهم‌ترین مزایای RFLP
تکرارپذریری، دقت و قابلیت اعتماد این نشان‌گر فوق‌العاده زیاد است؛
این نشان‌گر هم‌بارز است و امکان تشخیص افراد خالص را از افراد ناخالص فراهم می‏آورد؛
فراوانی این نشان‌گر در حد بالایی است؛
RFLP تحت تاثیر عوامل محیطی داخلی و خارجی نبوده و صد در صد ژنتیکی است(8).
برخی معایب RFLP
دشواری، پیچیدگی و وقت‌گیر بودن؛
RFLP ژنوم‌های بزرگ نیازمند کاربرد مواد پرتوزا یا روش‌های پیچیده‏تر و گران‏تر بیوشیمیایی است؛
RFLP نیازمند نگه‌داری میکروارگانیسم‌ها به‌منظور تهیه‏ی کاوشگر است که خود بر پیچیدگی این روش می‏افزاید؛
هزینه‏ی اولیه و نگه‏داری کاوشگر‏ها و کاربرد آنها بسیار زیاد است؛
نیازمندی به مقدار نسبتا زیاد DNA از محدودیت‏های دیگر روش RFLPاست به‌طوری که ده‏ها میکروگرم از DNAبرای هر فرد به منظور تجزیه‏ی ژنوم مورد نیاز است؛
از دیگر محدودیت‏های این نشان‌گر آن است که در گونه‏های بسیار نزدیک به یکدیگر این نوع نشان‌گر‏ها آلل‏های مشابهی را نشان می‏دهند(8).
1-3-3-1-2 پویش ژنومی نشانه‏های هضم (RLGS)در سال1991، هاتادا و همکاران روشی را برای شناسایی و انگشت‌نگاری موجودات عالی ابداع و معرفی کردند. پیش از ابداع این روش که بر مبنای نشان‌دار کردن هم‌زمان انتهای هضم شده‏ی هزاران قطعه‌ی DNA است، ردیابی و ثبت موجودات عالی با روش نشان‌دار کردن انتهای هضم شده غیر ممکن می‌نمود. دو دلیل اصلی برای این تصور ذکر شده است:
ژنوم موجودات عالی بسیار بزرگ و پیچیده است برای مثال ژنوم انسان 109×3 جفت باز دارد و در نتیجه‏ی هضم آن با آنزیمی مانند EcoRI بیش از یک میلیون قطعه‌ی DNA به وجود می‌آید. تفکیک این تعداد مولکولDNA حتی با الکتروفورز دو بعدی نیز غیر ممکن است.
معمولا DNA ژنومی در هنگام استخراج به صورت تصادفی و غیر‌اختصاصی شکسته می‌شود و ایجاد مولکول‏هایی با انتهای تصادفی می‏کند. این امر سبب ایجاد پس‌زمینه‌ی ناشی از نشان‌دار شدن این انتهاها طی فرایند نشان‌دارکردن می‏شود‌(9).
برای رفع این دو نقص تدابیری پیش‏بینی شد و روش RLGS ابداع گردید. این روش جدید که برای تجزیه و تحلیلDNA ژنومی به‌کار می‌رود، بر مبنای این فرضیه است که نقاط برش اختصاصی آنزیم‏های محدودگر می‌توانند به‌عنوان نشانه و وجهه تمایز ارقام و افراد به کار گرفته‌شوند.
در این روش انتهای آزاد مولکول‌های DNA که در اثر صدمات مکانیکی در طی استخراج به وجود آمده‏اند، مسدود می‏شود. سپس برای کاهش پیچیدگی، DNA ژنومی توسط آنزیم‏های محدودگر، با محل برش نادر، هضم و نقاط برش به‌طور مستقیم با فسفر پرتوزا نشان‌دار می‏شوند. آنزیم‏های با محل برش نادر معمولا هزاران قطعه DNA به وجود می‏آورند. سپس با الکتروفورز دو‌بعدی، قطعه‏های هضم‌شده‏یDNA از هم جدا شده و خودپرتونگاری صورت می‏گیرد. این روش یک الگوی دو بعدی با هزاران نقطه‏ی پراکنده (قطعه‏های نشان‌دارDNA) ایجاد می‏کند که هر یک می‏توانند به عنوان یک نشان‌گر به کار گرفته شوند(10)
برخی از مزایای روشRLGS
در هر آزمایش هزاران نشان‌گر به‌دست می‌آید؛
مقدار کمی DNAمورد نیاز است؛
در صورت استفاده از آنزیم‌های محدودگر متفاوت، تفاوت‏های بیشتری ظاهر و ثبت خواهند شد[10].
برخی از معایب روش RLGS
DNA مورد نیاز برای این روش باید از کیفیت مطلوبی برخوردار باشد؛
هضم ناقص DNA توسط آنزیم‏های محدودگر نتایج تکرار ناپذیر و گمراه کننده‏ای خواهد داشت؛
این روش پیچیدگی فوق العاده‏ای داشته و تفسیر نتایج حاصل از آن دشوار است(10).
1-3-3-1-3 ماهوارک‏ها
ماهوارک‏ها نخستین بار در سال 1985 توسط جفری و همکاران گزارش شدند. پس از آن در سال 1988 تکثیر جایگاه‏های ژنی خاص نواحی تکرارشونده، روی ماهوارک‏ها در ژنوم انسان انجام شد.
این دسته از نشان‌گرها از نظر تکنیکی مبتنی بر استفاده از کاوشگرهای مصنوعی و کاربرد مواد پرتوزا و روش ساترن هستند.
ماهوارک‌ها واحدهایی 10 تا 100 جفت بازی هستند که ممکن است صدها بار تکرار شده باشند. آنها معمولا یک هسته مشترک 10 تا 15 جفت بازی دارند که احتمالا در تنوع‌پذیری ماهوارک‌ها موثرند. ماهوارک‌ها بیش‌تر در نواحی یوکروماتین ژنوم پستانداران، قارچ‌ها و گیاهان متمرکز‌ند. تنوع‌پذیری ماهوارک‌ها در حدی است که گاهی در انگشت‌نگاریDNA انسان مورد استفاده قرار می‏گیرند. از جمله‌ی ماهوارک‌ها می‏توان به تکرارهای پشت سر هم با فراوانی بالا (VNTR) اشاره کرد[11]. VNTR ها به دو دسته‌ی کلی تقسیم می‌شوند: VNTR تک مکانی و VNTR چند مکانی.
دسته‏ی نخست، تعداد متفاوت ردیف‌های تکراری در یک جایگاه ژنی و دسته‏ی دوم تعداد متفاوت ردیف‌های تکرار‌شونده در چندین جایگاه ژنی را نشان می‌دهند. الگوی بانددهی به‌دست آمده با استفاده از کاوشگر‌های VNTR تک مکانی ساده‏تر و قابل فهم‌تر است، زیرا هر فرد تعداد کمی باند واضح را نشان می‏دهد. در حالی‌که تعداد باندهای به دست آمده از کاوشگرهای مخصوص VNTRچند‌مکانی بیش‌تر است، به‌طوری که به‌طور هم‌زمان تا بیش از 30 باند به دست می‏آید(12).
در نخستین نشان‌گرهای مبتنی بر ماهوارک‌ها، از الیگونوکلئوتید‏های حاوی ریزماهواره به عنوان کاوشگر استفاده گردید و توسط علی و همکاران انگشت‌نگاری الیگونوکلئوتیدی نام‌گذاری شد.
از کاوشگرهای الیگونوکلئوتیدی نشان‏دار‌شده مکمل با موتیف‌های کوتاه تکرار‌شونده در هیبریداسیون در ژل، با به کارگیری DNAژنومی برش داده شده با آنزیم‌های برشی خاص و الکتروفورز ژل آگارز استفاده شده است. گوبتا و وارشنی در سال2000 طی تحقیقات خود مراحل زیر را برای انگشت‌نگاری الیگونوکلئوتیدی مطرح کردند:
جداسازیDNA ژنومی با وزن مولکولی زیاد
هضم DNAژنومی با یک آنزیم محدودگر مناسب
تفکیک قطعه‌های حاصل از هضم روی ژل آگارز
انتقال ساترن قطعه ها به غشا
دو ‏رگ‏گیری غشا با کاوشگر‏های(نشاندار با مواد پرتوزا یا غیر پرتوزا) الیگونوکلئوتیدی دربردارنده‏ی ردیف‌های دو یا سه تایی تکراری
خودپرتونگاری یا رنگ آمیزی برای مشاهده‏ی قطعه‌های دو رگ‌شده.
به‌کمک این روش می‌توان تنوع نواحی تکرار‌شونده‏ی مورد نظر را آشکار کرد. قطعه‌هایی از DNA که با الیگونوکلئوتیدها دو ‌رگ می‌شوند، در دامنه‌ای از اندازه‏ی چند صد جفت تا ده کیلو جفت باز قرار می‏گیرند. هم‌چنین گاهی بیش از یک نوع ماهواره در داخل یک قطعه‏ی برش داده شده قرار می‌گیرد. تفاوت‏هایی که این نوع نشان‌گرها نشان می‏دهند، به دلیل تفاوت در طول قطعه‌های برش داده‌شده‌ای است که در بردارنده‏ی ماهوارک‌ها هستند. از این روش برای شناسایی ژنوتیپ‌ها و همچنین در ژنتیک جمعیت استفاده می‌شود(12).
پس از مدتی، لیت و لوتی و سه گروه دیگر همین روش را برای ریزماهواره‏ها(عمدتا از نوع (CA)n) به‌کار بردند و دریافتند که ریز ماهواره‏ها به دو دلیل به مراتب آسانتر از ماهوارک‌ها با روش PCR تکثیر می‏شوند:
1-ریزماهواره‏ها کوچکتر از ماهوارک‏ها هستند؛
2-ردیف‌های تکرار‌شونده ریز ماهواره‏ای فراوانتر و توزیع آنها در کل ژنوم یکنواخت‌تر ازماهوارک‏هاست(13).
1-3-3-2 نشان‌گرهای مبتنی بر PCRنشان‌گرهای مبتنی بر PCR نشان‌گرهایی هستند که از توالی الیگونوکلئوتیدی به عنوان آغازگر برای تکثیر قطعه‏ی خاصی از DNA استفاده می‌کنند. روش‏های مختلف در این گروه، در طول و توالی آغازگرها، سختی شرایط PCR و روش‏های جداسازی و آشکار کردن قطعات با همدیگر فرق دارند.
انواع نشان‌گرهای مبتنی بر PCR به شرح زیر است:
تفاوت طول قطعه‌های حاصل از تکثیر(AFLP)
DNA چند شکل تکثیر‌شده‏ی تصادفی(RAPD)
تفاوت تک نوکلئوتیدی(SNP)
نشان‌گرهای مبتنی برنقاط نشانمند از ردیف (STS)
1-3-3-2-1 تفاوت طول قطعه‌های حاصل از تکثیر (AFLP)
در سال 1995 نشان‌گرهای جدیدی ابداع و معرفی شدند که به نظر می‌رسد بسیاری از محدودیت‌های نشان‌گر‌های پیشین را نداشته باشند. در این روش که AFLP نامیده می‏شود نشان‌گرهایی تولید می‏شوند که علاوه بر دارا بودن مزایایRFLP مانند دقت و تکرار‌پذیری ویژگی‌های مثبت روش‌های مبتنی بر واکنش زنجیره‌ای پلی‌مراز را نیز دارند. پایه‌ی این روش تکثیر انتخابی برخی قطعه‌ها از بین تمام قطعه‌های هضم شده‌ی DNA است و سه مرحله‌ی مجزا دارد:
هضمDNA با یه جفت آنزیم محدودگر و اتصال آنها به آداپتور‌های اولیگونوکلئوتیدی؛
طراحی، ساخت آغازگر و تکثیر انتخابی دسته‌ای از قطعه‌های حاصل از هضم .با استفاده از ردیف بازی آداپتور‌ها و نیز ردیف بازی نقاط برش، طراحی و ساخت آغازگر انجام می‌شود، اما برای تکثیر انتخابی قطعه‌های حاصل از هضم دو، سه یا چند نوکلئوتید به انتهای’3 ردیف آغازگر اضافه می‌شود که موجب می‌گردد فقط قطعه‌هایی تکثیر‌شوند که ردیف بلافصل آنها در مجاورت نقطه‌ی برش ،مکمل نوکلئوتیدهای یاد شده باشد؛
جداسازی قطعه‌های حاصل از تکثیر روی ژل‌های توالی‌یابی(پلی‌اکریل‌آمید) و خودپرتونگاری یا رنگ‌آمیزی نقره برای ثبت نتیجه‌ها.
با استفاده از این روش تعداد زیادی از قطعه‌های حاصل از هضم، تکثیر و قابل رویت می‌شوند. این در حالی است که نیازی به دانش اولیه در مورد توالی‌بازی قطعه‌هایی که تکثیر می‌شوند، وجود ندارند. هر یک از این قطعه‌هایی که به صورت باند روی ژل ظاهر می‌شوند، می‌توانند به عنوان یک نشان‌گر ژنتیک مورد استفاده قرار گیرند.
تعداد قطعه‌هایی که با این روش تکثیر می‌شوند، به دقت و توانمندی روش‌های جداسازی (الکتروفورز)، ثبت نتایج و تعداد نوکلئوتید اضافه شده به انتهای آغازگر بستگی دارد. معمولا در این روش بین پنجاه تا صد قطعه‌ی حاصل از هضم تکثیر و با استفاده از ژل‌های پلی‌اکریل‌امید واسرشت ساز ثبت می‏شوند(19)
مزایای AFLP
این روش در مقایسه یا سایر روش‌ها بیشترین تعدا نشان‌گر‌ها به ازای هر ژل را ایجاد می‌کند؛
در این روش نیازی به تهیه و تدارک و نگه‌داری کاوشگر نیست .دقت و تکرار‌پذیری این نشان‌گر به دلیل انتخاب دمای زیاد هم رشته‌سازی و اتصال آغازگر به DNA الگو بیشتر از RAPD است(20).
معایب AFLP
پیچیدگی نسبی این روش در مقایسه با سایر روش‌های میتنی برPCR ؛
عدم اطلاع از جایگاه ژنی نشان‌گر‌ها؛
غالب بودن این نشان‌گر موجب عدم امکان تشخیص افراد خالص از ناخالص می‏گردد؛
تکثیر قطعه‌های غیر‌واقعی در AFLP موجب کاهش قابلیت اعتماد این روش می‏گردد(20).
1-3-3-2-2 DNA چندشکل تکثیرشده‏ی تصادفی(RAPD)در این روش از تک آغازگرهایی به طول هشت تا ده نوکلئوتید که ردیف بازی آن به طور قراردادی تعیین می‌گردد، استفاده می‏شود. در این واکنش یک آغازگر منفرد نقاط مکمل خود را روی دو رشته‏ی DNA ژنومی می‌یابد و در آن نقاط به رشته‌های DNAمتصل می‌شود. چنانچه محل اتصال آغازگرها در روی دو رشته‏ی مقابل به هم نزدیک باشند(فاصله‏ای که DNA قابل تکثیر باشد)، ردیف بین آن دو نقطه طی واکنش PCR تکثیر خواهد شد. فراورده‌های واکنش PCRروی ژل آگارز از هم جدا می‏شوند. تولید هر باند بیانگر وجود شباهت زیاد بین ردیف بازی آغازگرها و ردیف بازی محل اتصال درDNA ژنوم است. به طور معمول هر آغازگر تکثیر چندین جایگاه مختلف را درDNA ژنومی هدایت خواهد کرد. وجود یا عدم وجود یک باند واحد در ژل های RAPD بیانگر جهش نقطه‌ای در محل اتصال آغازگرها و یا حذف یا (اضافه) شدن در ناحیه قابل تکثیر است. بنابراین چند شکلی در RAPDمعمولا به شکل حضور و غیاب یک باند پدیدار می‏شود. بدین معنی که نشان‌گرهای RAPD از نوع غالب‌اند و افرادی که دو نسخه از یک آلل دارند، به طور کمی از افرادی که یک نسخه از آن آلل را دارند، قابل تشخیص نیستند. تفاوت طول قطعه‏ها در RAPD از طریق تکثیر قطعه‌های DNA مکمل با ردیف‌های آغازگرهای اختیاری (ردیف مشخص ولی تصادفی) به‌دست می‌آیند. قطعه‏های تکثیر شده به صورت نوارهایی با وزن مولکولی متفاوت به‌طور مستقیم روی ژل قابل مشاهده‌اند (15).
مزایای RAPD
عدم نیاز به کاوشگر، مواد پرتوزا و غیره؛
امکان بررسی هم زمان چندین جایگاه در ژنوم؛
عدم نیاز به اطلاعات اولیه در مورد ریف DNA برای ساخت آغازگر(16).
معایب RAPD
عدم تکرار پذیری؛
حساسیت بسیار به آلودگی؛
در صورت تغییر شرایط محیطی ظهور باندهای جدید؛
نامعلوم بودن جایگاه نشان‌گر RAPD روی نقشه‌ی ژنتیکی(16).
1-3-3-2-3 تفاوت تک نوکلئوتیدی(SNP)تنوع‌ها و تفاوت‌هایی که به واسطه‏ی اختلاف در یک جایگاه نوکلئوتیدی(به علت جایگزینی، حذف یا ازدیاد) اتفاق می‌افتند، با عنوان تفاوت تک نوکلئوتیدی نامیده می‏شوند. این نوع از تنوع به‌وفور در ژنوم انسان اتفاق می‏افتد به طوری که مطالعات انجام گرفته توسط کاتانو-آنولز و گرس هوف (1998) در ژنوم انسان و اسب نشان می‏دهد که در فاصله‏ی هر دویست و پنجاه تا چهارصد نوکلئوتید یک SNP وجود دارد(17).
با اینکه‌SNP ها به وفور در ژنوم انسان یافت می‌شوند، ولی ایجاد و توسعه‌ی نشان‌گرهای SNP چندان آسان نیست. تهیه نشان‌گر‏های SNP شامل مراحل زیر است:
تعیین ردیف DNA اطراف SNP؛
تکثیر قطعه‌ای منحصر به فرد از DNA به کمک PCR به منظور غربال SNP؛
شناسایی SNP که شامل مشاهده‌ی دو آلل در افراد مختلف می‌باشد؛
مکان‌یابی نشان‌گر SNP و تعیین جایکاه خاص کروموزومی آن؛
تعیین فراوانی دو آلل در جمعیت؛
بررسی SNP در افراد و ژنوتیپ‌های مختلف(17).
برخی از معایب نشاگرهای SNP
SNPها به دلیل داشتن فقط دو آلل در یک جایگاه ژنی نسبت به نشان‌گر‌های چند آللی، اطلاعات کمتری را در نقشه‌های پیوستگی نشان می‌دهند؛
شناسایی نشان‌گرSNP بسیار پر‌هزینه و هم‌چنین زمان‌بر است(17).
1-3-3-2-4 نشان‌گرهای مبتنی برنقاط نشانمند از ردیف(STS)هر نشان‌گری که مبتنی بر واکنش PCR باشد و با استفاده از آغازگرهای اختصاصی (معمولا بیش از بیست نوکلئوتید) ایجاد شود، یک نقطه‌ی نشانمند از ردیف نامیده می‏شود، زیرا پیش از طراحی آغازگر، بی‏شک در یک مرحله ردیف‌یابی صورت گرفته است. نشان‌گرهایی همچون تفاوت طول قطعه‌های قابل تکثیر (ALP) و ریزماهواره‏ها از آن جهت که مستلزم ردیف‏یابی برای طراحی آغازگر به منظور تکثیر DNA در یک نقطه‌ی خاص هستند، ذیل STS دسته‌بندی می‌شوند:
-تفاوت طول قطعه‏های قابل تکثیر(ALP)
-ریز ماهواره‌ها (18).
1-3-3-2-4-1 تفاوت طول قطعه‏های قابل تکثیر(ALP)
ALP یکی از ساده‏ترین و سریع‏ترین نشان‌گرهای مبتنی بر PCR است. اگر ردیف باز‏های قطعه‏ای از DNA در یک موجود مشخص باشد (یا دست کم بخشی از دو انتهای آن قطعه معلوم باشد)، براساس آن می‏توان به طراحی و ساخت مصنوعی آغازگرهایی به طول بیست تا سی نوکلئوتید اقدام کرد. چنان‌چه نمونه‏های مختلف DNA توسط این آغازگرها و از طریق واکنش زنجیره‏ای پلی‌مراز تکثیر و سپس روی ژل الکتروفورز از هم جدا شوند، در صورت وجود اختلاف در طول قطعه‏ی قابل تکثیر، باندهایی به اندازه‏های مختلف تولید خواهند شد که بیانگر وقوع پدیده‏ی حذف یا اضافه در بین نمونه‏های مورد مطالعه است. این تفاوت در اندازه‏ی قطعه‏های قابل تکثیر که جهش‏های ژنتیک را نشان می‏دهد به عنوان نشان‌گرهای ژنتیک مورد استفاده قرار می‏گیرد(14).
مزایای ALP
از نظر کاربردی در بین نشان‌گرهای DNA،یکی از سریع ترین و ارزان‌ترین‌ها است؛
به‌کاربرد مواد پرتوزا یا بیوشیمیایی پیچیده نیاز ندارد؛
به‌تدارک، نگهداری و کاربرد کاوشگرها نیاز ندارد؛
بسیار اختصاصی عمل می‌کند، تکرار پذیری آن خوب است و تا حد بسیار زیادی می‌توان به نتایج آن اعتماد داشت؛
به‌مقدار خیلی کمی از DNA نیاز است؛
هم‌بارز بودن این نشان‌گر امکان تشخیص افراد خالص از هر یک از انواع افراد ناخالص را فراهم می‌آورد(14).
معایب ALP
طراحی و ساخت آغازگرها، به اطلاعات اولیه در مورد ردیف DNAژنوم مورد مطالعه نیاز دارد که با توجه به اینکه ژنوم بسیاری از موجودات به طور کامل در دسترس نیست این روش استفاده بسیار کمی دارد؛
هزینه‌ی اولیه مورد نیاز به منظور تولید تعداد کافی نشان‌گر ژنتیک با توزیع مناسب در سرتاسر ژنوم بسیار زیاد و مستلزم صرف وقت است(14).
1-3-3-2-4-2 ریزماهواره‌هاریزماهواره‏ها شامل واحدهای یک الی شش تایی تکرار شونده هستند که در ژنوم بیشتر یوکاریوت‏ها پراکنده‏شده‏اند. به طوری که در هر ده کیلو جفت باز از ردیف DNA دست کم یک ردیف ریزماهواره‏ای دیده می‏شود. طول ریز‌ماهواره‏ها معمولا کمتر از 100 جفت باز بوده و توسط دو ردیف منحصر به فرد در دو طرف محدود شده‏اند. ریزماهواره‏ها به سه گروه عمده‌ی تکرارهای کامل، تکرارهای ناکامل (معمولا توسط بازهای غیرتکرارشونده قطع می‌شوند) و تکرارهای مرکب(دو یا تعداد بیشتری از واحدهای مجاور یکدیگر) تقسیم می‏شوند. تعداد تکرارها در هر واحد بسیار متفاوت است. حداقل تعداد واحد تکرار‌شونده برای ریز ماهواره‏های دو نوکلئوتیدی به ترتیب ده و هفت بار تکرار تعیین شده است(21).
مزایای ریزماهواره‏ها
کاربرد آنها و تفسیر نتایج نسبتا ساده است؛
سیستم چند آللی(تا 11 آلل) از ویژگی‌های بارز این نوع نشان‌گر است؛
ریزماهواره‌ها بسیار متنوعند؛
به وفور در ژنوم یوکاریوت‏ها یافت می‏شوند؛
بیشتر ریزماهواره‏ها غیر‏عملکردی هستند؛
همبارز هستند [22].
1-4 فراوانی، توزیع و سازماندهی ریزماهواره‏ها در داخل ژنومریزماهواره‌ها بسیار فراوان بوده و در کل ژنوم موجودات به صورت تصادفی پراکنده اند. فراوانی ریزماهواره ها در بین موجودات زنده متفاوت است. برای مثال تخمین زده شده است که ژنوم انسان به طور میانگین ده برابر بیشتر از گیاهان ریزماهواره دارد. علاوه برDNA کروموزومی تعداد زیادی ریزماهواره در DNA کلروپلاست ها نیز گزارش شده است. به کمک روش‏هایی از قبیل دورگه‏گیری در ژل، نقشه‏یابی ژنتیکی و فیزیکی و هم چنین دورگه‏گیری در محل فلورسنت، ثابت شده است که ریزماهواره ها به طور یکنواخت در ژنوم پراکنده‏اند. اگرچه در برخی موارد می توانند به صورت مجتمع قرار گرفته باشند(12).
1-5 مکانیسم ایجاد تنوع در طول توالی‏های تکراریچنین فرض می‏شود که جهش در تعداد واحدهای تکرار شونده در هر یک ازDNA های تکرار شونده با یکی از دو سازوکار کراسینگ آور نامساوی(uco) یا جفت نشدن ناشی از سرخوردن در طول رشته (خطای همانندسازی DNA ) صورت می‏گیرد. بیشتر عقیده بر این است که ریزماهواره‏ها و ماهواره‏ها توسط سازوکار کراسینگ آور نامساوی ایجاد می‏شوند، ولی در مورد ریزماهواره‏ها برخی افراد یکی از دو سازوکار و برخی دیگر هر دو سازوکار را موثر می‏دانند(23).
1-5-1 کراسینگ اور نابرابرگاهی کراسینگ اور نابرابر در داخل تکرارهای ریزماهواره‏ای بین کروموزوم های مشابه یا خواهری اتفاق می‏افتد و سبب تغییر در تعداد واحدهای تکرار شونده می‏شود.(شکل 1-2).کراسینگ اور نابرابر می‏تواند هم در میوز و هم میتوز اتفاق بیفتد. چنین توجیه می‏شود که وجود نواحی تکرارشونده احتمالا مانع از ردیف شدن کامل در همولوگ یا کروموزوم‏های خواهری می‏شود. به نظرمی‏رسد که این نوترکیبی مکانیزم اصلی ایجاد تنوع مینی‏ستلایتی است(23).

شکل 1-2 کراسینگ آور و مبادلات نابرابر بین کروماتیدهای خواهری سبب ایجاد حذف شدگی یا الحاق می‌شود(23.)
1-5-2 عدم جفت شدن ناشی از سرخوردن DNA در طول رشته(خطاهای همانند سازی)گاهی DNA پلی‌مراز در طول همانند سازی در نواحی تکرار شونده‏ی ریز ماهواره‏ای سر می‏خورد و موجب تغییر در تعداد واحد تکرار شونده می‏شود. در حقیقت سر خوردن پلی‌مراز در طول نواحی تکراری موجب عدم جفت شدن کامل دو رشته‏ی DNA شده و در نهایت حلقه‌هایی در رشته‌ی الگو یا رشته‏ی جدید ایجاد می‏شود(شکل1-3). این امر مکانیسم اصلی به وجود آورنده‏ی چندشکلی در میکروستلایت‌هاست(23).

شکل 1-3 متزلزل بودن پلی‌مراز حین همانندسازی DNA می‏تواند طول تکرار را به اندازه یک یا دو واحد تغییر دهد(23).اگر نتیجه‏ی همانند سازی ایجاد واحد های تکرار شونده‏ی اضافی باشد، حلقه در رشته ی جدید و اگر نتیجه‌ی همانند سازی کاهش در تعداد واحد‏های تکرار شونده باشد، حلقه در رشته‏ی الگو تشکیل خواهد شد(23).
گلدستین و شلوترر فرضیه‏ی عدم جفت شدن ناشی از سر‏خوردن در طول رشته را نسبت به فرضیه کراسینگ آور نامساوی به دلایل زیر به واقعیت نزدیکتر دانسته‏اند:
الف)‌در انسان بسیاری از تغییرات ریز ماهواره‏ای موجب تغییر در نشان‌گر های مجاور ناحیه ی ریز ماهواره‏ای نمی‌شود. بنابراین در ایجاد چنین تغییراتی نوترکیبی بی‏تاثیر است. از آنجا که جهش در فرضیه کراسینگ اور نامساوی، وابسته به نوترکیبی است، تغییرات ریز ماهواره ای و عدم تغییر نقاط مجاور با این فرضیه قابل توجیه نیست.
ب)‌نقصان در ژن‏هایی که در نوترکیبی نقش اساسی دارند تاثیری در پایداری ریز ماهواره‏ها ندارد.


ج)‌مطالعات انجام گرفته در ساکارومایسزسرویزیه نشان می‏دهد که پایداری ریز ماهواره‏ها در سلول‏هایی که تقسیم میوز را انجام می‏دهند مشابه با یاخته ها در تقسیم میتوز است. با توجه به اینکه نوترکیبی در میوز بیشتر از میتوز است، پس اگر فرضیه‏ی کراسینگ اور نامساوی صادق باشد، باید ریز ماهواره‏ها در میوز ناپایدارتر از میتوز باشد(23).
1-6 دامنه تنوع واحدهای تکرارشوندهدو مدل متفاوت برای توصیف دامنه‏ی تنوع تعداد واحدهای تکرار شونده‏ی ریز ماهواره‏ای وجود دارد:
1.مدل جهش گام به گام
2. مدل آللی نا محدود
1-6-1 مدل جهش گام به گاماگر فرض کنیم در ریزماهواره‏ها یک گام معادل تغییر در یک واحد تکرار شونده باشد، بنابر این مدل ریز ماهواره‏ها از نظر اندازه فقط در تعداد محدودی گام تفاوت دارند، به‌طوری که هر گام از گام بعدی به وسیله‏ی یک واحد تکرار شونده جدا می‏شود. در این مدل چنین فرض می‏شود که بسیاری از جهش‏های با فراوانی زیاد، فقط ریزماهواره‏ها را در یک گام یا دو گام‌(در یک زمان) تغییر می‏دهند. طرفداران این نظریه معتقدند که در بیشتر آزمایش‏ها، بیشترین تغییر در ساختار ریزماهواره‏ها مربوط به افزایش یا کاهش در یک واحد تکرار شونده بوده است(10).
1-6-2 مدل آللی نا‏محدودبر اساس این مدل هیچگونه محدودیتی در اندازه‏ی پتانسیل ریزماهواره‏ها وجود ندارد. از این رو تعداد نا محدودی از انتخاب‏ها می‌توانند اتفاق بیفتند که تمامی آنها احتمال یکسان را داشته باشند.
بسیاری از پژوهشگران معتقدند که ترکیبی از این دو مدل(عموما تغییر در یک یا دو واحد تکرار شونده و به مقدار کمتر تغییرات بزرگتر) بهتر می‌تواند تغییرات جهشی در ریزماهواره‏ها را توضیح دهد(10).
1-7 مارکرهای STRتوالی‏های تکراری کوتاه پشت سر هم(STRS) ، توالی‏های تکرارشونده کوتاه با طول 1-13 نوکلئوتید هستند که به شکل سر به دم قرار می‏گیرند. در ژنوم انسان، معمول‏ترینSTR ، توالی دو نوکلئوتیدی [CA]n است،که در این فرمول n تعداد تکرارهاست که معمولا بین 5 تا 20 بار متغیر است(24).
1-8 کاربرد مارکرهای STRمارکرهایSTR کاربردهای فراوانی دارد که از مهمترین آنها تعیین هویت افراد است(25). تعیین هویت در موارد بسیاری کاربرد دارد که از جمله‏ی آنها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
1- مطالعات شجره‏ای و روابط فامیلی
2- شناسایی هویت قربانیان حوادث
3- تعیین هویت در موارد جنایی
4- ردیابی تاریخ بشر و مطالعات جمعیتی(26).
1-8-1 مطالعات شجره‏ای و روابط فامیلیاز مارکرهایSTR می توان برای بررسی خویشاوندی دو یا چند نفر استفاده کرد. این نوع مطالعه را آنالیز فامیلی می‌گویند و کاربرد متداول آن در بررسی رابطه والدین ـ فرزندی است(27).
هرساله بیش از 300000 مورد تست ابویت به منظور تعیین رابطه پدر فرزندی در ایالات متحده انجام می‏شود. این تست‏ها معمولا شامل یک مادر، یک کودک و یک یا چند پدر مدعی است. همانطور که می‏دانیم هر فرد دارای دو سری آلل می‏باشد که یک سری آن را از پدر و سری دیگر را از مادر دریافت کرده است. بدین منظور آلل‏های پدر و فرزند برای یافتن تعدادی از جایگاه‏هایSTR مورد بررسی قرار می‏گیرند. اساس این تست بر این است که در فقدان جهش، آلل‏های کودک باید مطابقت کاملی با آلل‏های پدری و مادری داشته باشد(28-29-30).

شکل 1-4 آلل‏های فرزندان مجموعه‏ای از آلل‏های والدین آنها می‏باشد(26).علاوه بر این بسیاری از افراد برای شناسایی اقوام خود از مارکرهایSTR استفاده می‏کنند. برای مثال با آنالیز STR های کروموزومY می توان نسبت فامیلی میان مردان یک خانواده را مشخص کرد. زیرا همان‌طور که می‏دانید کروموزومY توارث پدری دارد و از پدر به تمام پسران به ارث می‌رسد. پس طبیعی است که تمام پسران خانواده در همه‏ی نسل‌هاSTR های یکسانی روی کروموزوم Y خود داشته باشند. آزمایشی که بدین منظور انجام می‏گیرد آزمایش Y-filer نامیده می‏شود. به کمک این آزمایش می‏توان روابط میان برادرها، عمو و برادرزاده و... را مشخص نمود(27-31).
1-8-2 شناسایی هویت قربانیان حوادثفجایع بزرگ، طبیعی یا بدست بشر، می‌تواند جان افراد بسیاری را بگیرد، تست‏‏‏هایی که برای شناسایی قربانیان حادثه انجام می‏شود، تست تعیین هویت قربانیان حادثه نامیده می‏شود. از این تست در مواردی مانند سقوط هواپیما ،آتش سوزی‏های بزرگ و حوادث تروریستی استفاده می‏شود. در این قبیل حوادث با استفاده از اسامی افراد، خانواده‏های آنها شناسایی می‏شوند و پس از مراجعه‏ی خانواده‌ها، از اعضای خانواده شامل پدر، مادر، فرزند، خواهر و برادر نمونه‏ی DNA گرفته می‏شود و نواحی STR آنها بررسی می‏شود. پس از این مرحله با استفاده از DNAبه دست آمده از بقایای اجساد پروفایل ژنتیکی آنها تهیه می‏شود و در نهایت با مقایسه‏ی پروفایل‏های تهیه شده هویت قربانیان شناسایی می‏شود(32).
1-8-3 تعیین هویت در موارد جناییتعیین هویت در موارد جنایی شامل دو بخش می‏باشد:
شناسایی افراد مجهول الهویه
ردیابی مجرمین(25).
1-8-3-1 شناسایی افراد مجهول الهویههر ساله میلیون‏ها نفر در سراسر جهان تحت شرایط مشکوکی مفقود می‏شوند. بسیاری از این افراد قربانی فعالیت‏های مجرمانه از قبیل تجاوز و قتل می‏شوند و هویت آنها ناشناس باقی می‏ماند. در این موارد هم می‏توان از مارکرهای ژنتیکی موجود در DNA افراد برای تعیین هویت آنها استفاده کرد(33).
سه دسته نمونه در مورد افراد قربانی وجود دارد:
1-نمونه مستقیم از فرد قربانی
2-نمونه خانواده قربانی
3-نمونه‌های ناشناس باقی مانده از انسان در صحنه‏ی جرم
این نمونه‏ی باقی مانده می‏تواند استخوان، دندان، بافت، تار مو، لکه ی خون و یا هر چیز دیگری باشد(34).
1-8-3-2 ردیابی مجرمینعلاوه بر این می‏توان از آنالیز DNA برای ردیابی و شناسایی مجرمین استفاده کرد. این که فردی مرتکب جرم و جنایتی بشود و نمونه‌ای از DNA خود را به جا نگذارد، تقریبا غیرممکن است. مو، لکه‌های خون و حتی اثر انگشت، مقادیر بسیار جزئی از DNA را دارند که برای مطالعه با PCR کافی هستند. این بررسی‌ها لازم نیست که بلافاصله انجام شوند، زیرا در سال‌های اخیر، با آزمایش DNA روی مواد بایگانی شده، تعدادی از جنایات گذشته ـ با عنوان پرونده‌های مختومه ـ نیز روشن شده است(35).
باید به خاطر داشته باشیم که یک پروفایل DNA به تنهایی فاقد اعتبار است و کاربردی ندارد. همیشه برای بررسی یک پروفایل DNA نیاز است که یک مقایسه‏ای انجام شود:
1-نمونه ی مورد بررسی که با Q مشخص می شود
2-نمونه شناخته شده که با K نمایش داده می شود
در موارد جنایی، نمونه ی صحنه ی جرم (Q) با نمونه ی فرد مظنون (K) و یا مظانین (K1,K2,K3,K...) مقایسه می شود . در یک مورد بدون مظنون، نمونه ی صحنه ی جرم با نمونه هایی که در اطلاعات کامپیوتری از افراد سابقه دار وجود دارد، بررسی می شود . (K1,K….,KN)(34).

شکل 1-5 شناسائی مجرمین به کمک مارکرهای STR(26).1-8-4 ردیابی تاریخ بشر و مطالعات جمعیتیباستان شناسان با بررسی و مقایسه توالی DNA انسان‌های امروزی با افراد مرده، به کشف منشأ تکاملی انسان امروزی و مسیرهای استقرار انسان در کره زمین می‌پردازند. این زمینه تحقیقاتی آرکئوژنتیک نامیده می‌شود(35).
ردیابی مهاجرت انسانی در طول تاریخ با استفاده از آنالیز DNA روش نوینی است. هدف از این کار تخمین ارتباط میان جمعیت ها بر اساس شباهت‏ها و تفاوت‏هایDNA آنها است. به همین منظور پروژه‏ی عظیمی در سال2005 به منظور ردیابی تاریخ بشر انجام شد که در آن از ده ها هزار نفر از افراد در سراسر جهان آزمایش به عمل آمد. اساس کار بر این مطلب است که اگر تکامل ژنوم‏ها به دلیل انباشتگی جهش ها رخ داده باشد، بنابراین میزان اختلاف در توالی نوکلئوتید های دو ژنوم می تواند زمان حضور جد مشترک آنها را مشخص نماید. انتظار می رود دو ژنومی که اخیرا از یکدیگر جدا شده اند در مقایسه با دو ژنومی که جد مشترک آنها قدیمی‏تر است، اختلاف کمتری داشته باشند(36).
در مطالعه روی یافتن مبدا انسان‏های امروزی و الگوی جغرافیایی مهاجرت‏های بشر از مطالعه‏ی ژن‏ها در جمعیت‏ها می‏توان استفاده کرد. بدین منظور ژن‏های انتخابی جهت بررسی باید دارای گوناگونی باشند. در صورت فقدان گوناگونی ژن‏ها، اطلاعات فیلوژنتیکی بدست نمی‏آید، زیرا همه‏ی افراد حتی اگر به جمعیت‏های مجزایی تقسیم شده باشند که تنها به صورت متناوب با یکدیگر آمیزش داشته‏اند، همچنان دارای همانندی‏های بسیاری خواهند بود. بدین معنی که توالی DNA مورد استفاده در آنالیز فیلوژنتیکی باید از متنوع ترین توالی‏های متغیر باشد(36).
در انسان از سه نوع توالی استفاده می‏شود :
ژن های چند آللی مانند اعضای خانواده‏ی HLA، که اشکال بسیار متفاوتی دارند .
ریز ماهواره‏ها که STR ها نیز جز این گروه به حساب می‏آیند .
DNA میتوکندریایی که به دلیل فقدان سیستم‏های ترمیمی موجود در هسته‌های سلول انسان که نسبتا به سرعت دچار انباشتگی نوکلئوتیدی می‏شوند. انواع مختلف DNA میتوکندریایی موجود در یک گونه را هاپلوگروه می‏نامند(36).
باید توجه نمود که آلل‌ها و هاپلوگروه‌های مختلف به طور هم‌زمان در جمعیت‌ها وجود دارند. به این ترتیب این لوکوس‏ها چند شکلی بوده و به کمک مقایسه ترکیب آلل‌ها و یا هاپلوگروه‌های آنها می‌توان اطلاعات مربوط به وابستگی بین افراد مختلف را بدست آورد. به دلیل جهش‌های ایجاد شده در سلول‏های تولید مثلی هر یک از موجودات، آلل‏ها و هاپلوگروه‏های جدیدی در جمعیت ظاهر می‏شوند. هر یک از آلل‏ها، فراوانی آللی خود را دارند که در طول زمان به دلیل انتخاب طبیعی و تغییر ژنتیکی اتفاقی تغییر می‌کند. انتخاب طبیعی به دلیل تغییر در تناسب (توانائی یک موجود جهت بقا و تولید نسل) رخ می‌دهد و بنابر نظریه‌ی داروین منجر به حفظ انواع مناسب و از بین رفتن انواع زیان آور می‏گردد. به این ترتیب انتخاب طبیعی، فراوانی آلل‏های کاهنده‏ی تناسب را کم کرده و فراوانی آلل‏های افزاینده‌‌ی تناسب را افزایش می‏دهد. در حقیقت در یک جمعیت آلل‏های اندکی ایجاد می‏شوند که تاثیر قابل توجهی بر تناسب موجود داشته باشند، اما هم‌چنان فراوانی آنها به دلیل تغییر ژنتیکی اتفاقی که جز جدا نشدنی طبیعت تولد،تولید مثل و مرگ است در حال تغییر می‏باشد. به دلیل انتخاب طبیعی یا تغییر ژنتیکی اتفاقی ممکن است یک آلل در جمعیت غالب شده و فراوانی آن به صد در صد نیز برسد، به طوریکه این آلل در جمعیت تثبیت شود. اگر یک گونه به دو جمعیت تقسیم شود به طوریکه آمیزش‌های فراوانی بین دو جمعیت رخ ندهد، فراوانی آلل در دو جمعیت به طور مختلف تغییر می‌کند. بنابراین پس از چند ده نسل این دو جمعیت ویژگی‏های ژنتیکی مجزایی را کسب می‏کنند. سرانجام جایگزینی ژنی متفاوتی در این دو جمعیت اتفاق می‏افتد ولی حتی قبل از آن نیز می‏توان از روی اختلاف فراوانی آللی در دو جمعیت، آن دو را از هم باز شناخت(36).
محققان طی سال‏ها تحقیقات در سراسر جهان با استفاده از اصول تئوری اطلاعات، پارامترهای عمومی برای هر جمعیت را به منظور تعیین مقدار اطلاعاتی که مارکرهای STR در جمعیت‏ها به ما می‏دهند، تعریف کردند. در یک نمونه‏گیری از مارکرهای افراد از سراسر جهان، مارکرهایی که بیشترین چندشکلی را در میان جمعیت‏های مختلف داشتند و منحصر به جمعیت‏های خاص بودند، انتخاب شدند .امروزه از این مارکرها برای بررسی تنوع و تفاوت میان جمعیت‏ها استفاده می‏شود(37).
1-9 سایر کاربردهای مارکرهای STRمارکرهای مختلف STR تحت عنوان کیت های تجاری مختلف در کنار تست‏های تعیین هویت کاربردهای گسترده‏ی دیگری دارند که از مهم ترین آنها می‏توان به موارد زیر اشاره کرد:
جمع آوری سلول های جنینی از خون مادر؛
بیماری های نقشه‏ی ژنومی؛
مشخص نمودن خطوط سلولی؛
تعیین هویت افراد استفاده کننده‏ی سرنگ مشترک؛
تشخیص کلون‏های موفق؛
بررسی و نظارت بر روی پیوند عضو؛
تشخیص کایمرهای ژنتیکی؛
تشخیص تومورهای سرطانی(26).
1-9-1 جمع آوری سلول های جنینی از خون مادرهنگامی که یک خانم باردار است تعدادی از سلول‌های جنینی می‏توانند از راه جفت وارد جریان خون مادر شوند. جمع‌آوری این سلول ها که تحت عنوان micro chimerism خوانده می‏شود و بررسی آنها با مارکرهای STR یک روش غیر تهاجمی برای تعیین رابطه‌ی پدر فرزندی است. همچنین با استفاده از این روش می‏توان جنسیت جنین را نیز تعیین نمود(26).
1-9-2 نقشه‏ی ژنوم بیماری‏ها
اسکن ژنوم انسان برای شناسایی نقشه ژنوم بیماری‏ها به طور معمول با استفاده از حدود چهارصد نشان‌گر STR در سراسر ژنوم در فواصل 10 سانتی مورگان انجام می‏شود. مرکز تحقیقات بیماری‏های ارثی در طول سال ها مطالعات و آزمایشات بسیاری را روی صدها نفر با استفاده از مارکرهای STR انجام داده است. هدف از این آزمایشات یافتن ارتباط میان فراوانی آللی در جمعیت های مختلف و بیماری های ژنتیکی بود. در پژوهش‌های صورت یافته ارتباط میان برخی مارکرها و بیماری‏ها مشخص شد. پس از آن از مارکر‏های مذکور می‏توان برای شناسایی تعیین دقیق محل ناشناخته‏ی ژن بیماری استفاده کرد(26).
1-9-3 تعیین هویت افراد استفاده کننده از سرنگ مشترکیکی دیگر از کاربردهای مارکرهایSTR نشان دادن به اشتراک گذاری سرنگ در میان مصرف کنندگان مواد مخدر است. با این روش و با استفاده ازجایگاه D8 آزمایشگاه قادر به تشخیص هویت فرد و یا افرادی است که از یک سرنگ مشترک برای تزریق مواد مخدر استفاده کرده‏اند. با این روش می‏توان هویت شخصی را که منشا انتقال بیماری عفونی بوده و از سرنگ مشترک با سایر افراد استفاده می‏کرده تعیین نمود(26).
1-9-4 تشخیص کلون‏های موفقهنگامی که یک موجود کلون می‏شود ازSTR Typing برای آزمایش آن موجود استفاده می‏شود. برای مثال در کلون کردن موجوداتی مانند سگ و گربه. این روش برای آزمودن میزان موفقیت در کلون کردن به کار می‏رود. اگر یک پروفایل STR یکسان میان موجود کلون شده و سلول‎های مادری اولیه مشاهده نشود، در این صورت کلون کردن موفقیت آمیز نبوده(26).
1-9-5 بررسی و نظارت روی پیوند عضواز کاربردهای دیگر مارکرهای STR، نظارت پیوند سلول‏های پیوند شده بعد از پیوند مغز استخوان است، آزمایش STR از فردی که پیوند گرفته می‏تواند در تشخیص نارسایی پیوند مفید واقع شود(26).
1-9-6 تشخیص کایمرهای ژنتیکیChimerism حضور دو خط سلولی ژنتیکی متفاوت در یک ارگانیسم است که می‏تواند از طریق پیوند سلول‏های بنیادی خونی و یا انتقال خون و یا به طور ارثی در شخص اتفاق بیفتد. در سال 2004 آزمایشی روی افراد دهنده و گیرنده‏ی پیوند انجام شد که توانایی بالای 27 نشان‌گر STR به کار گرفته شده، ازجمله نشان‌گرهای CODIS در تشخیص کایمرها شگفت انگیز بود(26).
1-9-7 مشخص نمودن خطوط سلولیدر آزمایشگاه خطوط سلولی می‏توانند با سایر خطوط سلولی آلوده شوند. در نتیجه ممکن است با هم مخلوط و یا به یکدیگر تبدیل شوند احراز هویت خط سلولی انسان در حال حاضر به وسیله ی سازمانی در آمریکا انجام شده است. به کمک مارکرهای STR می‏توان آلودگی متقاطع بین خطوط سلولی مختلف را به سرعت کشف کرد و همچنین می‏توان برای مشخص کردن خطوط سلولی انسان به عنوان یک مرجع جهانی سود جست. در طول چند سال گذشته بیش از 500 خط سلولی از انسان به کمک این روش و با استفاده از 8 جایگاه STR بدست آمده است(26).
1-9-8 تشخیص تومورهای سرطانیفقدان هتروزیگوسیتی (LOH) پدیده‏ای است که در آن حذف در یک ناحیه‏ی لوکوس منجر به عدم تکثیر در PCR می‏شود، به طوری که یک هتروزیگوت واقعی به عنوان یک هموزیگوت به نظر می رسد. این پدیده در بسیاری از افراد مبتلا به تومورهای سرطانی دیده می‏شود. بررسی روی بافت های سرطانی با بافت نرمال با استفاده از STR نشان می‏دهد که جایگاه های مختلف در بافت سالم ارتفاع بلندتری نسبت به بافت های سرطانی نشان می دهند؛چرا که LOH سبب حذف در آن ناحیه شده است(26).
1-10 روش‏های کلی شناسایی هویت افراد در سطح مولکولیدو روش کلی برای شناسایی هویت افراد در سطح مولکولی عبارتند از:
اثر انگشت ژنتیکی از طریق هیبرید کردن با DNA جستجوگر
تعیین الگوی DNA با PCR توالی‌های کوتاه تکراری(38).
1-10-1 روش انگشت‌نگاری ژنتیکی از طریق هیبرید کردن با DNA جستجوگراولین روشی که در آنالیز DNA با هدف شناسایی افراد به کار رفت، روشی بود که در اواسط دهه 1980 توسط سر آلک جفری از دانشگاه لیستر ارائه شد . این روش براساس نوع دیگری از تنوع ژنوم انسان، موسوم به توالی تکراری بسیار متغیر پراکنده بود. همانگونه که از نام این توالی‌ها بر می‌آید، این توالی‌ها عبارتند از یک توالی تکراری که در جایگاه مختلفی‌(به‌طور پراکنده) از ژنوم انسان وجود دارد. نکته کلیدی این توالی‌ها این است که جایگاه ژنتیکی آنها متنوع است و در افراد مختلف در جایگاه‌های مختلفی از ژنوم قرار دارند(38).
توالی که در ابتدا برای انگشت‌نگاری ژنتیکی بکار رفت، توالی GGGCAGGANG (N: هریک از چهار نوکلئوتید) بود. برای تهیه اثر انگشت یک نمونه، DNA آن را با آنزیم محدودگر برش می‌دهند و قطعات حاصل را با استفاده از الکتروفورز ژل آگارز از هم تفکیک کرده و با آزمون ساترن بلات مورد بررسی قرار می‌دهند. هیبریداسیون با جستجوگری که دارای این توالی بود چند سری از نوارها را مشخص کرد. هریک از این نوارها مربوط به قطعه‌ای از DNA هضم شده بود که دارای این توالی تکراری بود. به دلیل تنوع جایگاه‌های این توالی اگر این آزمون با نمونه DNA فرد دیگری تکرار شود، نتیجه متفاوتی به دست می‌آید و می‌توان نتایج حاصل را انگشت‌نگاری ژنتیک این افراد محسوب نمود . در شکل 1-6 مراحل انگشت نگاری ژنتیکی نشان داده شده است(38).

شکل 1-6 مراحل انگشت نگاری ژنتیکی(38)
1-10-1-1 محدودیت‏های روش انگشت نگاریاین روش در کارهای جنایی خود را بسیار ارزشمند نشان داد اما سه محدودیت داشت:
مقادیر بالایی از DNA برای انجام آزمون مورد نیاز است، زیرا این روش نیازمند آنالیز هیبریداسیون است. برای انگشت‌نگاری نمی‌توان از مقادیر اندک DNA موجود در مو و لکه‌های خون استفاده کرد.
بحث کردن در مورد الگوهای حاصل از انگشت‌نگاری مشکل است، زیرا نوارهای حاصل شدت و ضعف‌های متفاوتی دارند. از نظر قانونی، کوچک‌ترین اختلاف شدت در انگشت‌نگاری ژنتیکی یک متهم برای برائت او کافی است.
با وجود اینکه جایگاه‌های تکراری پراکنده بسیار متنوع هستند، اما اندک احتمالی نیز برای یکسان بودن یا حداقل تشابه الگوی حاصل از دو فرد وجود دارد. این موضوع می‌تواند منجر به برائت یک متهم شود(38).
1-10-2 روش پروفایلینگ
روش قدرتمند پروفایلینگ DNA چنین مشکلاتی را ندارد. در پروفایلینگ از توالی‌های معروف به توالی‌های چند شکلی STR استفاده می‌شود. در این روش، به وسیله PCR با پرایمرهایی که به توالی‌های جانبی STR می‌چسبند، به سرعت می‌توان مقادیر بسیار اندک DNA را افزایش داد. بعد از PCR، محصولات از نظر اندازه نوارها یا وجود نوارهایی که الل‌ یا آلل‌های موجود در نمونه DNAی مورد آزمون هستند، با الکتروفورز ژل آگارز بررسی می‌شوند. روش پروفایلینگ DNA، به دلیل استفاده از PCR بسیار حساس است و امکان انجام آزمون روی مو و دیگر نمونه‌هایی که مقادیر اندکی DNA دارند، فراهم می‌آورد. در نتایج حاصل نیز شکی وجود ندارد و مقایسه میان پروفایل‌های DNA معمولا به عنوان یک مدرک پذیرفته می‌شود. با استفاده از این روش امکان اینکه دو نفر، البته بجز دوقلوهای یکسان، دارای پروفایل‌ مشابهی باشند برابر یک در 1015 می‌باشد. با توجه به جمعیت کره زمین که حدود 109×6 می‌باشد، امکان تشابه آماری پروفایل مربوطه در دو نفر به قدری اندک است که می‌تواند غیرممکن تلقی گردد. نوع هر STR با PCR بوسیله پرایمرهایی که با فلورسنت نشاندار شده‌اند و به دو طرف نواحی تکرار شونده متصل می‌گردند، تعیین می‌شود. سپس الل‌های موجود در STRها با تعیین اندازه به وسیله ژل الکتروفورز موئینه‌ای مشخص می‌شوند. دو یا چند STR می‌تواند با PCR چندگانه مشخص گردد، مشروط به اینکه محصولات از لحاظ اندازه همپوشانی نداشته باشند یا هر جفت پرایمر با فلورسانت متفاوتی نشاندار شده باشند تا امکان تشخیص در ژل الکتروفورز موئینه را داشته باشند. در شکل 1-7 مراحل روش پروفایلینگ نشان داده شده است‌(38).

شکل 1-7 مراحل پروفایلینگ ‌DNA(36).1-11 تاریخچه استفاده از مارکرهایSTR
مارکرهای STRبرای اولین بار به عنوان ابزاری قوی در تست تعیین هویت انسانی در سال 1990 به‌کار گرفته شدند. دستگاه پزشکی قانونی ((FSS مطالعه برای شناسایی جایگاه‌های جدید و ارتباط جایگاه های شناخته شده با تنوع در جمعیت‏ها را آغاز کرد. پس از آن پلیس سلطنتی کانادا (RCMP) به همراه تعدادی از آزمایشگاه‌های اروپا تلاش‌های اولیه را در رابطه با جایگاه های STR آغاز کردند. اولین جایگاه‏های مورد استفاده شامل چهار جایگاه TH01،VWA ، FES/FPS و.F13A1 نسل دوم کیت‌ها ((SGM شامل جایگاه‌های TH01، VWA‌، FGA ،D8S1179 ،D18S51 و D21S11 بود. پایگاه داده‌های ملی DNA انگلستان ((NDNAD در سال 1995 جایگاه ژن آمیلوژنین (برای تعیین جنسیت) را به کیت SGM اضافه کرد. با توجه به تکنولوژی STR Typingو موفقیت‏هایی که در این زمینه در انگلستان به‌دست آمد، FBI درصدد برآمد که با استفاده از لوکوس‌های STR، بنیان CODIS را شکل دهد(41).
1-12 CODIS چیست؟سیستم شاخص اندیس‌دهی ترکیبی CODISشامل سیزده جایگاه STRاست. در شکل 1-8 محل قرارگیری این جایگاه‌ها روی کروموزوم‌های انسان نشان داده شده‌اند. نرم افزار CODIS در سال 1990 به عنوان نرم افزاری برای FBI تاسیس گردید. این نرم افزار در صورت اولیه برای آنالیز پروفایل‏های RFLP مورد استفاده قرار می‏گرفت که در بانک اطلاعاتی قابل جستجو بود. تکنولوژی DNA پزشکی قانونی و تکنولوژی کامپیوتری با یکدیگر ادغام گردیدند و باعث بهبود این نرم افزار شدند و این بهبود در جهت نیاز‌های پزشکی قانونی صورت گرفت. در سال 1997نرم افزار CODIS بر اساس مارکرهای STR طراحی شد. سیزده جایگاه STRکه امروزه تحت عنوان CODIS خوانده می‏شوند، عبارتند‌از:
D8S2179
D21S11
D7S820
CSF1PO
D3S1358
TH01
D13S317
D16S539
VWA
TPOX
D18S51
D5S818
FGA (42).

شکل 1-8 جایگاه‌های CODIS روی کروموزوم های انسان(25).1-13 کیت مورد استفاده در تعیین هویت
برای تعیین هویت از کیتAmp FI STR Identifiler PCR Amplification استفاده می‌شود، که حاوی 15 جایگاه تترانوکلئوتید STRبه همراه مارکر آمیلوژنین که برای تشخیص جنسیت به کار می‏رود می‏باشد. از این پانزده جایگاه، سیزده جایگاه، جایگاه‌های شناخته شده‏ی سیستم اندیس دهی ترکیبی‌(CODIS) هستند، اما علاوه بر آنها دو جایگاه دیگر هم در این کیت گنجانده شده است. جدول(۱-1) نشان دهنده‌ی نام جایگاه‏های موجود در CODIS، به همراه موقعیت کروموزومی هر یک از جایگاه‏ها و آلل‏های موجود در هر جایگاه است(43).
جدول 1-1 جایگاه‏های موجود در کیت ABIآلل‌های موجود در هر جایگاه موقعیت کروموزومی نام جایگاه
8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19 8 D8S2179
24,24.2,25,26,27,28,28.2,29,29.2,
30,30.2,31,31.2,32,32.2,33,33.2,
34,34.2,35,35.2,36,37,38 21q11.2-q21 D21S11
6,7,8,9,10,11,12,13,14,15 7q11.21-22 D7S820
6,7,8,9,10,11,12,13,14,15 5q33.3-34 CSF1PO
12,13,14,15.16,17,18,19 3p D3S1358
4,5,6,7,8,9,9.3,10,11,13.3 11p15.5 TH01
8,9,10,11,12,13,14,15 13q22-31 D13S317
5,8,9,10,11,12,13,14,15 16q24-qter D16S539
15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,
26,27,28 2q35-37.1 D2S1338
9,10,11,12,12.2,13,13.2,14,14.2,15,
15.2,16,16.2,17,17.2 19q12-13.1 D19S433
11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,
22,23,24 12p12-pter VWA
6,7,8,9,10,11,12,13 2p23-2per TPOX
7,9,10,10.2,11,12,13,13.2,14,14.2,
15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25
26,27 18q21.3 D18S51
X,Y Amelogenin
7,8,9,10,11,12,13,14,15,16 5q21-31 D5S818
17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,26.2
27,28,29,30,30.2,31.2,32.2,33.2,
42.2,43.2,44.2,45.2,46.2,47.2,48.2
50.2,51.2 4q28 FGA
1-14 معرفی استان‏ها1-14-1 استان کرمانشاه
کرمانشاه یکی از باستانی‌ترین شهرهای ایران است و بر اساس افسانه ها توسط طهمورث دیوبند - پادشاه افسانه‌ای پیشدادیان ساخته شده است. برخی از مورخین بنای آن را به بهرام پادشاه ساسانی نسبت می‌دهند. کرمانشاه در زمان قباد اول و انوشیروان ساسانی به اوج عظمت خود رسید. در اوایل حکومت شاه اسماعیل صفوی سلطان مراد آق قویونلو با 70 هزار نفر کرمانشاه و همدان را اشغال کرد. صفویه برای جلوگیری از تجاوز احتمالی امپراطوری عثمانی این شهر را مورد توجه قرار داد. در زمان شیخ علیخان زنگنه صدر اعظم صفوی به آبادانی و رونق کرمانشاه افزوده شد. تاورنیه، جهانگرد و بازرگان فرانسوی، درباره کرمانشاه چنین نوشته‌ است: ” هم زمان با حمله افغان و سقوط اصفهان که طومار فرمانروایی خاندان صفوی در نوردیده شد، کرمانشاه به جرم قرب جوار، با تهاجم عثمانی‌ها مواجه گردید و بار دیگر شهر رو به خرابی نهاد.“ نادر شاه به منظور آمادگی در مقابل تجاوز عثمانی‌ها، به این شهر توجهی خاص مبذول داشت. در زمان نادر شاه این شهر مورد هجوم عثمانی‌ها قرار گرفت. اما نادرشاه عثمانی‌ها را به عقب راند، ولی در اواخر زندگی نادرشاه، کرمانشاه با محاصره و تاراج عثمانی‌ها مواجه شد. کرمانشاه در عهد زندیه دستخوش آشوب فراوانی گردید. به طوری‌که درکتاب ”تحفه العالم“ عبدالصیف جزایری از کرمانشاه به عنوان خرابه نام برده شده است. در دوره قاجار تا حدی از حملات عثمانی‌ها به ناحیه کرمانشاه کاسته شد. در سال 1267ه.ق، امام قلی میرزا از طرف ناصرالدین شاه به سرحدداری کرمانشاه منصوب شد و مدت 25 سال در این شهر حکومت کرد و در همین دوره بناهایی را احداث و به یادگار گذاشت. این شهر در جنبش مشروطه سهمی به سزا داشت و در جنگ جهانی اول و دوم به تصرف قوای بیگانه درآمد و پس از پایان جنگ تخلیه شد. در نتیجه جنگ تحمیلی عراق علیه ایران، این شهر خسارات زیادی دید و پس از جنگ اقدامات مؤثری در جهت بازسازی آن صورت گرفت. در حال حاضر شهر کرمانشاه، مرکز استان کرمانشاه یکی از هفت کلانشهر کشور(تهران، مشهد، اصفهان، تبریز، شیراز، کرمانشاه و اهواز) است‌(44).
1-14-1-1 موقعیت جغرافیایی
استان کرمانشاه در موقعیت ۳۴ درجه شرقی و ۴۷ درجه شمالی شمالی قرار دارد. از شمال به کردستان، از غرب به کشور عراق، از شرق به استان لرستان و همدان و از جنوب به استان ایلام محدود می گردد. شهرستان‌های این استان عبارت‌اند از: اسلام‌آباد غرب، سنقر، پاوه، صحنه، ثلاث باباجانی، قصر شیرین، جوانرود، دالاهو، روانسر، کرمانشاه، کنگاور، گیلان غرب، سر‌پل ذهاب، هرسین. در شکل1-13 استان کرمانشاه به همراه شهرستان‌های آن دیده می‌شود(44).

شکل 1-9 موقعیت جغرافیائی استان کرمانشاه)44.(1-14-2 استان یَزدیزد سرزمینی کهن با پیشینه‌ای در خور توجه، در تاریخ پر فراز و نشیب ایران است. نام یزد برای اولین بار در آثار دوره‌ی ماد‌ها (701 تا 550 قبل از میلاد) دیده می‌شود که گواهی بر قدمت سه هزار ساله‌ی این سرزمین است. در دوره‌های هخامنشی، اشکانی و ساسانی نیز در اسناد و کتیبه‌ها بار‌ها به نام یزد برمی‌خوریم(45).
حسن پیر‌نیا، در کتاب خود،"ایران باستان"،به نقل از تاریخ هرودوت، مورخ یونانی(484 تا 420 قبل از میلاد)، بر مبنای کتیبه‌های داریوش، یزد را بنا بر رسم یونانیان، به نام ایساتیس می‌خواند. وی می‌افزاید: یزد در عصر اشکانی در قلمرو حکومت مهرداد اول بود و در این شهر به نام او سکه ضرب می‌کردند. در دوره‌ی پادشاهی اردشیر بابکان، (241-224‌م) بنیان‌گذار سلسله‌ی ساسانی، یزد زیر نفوذ او بود. پس از ظهور اسلام و فروپاشی دولت ساسانی، در زمان خلافت عمر، و به روایت برخی، در دوران عثمان (دهه ی سوم هجری)، شهر یزد و نواحی آن فتح شد. از آن زمان تا پایان حکومت امویان، فرمانروایان عرب بر این ولایت حکم‌رانی می‌کردند. چنان‌که آمده است، در دوران خلافت حضرت علی(ع)، مسلم ابن زیاد، والی فارس، مالیات یزد را هم می‌گرفت. چنین بود تا هنگامی‌که به‌دست خود ایرانیان، حکومت های مستقل و نیمه مستقلی تشکیل شد و فرمانروایان ایرانی بر ولایت یزد حاکم شدند(45).
مرکز این استان، شهر یزد است. یزد منطقه‌ای خشک و بیابانی است. گروه بزرگی از زرتشتیان ایران در استان یزد و بویژه شهر یزد زندگی می‌کنند. زبان مردم استان یزد فارسی با لهجه یزدی است. آبادی نشینی در این منطقه از قدمت طولانی برخوردار است. این سرزمین از گذرگاه‌های مهم در ادوار تاریخی محسوب می‌شده‌ است. این ناحیه در دوره هخامنشیان از راه‌های معتبر موسسه‌های راهداری، مراکز پستی و چاپاری برخوردار بوده‌است. راهداری در یزد قدیم چنان اهمیتی داشت که خاندان آل مظفر از منصب راهداری ناحیه میبد به پادشاهی رسیدند. با این‌همه این استان از درگیری‌ها و جنگ‌های تاریخ کشور ایران تا حدودی ایمنی داشته‌است. سخت‌گذر بودن راه‌ها به همراه محدودیت منابع آبی مانع عمده تسخیر این منطقه توسط بعضی از حکومت های بزرگ و کوچک حاشیه و پیرامون این منطقه در طول تاریخ بوده‌است. همان طور که در شکل 1-14 دیده می شود استان یزد دارای شهرستان های ابرکوه، اردکان، بافق، بهاباد، تفت، خاتم، صدوق، طبس، مهریز، میبد و یزد می باشد که شهرستان های مهریز و تفت از آب و هوای خوبی برخوردار می باشد (45).
1-14-2-1 موقعیت جغرافیایی
استان یزد در مرکز ایران در قلمرو سلسله جبال مرکزی ایران بین عرض های جغرافیایی 29 درجه و 48 دقیقه تا 33 درجه و 30 دقیقه شمالی و طول جغرافیایی 52 درجه و 45 دقیقه تا 56 درجه و 30 دقیقه شرقی از نصف النهار مبدا قرار گرفته است. استان یزد از سرزمین‌های تاریخی است که در میان ایالت های قدیمی و بزرگ پارس، اصفهان، کرمان و خراسان قرار داشته‌است(45).

شکل 1-10 موقعیت جغرافیائی استان یزد(45).1-15 هدف از تحقیق:آنچه که باعث استفاده از مارکرهای STR در جمعیت شناسی شده است، این واقعیت است که درجه فراوانی آللی هر مارکر STR در هر جمعیت منحصر به فرد است. در حقیقت طبق مطالعات انجام شده فراوانی آلل‏های STR در نژاد‏های مختلف و حتی در مناطق جغرافیایی خاص، تفاوت‏هایی را نشان داده است. بنابراین بررسی هر یک از لوکوس های STR در هر نژاد یا جمعیت خاص برای تفسیر صحت نتایج حاصل از انجام آزمایش های تعین الگوی ژنتیکی به کمکSTR و انجام محاسبات آماری مربوطه امری ضروری است. برای بهره گیری از فواید این فناوری نوپا در زمینه‏ی تشخیص افراد، ضروری است تا فراوانی آللی لوکوس‏هایSTR مختلف در جمعیت بومی کشور مورد بررسی قرار گیرند (45).
مطالعات گذشته روی جمعیت های ایرانی، حضور تعدادی از آلل‏ها را با پلی مورفیسم بالا نشان می‏دهد‌(37-46.)
هدف از این مطالعه به دست آوردن پارامترهای جمعیتی بر اساس فراوانی آللی به دست آمده از شانزده جایگاه STR، در جمعیت‏های کرمانشاه و یزد به منظور بررسی تفاوت ژنتیکی میان این دو جمعیت و سایر جمعیت‏ها می‏باشد.

فصل دوم
2-1 نمونه‌گیریبرای نمونه‌گیری از اقوام کرد و یزد از نمونه هایی که به آزمایشگاه ژنتیک پزشکی تهران رجوع می‌کردند، استفاده شد. پس ازکسب رضایت نامه 4 میلی لیتر خون محیطی از افراد غیر خویشاوند بر اساس محل تولد و اطلاعات مربوط به سه نسل گذشته (پدری و مادری) تهیه شد و در لوله‌های حاوی ماده ضد انعقاد (EDTA) ریخته شد برای تکمیل نمونه‌های یزدی از همکاری آزمایشگاهی در یزد استفاده گردید و برای نمونه‌های کرد به استان کرمانشاه رفته و از آزمایشگاه بیمارستان طالقانی نمونه‌گیری به عمل آمد.
2-2 استخراج DNA به روش نمک اشباعاستخراج DNA با استفاده از روش استاندارد نمک اشباع طبق مراحل زیر انجام شد:
۱- ۳ میلی لیتر از نمونه‌ی خون محیطی حاوی ماده‌ی ضد انعقاد EDTA، داخل فالکون ۱۵ میلی لیتری ریخته شد و با استفاده از آب مقطر سرد به حجم ۱۰ میلی لیتر رسانده شد. سپس فالکون به شدت حرکت داده شد این کار جهت لیز بهتر گلبول‌های قرمز از طریق فرآیند تورژسانس می‌باشد. سپس نمونه را در دستگاه EBA 20 Hettich zentrifugen به مدت ۱۰ دقیقه با دور ۵۰۰۰ سانتریفیوژ شد و محلول رویی خارج گردید و رسوب انتهایی فالکون نگه داشته شد.
۲- با افزودن آب مقطر سرد به رسوب، حجم آن به ۱۰ میلی لیتر رسانده شد و مجدداً با همان شرایط ذکر شده آن را سانتریفیوژ گردید و رسوب حاصل که حاوی گلبول‌های سفید است نگه داشته شد.
۳- پس از افزودن ml10 محلول I استخراج DNA به رسوب، حجم آن به ۱۰ میلی لیتر رسانده شد. سپس در شرایط ذکر شده آن را سانتریفوژ کرده و محلول رویی آن دور ریخته شد.
جدول2-1 محلولI استخراج DNA (محلول لیز کننده گلبول‌های قرمز)غلظت مواد
10 mM Tris-Hcl: pH:7.5
0.32 mM Sacarose
5 mM MgCl2
%1 Triton X-100
4-5/۱ میلی لیتر از محلول II استخراج DNA(از قبل تهیه شده به شرح زیر)، lμ ۲۵ سدیم دو دسیل سولفات ‌ SDS و lμ ۲۰ پروتئیناز K به رسوب سفید رنگ انتهای فالکون افزوده شد.
جدول 2-2 محلول II استخراج DNA (محلول لیز کننده گلبول‌های سفید)غلظت مواد
10 mM Tris-HCl: pH:8.2
2mM EDTA: pH:8
0.45mM NaCl
۵- نمونه‌ها به مدت ۳۰ تا ۴۵ دقیقه در دمایc° ۵۶ و یا به مدت یک شب در دمایc° ۳۷ در انکوباتور قرار داده شد تا رسوب حل شود.
۶- پس از افزودن lμ ۵۰۰ نمک اشباع به نمونه، به آرامی تکان داده شد و به مدت ۱۰ دقیقه در ۴۰۰۰ دور سانتریفیوژ شد. سپس محلول رویی به یک فالکون حاوی ۲ میلی لیتر اتانول خالص (۱۰۰ درصد) انتقال یافت و به آرامی حرکت داده شد تا کلاف DNA شکل بگیرد.
۷- کلاف DNA توسط سمپلر به درون یک ویال حاوی ۱ میلی لیتر الکل ۷۰ درصد انتقال یافت تا الکل 100 خارج شود. در مرحله‌ی بعدی ویال را به مدت ۳ دقیقه در ۱۳۰۰۰ دور در دستگاه 20 Hettich zentrifugen Mikro سانتریفیوژ گشت.

user834

1-2 نشان‌گر چیست؟
صفاتی را که می‏توانند به عنوان نشانه‏ای برای شناسایی افراد حامل آن صفت مورد استفاده قرار گیرند، نشان‌گر می‏نامند. مندل نخستین کسی بود که از نشان‌گرهای ظاهری برای مطالعه چگونگی توارث صفات در نخود‌فرنگی استفاده کرد. اما گاهی صفات به سادگی و با چشم غیر مسلح قابل مشاهده نیستند، مانند گروه خونی. برای مشاهده چنین صفاتی باید آزمایش‏های خاصی صورت گیرد. به طور کلی هر صفتی که بین افراد متفاوت باشد، ناشی از تفاوت موجود میان محتوای ژنوم آنها می‏باشد. حتی بروز صفات به صورت متفاوت در میان افراد (در شرایط محیطی یکسان)، به علت تفاوت‏ در ژنوم آنها است. این تفاوت‏ها می‏توانند به عنوان نشانه یا نشان‌گر ژنتیک به کار گرفته شوند. به طور کلی برای آنکه صفتی به عنوان نشان‌گر ژنتیک مورد استفاده قرار گیرد، باید دست کم دو ویژگی داشته باشد‌:
1-در بین دو فرد متفاوت باشد (چند شکلی)
2-به توارث برسد (2).
1-3 انواع نشان‌گرهای ژنتیکینشان‌گرهای ژنتیکی عبارتند از:
1-نشان‌گرهای مورفولوژیک
2-نشان‌گرهای پروتئینی
3-نشان‌گرهای مولکولی در سطح DNA و RNA
1-3-1 نشان‌گرهای مورفولوژیک
کاربرد نشان‌گرهای مورفولوژیک به ده‏ها سال پیش از کشف DNA مربوط می‏شود. نشان‌گرهای مورفولوژیکی که پیامد جهش‏های قابل رویت در مورفولوژی هسته، از ابتدای این سده مورد استفاده قرار گرفتند. صفات مورفولوژیکی که عمدتا توسط یک ژن کنترل می‏شوند، می‏توانند به عنوان نشان‌گر مورد استفاده قرار گیرند. این نشان‌گرها شامل دامنه وسیعی از ژن‏های کنترل‌کننده صفات فنوتیپی هستند و جز نخستین نشان‌گرها به شمار می‌آیند و از زمان‏های بسیار دور یعنی از زمانی که محل ژن‏ها روی کروموزوم مشخص شد، مورد استفاده قرار می‏گرفتند (2).
معایب نشان‌گرهای مورفولوژیک
اغلب دارای توارث غالب و مغلوب بوده و اثرات اپیستازی و پلیوتروپی دارند.
تحت تاثیر شرایط محیطی و مرحله رشد موجود قرار می‏گیرند.
فراوانی و تنوع کمی دارند.
گاهی برای مشاهده و ثبت آنها باید منتظر ظهور آنها ماند.
اساس ژنتیک بسیاری از نشان‌گرهای مورفولوژیک هنوز مشخص نشده است‌(2).


1-3-2 نشان‌گرهای پروتئینی
در دهه‌ی 1950، نشان‌گرهای پروتئینی قابل مشاهده توسط الکتروفورز پروتئین‏ها تحول شگرفی را ایجاد نمودند. برخی از تفاوت‏های موجود در ردیفDNA بین دو موجود ممکن است به صورت پروتئین‏هایی با اندازه‏های مختلف تجلی کنند، که به روش‏های مختلف بیوشیمیایی قابل ثبت و مطالعه می‏گردند. این قبیل نشان‌گرها را نشان‌گرهای مولکولی در سطح پروتئین می‏نامند که از آن جمله می‏توان به سیستم آیزوزایم/آلوزایم اشاره کرد. معمول‏ترین نوع نشان‌گرهای پروتئینی آیزوزایم‏ها هستند که فرم‏های مختلف یک آنزیم را نشان می‏دهند. آیزوزایم‏ها به‏ طور گسترده در بررسی تنوع ژنتیکی به‌کار گرفته‌شدند. نشان‌گرهای پروتئینی تغییرات را در سطح ردیف و عمل ژن به صورت نشان‌گرهای هم‌بارز نشان می‏دهند. اما این دسته از نشان‌گرها هم دارای معایبی هستند. برخی از معایب آن‏ها عبارت‌اند از:
محدود بودن فراوانی این نوع نشان‌گرها؛
تعداد آیزوزایم‏های قابل ثبت و مشاهده که می‏توان از آنها به عنوان نشان‌گر استفاده کرد به یکصد عدد نمی‏رسد؛
محدود بودن تنوع ژنتیکی قابل ثبت در آیزوزایم‏ها‌(نداشتن چند شکلی)؛
پیچیدگی فنوتیپ‏های الکتروفورزی آیزوزایم‏ها به دلیل دخیل بودن آنزیم‏های مرکب از چند پلی‌پپتید مستقل در ترکیب برخی از آیزوزایم‏ها‌(3).
اما پیشرفت‏هایی که در زمینه‏ی الکتروفورز دو‏بعدی با قدرت تفکیک زیاد پدید آمده، تجزیه تحلیل هم‌زمان هزاران پروتئین را میسر ساخته و مجددا به‌عنوان فناوری پیشتاز در عرصه نشان‌گر‏های مولکولی مطرح شده‏اند. تاثیرپذیری نشان‌گرها از محیط که به‌طور معمول به‌عنوان یکی از محدودیت‏ها و نکات منفی نشان‌گرهای مولکولی یاد می‏شود، در مورد این نشان‌گر‏ها تبدیل به برتری شده و جایگاه متمایزی را در بین سایر نشان‌گرها به ارمغان آورده است. پروتئومیکس‌(مطالعه سراسری کل پروتئین‏های موجود در یک سلول یا یک ارگانیسم) می‏تواند به‌طور هم‌زمان برای مطالعه بیان ژن و هم‌چنین برای شناسایی پروتئین‏های واکنش دهنده به شرایط محیطی مورد استفاده قرار گیرد(3).
1-3-3 نشان‌گرهای مولکولیDNA وRNA
دسته‌ای دیگر از تفاوت‏های موجود در سطح DNA هیچ تظاهری ندارند. نه صفت خاصی را کنترل می‏کنند و نه در ردیف اسید‏های آمینه پروتئین‏ها تاثیری برجای می‌گذارند. این دسته از تفاوت‏ها را می‏توان با روش‏های مختلف شناسایی، قابل دیدن و ردیابی کرد و به عنوان نشان‌گر مورد استفاده قرار داد. این نشان‌گر‏ها که تعدادشان تقریبا نا‏محدود است، فقط از راه تجزیه و تحلیل مستقیم DNA قابل ثبت هستند. بنابراین به آنها نشان‌گرهای مولکولی در سطح DNA گفته می‏شود. نشان‌گرهای مولکولی فراوان و در هر موجود زنده‌ای می‌توانند مورد استفاده قرار گیرند. تاکنون تعداد زیادی از نشان‌گرهای DNA معرفی شده‌اند. این نشان‌گرها از نظر بسیاری از ویژگی‏ها مانند درجه‏ی چندشکلی، غالب یا هم‌بارز بودن، تعداد جایگاه‏های تجزیه شده در هر آزمایش DNA، توزیع در سطح کروموزوم، تکرار‌پذیری، نیاز یا عدم نیاز به توالی‏یابی DNA الگو و هزینه‏ی مورد نیاز با همدیگر متفاوت‌اند. انتخاب بهترین نشان‌گر به هدف مطالعه (انگشت نگاری، تهیه نقشه پیوستگی، ژنتیک جمعیت و روابط تکاملی) و سطح پلوئیدی موجود مورد مطالعه بستگی دارد‌(4).
مزایای کاربرد نشان‌گرهای مولکولی
عدم تاثیرپذیری آنها از شرایط محیطی خارجی و داخلی موجود؛
امکان به‌کارگیری آنها در مراحل نخستین رشد جنینی حیوانات و مراحل نخستین رشد موجودات؛
فراهم نمودن امکان مطالعه موجودات در خارج از فصل و محیط کشت؛
دقت و قابلیت مطلوب تفسیر نتایج؛
هم‌بارز بودن بسیاری از این نشان‌گرها؛
امکان استفاده از آنها در مورد گونه‏های منقرض شده؛
سهولت تشخیص افراد ناخالص از خالص؛
سهولت امتیازدهی و تجزیه و تحلیل نتایج؛
دسترسی به برنامه‏های رایانه‏ای قوی برای تجزیه و تحلیل و تفسیر سریع نتایج‌(4)
انواع نشان‌گرهای مولکولی
نشان‌گرهای DNA گروه بزرگی از نشان‌گرها را تشکیل می‏دهند. این نشان‌گرها سیر تحول و تکامل خود را به پایان نرسانده‏اند و ابداع و معرفی روش‏های متنوع و جدیدتر ثبت و مشاهده‏ی تفاوت‏های ژنتیک بین موجودات از طریق مطالعه‏ی مستقیم تفاوت‏های موجود در بین ردیف‏های DNA هم‌چنان ادامه دارد. نشان‌گر‏های DNA در مدت یک دهه تکاملی شگرف و تحسین‌برانگیز داشته‏اند‌(5).
ابداع و معرفی واکنش زنجیره‌ای پلی‌مراز یا PCR یک روش سریع تکثیر آزمایشگاهی قطعه یا قطعه‌های مورد نظر DNA است. در واقع PCR روشی بسیار قوی است که تکثیر ردیف منتخبی از مولکول یک ژنوم را تا چندین میلیون در کم‌تر از نیم‌روز امکان‌پذیر می‏سازد. اما این فرایند هنگامی امکان‌پذیر است که دست‌کم ردیف کوتاهی از دو انتهای قطعه DNA مورد نظر معلوم باشد. در این فرایند که تقلیدی از فرایند همانندسازی DNAدر طبیعت است، الیگونوکلئوتیدهای مصنوعی که مکمل ردیف شناخته شده دو انتهای قطعه‏ی مورد‌نظرDNA هستند، به‌عنوان آغازگر مورد استفاده قرار می‏گیرند تا واکنش آنزیمی همانندسازی DNA درون لوله‌ی آزمایش امکان‌پذیر شود. این همانند‏سازی فرایندی آنزیمی است و توسط انواع مختلفی از آنزیم‏های پلی‌مراز صورت می‏گیرد. امروزه تعداد زیادی از این نوع آنزیم‏ها به صورت تجاری دردسترس هستند‌(6).
واکنش زنجیره‏ای پلی‌مراز (PCR) در سال 1983 توسط کری‌مولیس در حالیکه در یک نیمه شب تابستانی در حال رانندگی بود، ابداع گردید و سبب انقلاب عظیمی در زیست شناسی مولکولی شد(6).
همان‌گونه که در شکل 1-1 نشان داده شده است، نشان‌گرهای DNAبه دو دسته‏ی کلی طبقه‌بندی می‏شوند.
نشان‌گرهای DNAمبتنی بر PCR
نشان‌گرهای DNA غیر مبتنی PCR(6).

شکل 1-1 انواع نشان‌گرهای ژنتیکی‌(10)
1-3-3-1 نشان‌گرهای غیر مبتنی بر PCRاین دسته از نشان‌گرهای DNA بدون استفاده از روشPCR تولید می‌شوند و مورد استفاده قرار می‌گیرند.
انواع نشان‌گرهای غیر مبتنی بر PCR به شرح زیر است:
تفاوت طول قطعات حاصل از هضم DNA توسط آنزیم‏های محدودگر(RFLP)
پویش ژنومی نشانه‏های هضم (RLGS)
ماهوارک‏ها
1-3-3-1-1 تفاوت طول قطعات حاصل از هضم DNA توسط آنزیم‌های محدودگر( (RFLPسرگروه نشان‌گرهای غیر‌مبتنی برPCR ، همان تفاوت طول قطعه‏های حاصل از هضم DNA توسط آنزیم‏های محدودگر یا RFLP است. از بین نشان‌گرهای مولکولی DNA، RFLP ها اولین نشان‌گرهایی بودند که برای نقشه‌یابی ژنوم انسان توسط بوتستین و همکاران در سال 1980 و پس از آن برای نقشه‌یابی ژنوم گیاهان توسط بر و همکاران در سال 1983 مورد استفاده قرار گرفتند. در اوایل دهه 1980 بوتستین و همکاران استفاده از تفاوت طول قطعه‏های حاصل از هضم یا RFLP را برای مطالعه‏ی مستقیم DNA و یافتن نشان‌گر‏های ژنتیک جدید معرفی کردند. این تحول از پیامد‏های منطقی کشف آنزیم‏های محدودگر بود. این آنزیم‏ها که بسیار اختصاصی‏ هستند، ردیف‏های ویژه‏ای را روی مولکولDNA شناسایی کرده و آنها را از محل خاصی (نقطه‏ی برش) برش می‏دهند‌(7).
RFLP الزاما مختص ژن‏های خاص نیست، بلکه در کل ژنوم پراکنده است. ازاین رو، از نشان‌گرهای RFLP برای نقشه‌یابی تمام ژن‌ها در ژنوم انسان استفاده می‏شد(5). علاوه برRFLP که هنوز هم از قدرتمندترین و معتبرترین نشان‌گرهایDNA است، انواع مختلف نشان‌گرهایDNA با تفاوت‌های زیادی از نظر تکنیکی و روش تولید، نحوه‌ی کاربرد، امتیاز‌بندی، تجزیه و تحلیل و تفسیر نتایج به سرعت ابداع ومعرفی شده‌اند‌(7).
مهم‌ترین مزایای RFLP
تکرارپذریری، دقت و قابلیت اعتماد این نشان‌گر فوق‌العاده زیاد است؛
این نشان‌گر هم‌بارز است و امکان تشخیص افراد خالص را از افراد ناخالص فراهم می‏آورد؛
فراوانی این نشان‌گر در حد بالایی است؛
RFLP تحت تاثیر عوامل محیطی داخلی و خارجی نبوده و صد در صد ژنتیکی است(8).
برخی معایب RFLP
دشواری، پیچیدگی و وقت‌گیر بودن؛
RFLP ژنوم‌های بزرگ نیازمند کاربرد مواد پرتوزا یا روش‌های پیچیده‏تر و گران‏تر بیوشیمیایی است؛
RFLP نیازمند نگه‌داری میکروارگانیسم‌ها به‌منظور تهیه‏ی کاوشگر است که خود بر پیچیدگی این روش می‏افزاید؛
هزینه‏ی اولیه و نگه‏داری کاوشگر‏ها و کاربرد آنها بسیار زیاد است؛
نیازمندی به مقدار نسبتا زیاد DNA از محدودیت‏های دیگر روش RFLPاست به‌طوری که ده‏ها میکروگرم از DNAبرای هر فرد به منظور تجزیه‏ی ژنوم مورد نیاز است؛
از دیگر محدودیت‏های این نشان‌گر آن است که در گونه‏های بسیار نزدیک به یکدیگر این نوع نشان‌گر‏ها آلل‏های مشابهی را نشان می‏دهند(8).
1-3-3-1-2 پویش ژنومی نشانه‏های هضم (RLGS)در سال1991، هاتادا و همکاران روشی را برای شناسایی و انگشت‌نگاری موجودات عالی ابداع و معرفی کردند. پیش از ابداع این روش که بر مبنای نشان‌دار کردن هم‌زمان انتهای هضم شده‏ی هزاران قطعه‌ی DNA است، ردیابی و ثبت موجودات عالی با روش نشان‌دار کردن انتهای هضم شده غیر ممکن می‌نمود. دو دلیل اصلی برای این تصور ذکر شده است:
ژنوم موجودات عالی بسیار بزرگ و پیچیده است برای مثال ژنوم انسان 109×3 جفت باز دارد و در نتیجه‏ی هضم آن با آنزیمی مانند EcoRI بیش از یک میلیون قطعه‌ی DNA به وجود می‌آید. تفکیک این تعداد مولکولDNA حتی با الکتروفورز دو بعدی نیز غیر ممکن است.
معمولا DNA ژنومی در هنگام استخراج به صورت تصادفی و غیر‌اختصاصی شکسته می‌شود و ایجاد مولکول‏هایی با انتهای تصادفی می‏کند. این امر سبب ایجاد پس‌زمینه‌ی ناشی از نشان‌دار شدن این انتهاها طی فرایند نشان‌دارکردن می‏شود‌(9).
برای رفع این دو نقص تدابیری پیش‏بینی شد و روش RLGS ابداع گردید. این روش جدید که برای تجزیه و تحلیلDNA ژنومی به‌کار می‌رود، بر مبنای این فرضیه است که نقاط برش اختصاصی آنزیم‏های محدودگر می‌توانند به‌عنوان نشانه و وجهه تمایز ارقام و افراد به کار گرفته‌شوند.
در این روش انتهای آزاد مولکول‌های DNA که در اثر صدمات مکانیکی در طی استخراج به وجود آمده‏اند، مسدود می‏شود. سپس برای کاهش پیچیدگی، DNA ژنومی توسط آنزیم‏های محدودگر، با محل برش نادر، هضم و نقاط برش به‌طور مستقیم با فسفر پرتوزا نشان‌دار می‏شوند. آنزیم‏های با محل برش نادر معمولا هزاران قطعه DNA به وجود می‏آورند. سپس با الکتروفورز دو‌بعدی، قطعه‏های هضم‌شده‏یDNA از هم جدا شده و خودپرتونگاری صورت می‏گیرد. این روش یک الگوی دو بعدی با هزاران نقطه‏ی پراکنده (قطعه‏های نشان‌دارDNA) ایجاد می‏کند که هر یک می‏توانند به عنوان یک نشان‌گر به کار گرفته شوند(10)
برخی از مزایای روشRLGS
در هر آزمایش هزاران نشان‌گر به‌دست می‌آید؛
مقدار کمی DNAمورد نیاز است؛
در صورت استفاده از آنزیم‌های محدودگر متفاوت، تفاوت‏های بیشتری ظاهر و ثبت خواهند شد[10].
برخی از معایب روش RLGS
DNA مورد نیاز برای این روش باید از کیفیت مطلوبی برخوردار باشد؛
هضم ناقص DNA توسط آنزیم‏های محدودگر نتایج تکرار ناپذیر و گمراه کننده‏ای خواهد داشت؛
این روش پیچیدگی فوق العاده‏ای داشته و تفسیر نتایج حاصل از آن دشوار است(10).
1-3-3-1-3 ماهوارک‏ها
ماهوارک‏ها نخستین بار در سال 1985 توسط جفری و همکاران گزارش شدند. پس از آن در سال 1988 تکثیر جایگاه‏های ژنی خاص نواحی تکرارشونده، روی ماهوارک‏ها در ژنوم انسان انجام شد.
این دسته از نشان‌گرها از نظر تکنیکی مبتنی بر استفاده از کاوشگرهای مصنوعی و کاربرد مواد پرتوزا و روش ساترن هستند.
ماهوارک‌ها واحدهایی 10 تا 100 جفت بازی هستند که ممکن است صدها بار تکرار شده باشند. آنها معمولا یک هسته مشترک 10 تا 15 جفت بازی دارند که احتمالا در تنوع‌پذیری ماهوارک‌ها موثرند. ماهوارک‌ها بیش‌تر در نواحی یوکروماتین ژنوم پستانداران، قارچ‌ها و گیاهان متمرکز‌ند. تنوع‌پذیری ماهوارک‌ها در حدی است که گاهی در انگشت‌نگاریDNA انسان مورد استفاده قرار می‏گیرند. از جمله‌ی ماهوارک‌ها می‏توان به تکرارهای پشت سر هم با فراوانی بالا (VNTR) اشاره کرد[11]. VNTR ها به دو دسته‌ی کلی تقسیم می‌شوند: VNTR تک مکانی و VNTR چند مکانی.
دسته‏ی نخست، تعداد متفاوت ردیف‌های تکراری در یک جایگاه ژنی و دسته‏ی دوم تعداد متفاوت ردیف‌های تکرار‌شونده در چندین جایگاه ژنی را نشان می‌دهند. الگوی بانددهی به‌دست آمده با استفاده از کاوشگر‌های VNTR تک مکانی ساده‏تر و قابل فهم‌تر است، زیرا هر فرد تعداد کمی باند واضح را نشان می‏دهد. در حالی‌که تعداد باندهای به دست آمده از کاوشگرهای مخصوص VNTRچند‌مکانی بیش‌تر است، به‌طوری که به‌طور هم‌زمان تا بیش از 30 باند به دست می‏آید(12).
در نخستین نشان‌گرهای مبتنی بر ماهوارک‌ها، از الیگونوکلئوتید‏های حاوی ریزماهواره به عنوان کاوشگر استفاده گردید و توسط علی و همکاران انگشت‌نگاری الیگونوکلئوتیدی نام‌گذاری شد.
از کاوشگرهای الیگونوکلئوتیدی نشان‏دار‌شده مکمل با موتیف‌های کوتاه تکرار‌شونده در هیبریداسیون در ژل، با به کارگیری DNAژنومی برش داده شده با آنزیم‌های برشی خاص و الکتروفورز ژل آگارز استفاده شده است. گوبتا و وارشنی در سال2000 طی تحقیقات خود مراحل زیر را برای انگشت‌نگاری الیگونوکلئوتیدی مطرح کردند:
جداسازیDNA ژنومی با وزن مولکولی زیاد
هضم DNAژنومی با یک آنزیم محدودگر مناسب
تفکیک قطعه‌های حاصل از هضم روی ژل آگارز
انتقال ساترن قطعه ها به غشا
دو ‏رگ‏گیری غشا با کاوشگر‏های(نشاندار با مواد پرتوزا یا غیر پرتوزا) الیگونوکلئوتیدی دربردارنده‏ی ردیف‌های دو یا سه تایی تکراری
خودپرتونگاری یا رنگ آمیزی برای مشاهده‏ی قطعه‌های دو رگ‌شده.
به‌کمک این روش می‌توان تنوع نواحی تکرار‌شونده‏ی مورد نظر را آشکار کرد. قطعه‌هایی از DNA که با الیگونوکلئوتیدها دو ‌رگ می‌شوند، در دامنه‌ای از اندازه‏ی چند صد جفت تا ده کیلو جفت باز قرار می‏گیرند. هم‌چنین گاهی بیش از یک نوع ماهواره در داخل یک قطعه‏ی برش داده شده قرار می‌گیرد. تفاوت‏هایی که این نوع نشان‌گرها نشان می‏دهند، به دلیل تفاوت در طول قطعه‌های برش داده‌شده‌ای است که در بردارنده‏ی ماهوارک‌ها هستند. از این روش برای شناسایی ژنوتیپ‌ها و همچنین در ژنتیک جمعیت استفاده می‌شود(12).
پس از مدتی، لیت و لوتی و سه گروه دیگر همین روش را برای ریزماهواره‏ها(عمدتا از نوع (CA)n) به‌کار بردند و دریافتند که ریز ماهواره‏ها به دو دلیل به مراتب آسانتر از ماهوارک‌ها با روش PCR تکثیر می‏شوند:
1-ریزماهواره‏ها کوچکتر از ماهوارک‏ها هستند؛
2-ردیف‌های تکرار‌شونده ریز ماهواره‏ای فراوانتر و توزیع آنها در کل ژنوم یکنواخت‌تر ازماهوارک‏هاست(13).
1-3-3-2 نشان‌گرهای مبتنی بر PCRنشان‌گرهای مبتنی بر PCR نشان‌گرهایی هستند که از توالی الیگونوکلئوتیدی به عنوان آغازگر برای تکثیر قطعه‏ی خاصی از DNA استفاده می‌کنند. روش‏های مختلف در این گروه، در طول و توالی آغازگرها، سختی شرایط PCR و روش‏های جداسازی و آشکار کردن قطعات با همدیگر فرق دارند.
انواع نشان‌گرهای مبتنی بر PCR به شرح زیر است:
تفاوت طول قطعه‌های حاصل از تکثیر(AFLP)
DNA چند شکل تکثیر‌شده‏ی تصادفی(RAPD)
تفاوت تک نوکلئوتیدی(SNP)
نشان‌گرهای مبتنی برنقاط نشانمند از ردیف (STS)
1-3-3-2-1 تفاوت طول قطعه‌های حاصل از تکثیر (AFLP)
در سال 1995 نشان‌گرهای جدیدی ابداع و معرفی شدند که به نظر می‌رسد بسیاری از محدودیت‌های نشان‌گر‌های پیشین را نداشته باشند. در این روش که AFLP نامیده می‏شود نشان‌گرهایی تولید می‏شوند که علاوه بر دارا بودن مزایایRFLP مانند دقت و تکرار‌پذیری ویژگی‌های مثبت روش‌های مبتنی بر واکنش زنجیره‌ای پلی‌مراز را نیز دارند. پایه‌ی این روش تکثیر انتخابی برخی قطعه‌ها از بین تمام قطعه‌های هضم شده‌ی DNA است و سه مرحله‌ی مجزا دارد:
هضمDNA با یه جفت آنزیم محدودگر و اتصال آنها به آداپتور‌های اولیگونوکلئوتیدی؛
طراحی، ساخت آغازگر و تکثیر انتخابی دسته‌ای از قطعه‌های حاصل از هضم .با استفاده از ردیف بازی آداپتور‌ها و نیز ردیف بازی نقاط برش، طراحی و ساخت آغازگر انجام می‌شود، اما برای تکثیر انتخابی قطعه‌های حاصل از هضم دو، سه یا چند نوکلئوتید به انتهای’3 ردیف آغازگر اضافه می‌شود که موجب می‌گردد فقط قطعه‌هایی تکثیر‌شوند که ردیف بلافصل آنها در مجاورت نقطه‌ی برش ،مکمل نوکلئوتیدهای یاد شده باشد؛
جداسازی قطعه‌های حاصل از تکثیر روی ژل‌های توالی‌یابی(پلی‌اکریل‌آمید) و خودپرتونگاری یا رنگ‌آمیزی نقره برای ثبت نتیجه‌ها.
با استفاده از این روش تعداد زیادی از قطعه‌های حاصل از هضم، تکثیر و قابل رویت می‌شوند. این در حالی است که نیازی به دانش اولیه در مورد توالی‌بازی قطعه‌هایی که تکثیر می‌شوند، وجود ندارند. هر یک از این قطعه‌هایی که به صورت باند روی ژل ظاهر می‌شوند، می‌توانند به عنوان یک نشان‌گر ژنتیک مورد استفاده قرار گیرند.
تعداد قطعه‌هایی که با این روش تکثیر می‌شوند، به دقت و توانمندی روش‌های جداسازی (الکتروفورز)، ثبت نتایج و تعداد نوکلئوتید اضافه شده به انتهای آغازگر بستگی دارد. معمولا در این روش بین پنجاه تا صد قطعه‌ی حاصل از هضم تکثیر و با استفاده از ژل‌های پلی‌اکریل‌امید واسرشت ساز ثبت می‏شوند(19)
مزایای AFLP
این روش در مقایسه یا سایر روش‌ها بیشترین تعدا نشان‌گر‌ها به ازای هر ژل را ایجاد می‌کند؛
در این روش نیازی به تهیه و تدارک و نگه‌داری کاوشگر نیست .دقت و تکرار‌پذیری این نشان‌گر به دلیل انتخاب دمای زیاد هم رشته‌سازی و اتصال آغازگر به DNA الگو بیشتر از RAPD است(20).
معایب AFLP
پیچیدگی نسبی این روش در مقایسه با سایر روش‌های میتنی برPCR ؛
عدم اطلاع از جایگاه ژنی نشان‌گر‌ها؛
غالب بودن این نشان‌گر موجب عدم امکان تشخیص افراد خالص از ناخالص می‏گردد؛
تکثیر قطعه‌های غیر‌واقعی در AFLP موجب کاهش قابلیت اعتماد این روش می‏گردد(20).
1-3-3-2-2 DNA چندشکل تکثیرشده‏ی تصادفی(RAPD)در این روش از تک آغازگرهایی به طول هشت تا ده نوکلئوتید که ردیف بازی آن به طور قراردادی تعیین می‌گردد، استفاده می‏شود. در این واکنش یک آغازگر منفرد نقاط مکمل خود را روی دو رشته‏ی DNA ژنومی می‌یابد و در آن نقاط به رشته‌های DNAمتصل می‌شود. چنانچه محل اتصال آغازگرها در روی دو رشته‏ی مقابل به هم نزدیک باشند(فاصله‏ای که DNA قابل تکثیر باشد)، ردیف بین آن دو نقطه طی واکنش PCR تکثیر خواهد شد. فراورده‌های واکنش PCRروی ژل آگارز از هم جدا می‏شوند. تولید هر باند بیانگر وجود شباهت زیاد بین ردیف بازی آغازگرها و ردیف بازی محل اتصال درDNA ژنوم است. به طور معمول هر آغازگر تکثیر چندین جایگاه مختلف را درDNA ژنومی هدایت خواهد کرد. وجود یا عدم وجود یک باند واحد در ژل های RAPD بیانگر جهش نقطه‌ای در محل اتصال آغازگرها و یا حذف یا (اضافه) شدن در ناحیه قابل تکثیر است. بنابراین چند شکلی در RAPDمعمولا به شکل حضور و غیاب یک باند پدیدار می‏شود. بدین معنی که نشان‌گرهای RAPD از نوع غالب‌اند و افرادی که دو نسخه از یک آلل دارند، به طور کمی از افرادی که یک نسخه از آن آلل را دارند، قابل تشخیص نیستند. تفاوت طول قطعه‏ها در RAPD از طریق تکثیر قطعه‌های DNA مکمل با ردیف‌های آغازگرهای اختیاری (ردیف مشخص ولی تصادفی) به‌دست می‌آیند. قطعه‏های تکثیر شده به صورت نوارهایی با وزن مولکولی متفاوت به‌طور مستقیم روی ژل قابل مشاهده‌اند (15).
مزایای RAPD
عدم نیاز به کاوشگر، مواد پرتوزا و غیره؛
امکان بررسی هم زمان چندین جایگاه در ژنوم؛
عدم نیاز به اطلاعات اولیه در مورد ریف DNA برای ساخت آغازگر(16).
معایب RAPD
عدم تکرار پذیری؛
حساسیت بسیار به آلودگی؛
در صورت تغییر شرایط محیطی ظهور باندهای جدید؛
نامعلوم بودن جایگاه نشان‌گر RAPD روی نقشه‌ی ژنتیکی(16).
1-3-3-2-3 تفاوت تک نوکلئوتیدی(SNP)تنوع‌ها و تفاوت‌هایی که به واسطه‏ی اختلاف در یک جایگاه نوکلئوتیدی(به علت جایگزینی، حذف یا ازدیاد) اتفاق می‌افتند، با عنوان تفاوت تک نوکلئوتیدی نامیده می‏شوند. این نوع از تنوع به‌وفور در ژنوم انسان اتفاق می‏افتد به طوری که مطالعات انجام گرفته توسط کاتانو-آنولز و گرس هوف (1998) در ژنوم انسان و اسب نشان می‏دهد که در فاصله‏ی هر دویست و پنجاه تا چهارصد نوکلئوتید یک SNP وجود دارد(17).
با اینکه‌SNP ها به وفور در ژنوم انسان یافت می‌شوند، ولی ایجاد و توسعه‌ی نشان‌گرهای SNP چندان آسان نیست. تهیه نشان‌گر‏های SNP شامل مراحل زیر است:
تعیین ردیف DNA اطراف SNP؛
تکثیر قطعه‌ای منحصر به فرد از DNA به کمک PCR به منظور غربال SNP؛
شناسایی SNP که شامل مشاهده‌ی دو آلل در افراد مختلف می‌باشد؛
مکان‌یابی نشان‌گر SNP و تعیین جایکاه خاص کروموزومی آن؛
تعیین فراوانی دو آلل در جمعیت؛
بررسی SNP در افراد و ژنوتیپ‌های مختلف(17).
برخی از معایب نشاگرهای SNP
SNPها به دلیل داشتن فقط دو آلل در یک جایگاه ژنی نسبت به نشان‌گر‌های چند آللی، اطلاعات کمتری را در نقشه‌های پیوستگی نشان می‌دهند؛
شناسایی نشان‌گرSNP بسیار پر‌هزینه و هم‌چنین زمان‌بر است(17).
1-3-3-2-4 نشان‌گرهای مبتنی برنقاط نشانمند از ردیف(STS)هر نشان‌گری که مبتنی بر واکنش PCR باشد و با استفاده از آغازگرهای اختصاصی (معمولا بیش از بیست نوکلئوتید) ایجاد شود، یک نقطه‌ی نشانمند از ردیف نامیده می‏شود، زیرا پیش از طراحی آغازگر، بی‏شک در یک مرحله ردیف‌یابی صورت گرفته است. نشان‌گرهایی همچون تفاوت طول قطعه‌های قابل تکثیر (ALP) و ریزماهواره‏ها از آن جهت که مستلزم ردیف‏یابی برای طراحی آغازگر به منظور تکثیر DNA در یک نقطه‌ی خاص هستند، ذیل STS دسته‌بندی می‌شوند:
-تفاوت طول قطعه‏های قابل تکثیر(ALP)
-ریز ماهواره‌ها (18).
1-3-3-2-4-1 تفاوت طول قطعه‏های قابل تکثیر(ALP)
ALP یکی از ساده‏ترین و سریع‏ترین نشان‌گرهای مبتنی بر PCR است. اگر ردیف باز‏های قطعه‏ای از DNA در یک موجود مشخص باشد (یا دست کم بخشی از دو انتهای آن قطعه معلوم باشد)، براساس آن می‏توان به طراحی و ساخت مصنوعی آغازگرهایی به طول بیست تا سی نوکلئوتید اقدام کرد. چنان‌چه نمونه‏های مختلف DNA توسط این آغازگرها و از طریق واکنش زنجیره‏ای پلی‌مراز تکثیر و سپس روی ژل الکتروفورز از هم جدا شوند، در صورت وجود اختلاف در طول قطعه‏ی قابل تکثیر، باندهایی به اندازه‏های مختلف تولید خواهند شد که بیانگر وقوع پدیده‏ی حذف یا اضافه در بین نمونه‏های مورد مطالعه است. این تفاوت در اندازه‏ی قطعه‏های قابل تکثیر که جهش‏های ژنتیک را نشان می‏دهد به عنوان نشان‌گرهای ژنتیک مورد استفاده قرار می‏گیرد(14).
مزایای ALP
از نظر کاربردی در بین نشان‌گرهای DNA،یکی از سریع ترین و ارزان‌ترین‌ها است؛
به‌کاربرد مواد پرتوزا یا بیوشیمیایی پیچیده نیاز ندارد؛
به‌تدارک، نگهداری و کاربرد کاوشگرها نیاز ندارد؛
بسیار اختصاصی عمل می‌کند، تکرار پذیری آن خوب است و تا حد بسیار زیادی می‌توان به نتایج آن اعتماد داشت؛
به‌مقدار خیلی کمی از DNA نیاز است؛
هم‌بارز بودن این نشان‌گر امکان تشخیص افراد خالص از هر یک از انواع افراد ناخالص را فراهم می‌آورد(14).
معایب ALP
طراحی و ساخت آغازگرها، به اطلاعات اولیه در مورد ردیف DNAژنوم مورد مطالعه نیاز دارد که با توجه به اینکه ژنوم بسیاری از موجودات به طور کامل در دسترس نیست این روش استفاده بسیار کمی دارد؛
هزینه‌ی اولیه مورد نیاز به منظور تولید تعداد کافی نشان‌گر ژنتیک با توزیع مناسب در سرتاسر ژنوم بسیار زیاد و مستلزم صرف وقت است(14).
1-3-3-2-4-2 ریزماهواره‌هاریزماهواره‏ها شامل واحدهای یک الی شش تایی تکرار شونده هستند که در ژنوم بیشتر یوکاریوت‏ها پراکنده‏شده‏اند. به طوری که در هر ده کیلو جفت باز از ردیف DNA دست کم یک ردیف ریزماهواره‏ای دیده می‏شود. طول ریز‌ماهواره‏ها معمولا کمتر از 100 جفت باز بوده و توسط دو ردیف منحصر به فرد در دو طرف محدود شده‏اند. ریزماهواره‏ها به سه گروه عمده‌ی تکرارهای کامل، تکرارهای ناکامل (معمولا توسط بازهای غیرتکرارشونده قطع می‌شوند) و تکرارهای مرکب(دو یا تعداد بیشتری از واحدهای مجاور یکدیگر) تقسیم می‏شوند. تعداد تکرارها در هر واحد بسیار متفاوت است. حداقل تعداد واحد تکرار‌شونده برای ریز ماهواره‏های دو نوکلئوتیدی به ترتیب ده و هفت بار تکرار تعیین شده است(21).
مزایای ریزماهواره‏ها
کاربرد آنها و تفسیر نتایج نسبتا ساده است؛
سیستم چند آللی(تا 11 آلل) از ویژگی‌های بارز این نوع نشان‌گر است؛
ریزماهواره‌ها بسیار متنوعند؛
به وفور در ژنوم یوکاریوت‏ها یافت می‏شوند؛
بیشتر ریزماهواره‏ها غیر‏عملکردی هستند؛
همبارز هستند [22].
1-4 فراوانی، توزیع و سازماندهی ریزماهواره‏ها در داخل ژنومریزماهواره‌ها بسیار فراوان بوده و در کل ژنوم موجودات به صورت تصادفی پراکنده اند. فراوانی ریزماهواره ها در بین موجودات زنده متفاوت است. برای مثال تخمین زده شده است که ژنوم انسان به طور میانگین ده برابر بیشتر از گیاهان ریزماهواره دارد. علاوه برDNA کروموزومی تعداد زیادی ریزماهواره در DNA کلروپلاست ها نیز گزارش شده است. به کمک روش‏هایی از قبیل دورگه‏گیری در ژل، نقشه‏یابی ژنتیکی و فیزیکی و هم چنین دورگه‏گیری در محل فلورسنت، ثابت شده است که ریزماهواره ها به طور یکنواخت در ژنوم پراکنده‏اند. اگرچه در برخی موارد می توانند به صورت مجتمع قرار گرفته باشند(12).
1-5 مکانیسم ایجاد تنوع در طول توالی‏های تکراریچنین فرض می‏شود که جهش در تعداد واحدهای تکرار شونده در هر یک ازDNA های تکرار شونده با یکی از دو سازوکار کراسینگ آور نامساوی(uco) یا جفت نشدن ناشی از سرخوردن در طول رشته (خطای همانندسازی DNA ) صورت می‏گیرد. بیشتر عقیده بر این است که ریزماهواره‏ها و ماهواره‏ها توسط سازوکار کراسینگ آور نامساوی ایجاد می‏شوند، ولی در مورد ریزماهواره‏ها برخی افراد یکی از دو سازوکار و برخی دیگر هر دو سازوکار را موثر می‏دانند(23).
1-5-1 کراسینگ اور نابرابرگاهی کراسینگ اور نابرابر در داخل تکرارهای ریزماهواره‏ای بین کروموزوم های مشابه یا خواهری اتفاق می‏افتد و سبب تغییر در تعداد واحدهای تکرار شونده می‏شود.(شکل 1-2).کراسینگ اور نابرابر می‏تواند هم در میوز و هم میتوز اتفاق بیفتد. چنین توجیه می‏شود که وجود نواحی تکرارشونده احتمالا مانع از ردیف شدن کامل در همولوگ یا کروموزوم‏های خواهری می‏شود. به نظرمی‏رسد که این نوترکیبی مکانیزم اصلی ایجاد تنوع مینی‏ستلایتی است(23).

شکل 1-2 کراسینگ آور و مبادلات نابرابر بین کروماتیدهای خواهری سبب ایجاد حذف شدگی یا الحاق می‌شود(23.)
1-5-2 عدم جفت شدن ناشی از سرخوردن DNA در طول رشته(خطاهای همانند سازی)گاهی DNA پلی‌مراز در طول همانند سازی در نواحی تکرار شونده‏ی ریز ماهواره‏ای سر می‏خورد و موجب تغییر در تعداد واحد تکرار شونده می‏شود. در حقیقت سر خوردن پلی‌مراز در طول نواحی تکراری موجب عدم جفت شدن کامل دو رشته‏ی DNA شده و در نهایت حلقه‌هایی در رشته‌ی الگو یا رشته‏ی جدید ایجاد می‏شود(شکل1-3). این امر مکانیسم اصلی به وجود آورنده‏ی چندشکلی در میکروستلایت‌هاست(23).

شکل 1-3 متزلزل بودن پلی‌مراز حین همانندسازی DNA می‏تواند طول تکرار را به اندازه یک یا دو واحد تغییر دهد(23).اگر نتیجه‏ی همانند سازی ایجاد واحد های تکرار شونده‏ی اضافی باشد، حلقه در رشته ی جدید و اگر نتیجه‌ی همانند سازی کاهش در تعداد واحد‏های تکرار شونده باشد، حلقه در رشته‏ی الگو تشکیل خواهد شد(23).
گلدستین و شلوترر فرضیه‏ی عدم جفت شدن ناشی از سر‏خوردن در طول رشته را نسبت به فرضیه کراسینگ آور نامساوی به دلایل زیر به واقعیت نزدیکتر دانسته‏اند:
الف)‌در انسان بسیاری از تغییرات ریز ماهواره‏ای موجب تغییر در نشان‌گر های مجاور ناحیه ی ریز ماهواره‏ای نمی‌شود. بنابراین در ایجاد چنین تغییراتی نوترکیبی بی‏تاثیر است. از آنجا که جهش در فرضیه کراسینگ اور نامساوی، وابسته به نوترکیبی است، تغییرات ریز ماهواره ای و عدم تغییر نقاط مجاور با این فرضیه قابل توجیه نیست.
ب)‌نقصان در ژن‏هایی که در نوترکیبی نقش اساسی دارند تاثیری در پایداری ریز ماهواره‏ها ندارد.
ج)‌مطالعات انجام گرفته در ساکارومایسزسرویزیه نشان می‏دهد که پایداری ریز ماهواره‏ها در سلول‏هایی که تقسیم میوز را انجام می‏دهند مشابه با یاخته ها در تقسیم میتوز است. با توجه به اینکه نوترکیبی در میوز بیشتر از میتوز است، پس اگر فرضیه‏ی کراسینگ اور نامساوی صادق باشد، باید ریز ماهواره‏ها در میوز ناپایدارتر از میتوز باشد(23).
1-6 دامنه تنوع واحدهای تکرارشوندهدو مدل متفاوت برای توصیف دامنه‏ی تنوع تعداد واحدهای تکرار شونده‏ی ریز ماهواره‏ای وجود دارد:
1.مدل جهش گام به گام
2. مدل آللی نا محدود
1-6-1 مدل جهش گام به گاماگر فرض کنیم در ریزماهواره‏ها یک گام معادل تغییر در یک واحد تکرار شونده باشد، بنابر این مدل ریز ماهواره‏ها از نظر اندازه فقط در تعداد محدودی گام تفاوت دارند، به‌طوری که هر گام از گام بعدی به وسیله‏ی یک واحد تکرار شونده جدا می‏شود. در این مدل چنین فرض می‏شود که بسیاری از جهش‏های با فراوانی زیاد، فقط ریزماهواره‏ها را در یک گام یا دو گام‌(در یک زمان) تغییر می‏دهند. طرفداران این نظریه معتقدند که در بیشتر آزمایش‏ها، بیشترین تغییر در ساختار ریزماهواره‏ها مربوط به افزایش یا کاهش در یک واحد تکرار شونده بوده است(10).
1-6-2 مدل آللی نا‏محدودبر اساس این مدل هیچگونه محدودیتی در اندازه‏ی پتانسیل ریزماهواره‏ها وجود ندارد. از این رو تعداد نا محدودی از انتخاب‏ها می‌توانند اتفاق بیفتند که تمامی آنها احتمال یکسان را داشته باشند.
بسیاری از پژوهشگران معتقدند که ترکیبی از این دو مدل(عموما تغییر در یک یا دو واحد تکرار شونده و به مقدار کمتر تغییرات بزرگتر) بهتر می‌تواند تغییرات جهشی در ریزماهواره‏ها را توضیح دهد(10).
1-7 مارکرهای STRتوالی‏های تکراری کوتاه پشت سر هم(STRS) ، توالی‏های تکرارشونده کوتاه با طول 1-13 نوکلئوتید هستند که به شکل سر به دم قرار می‏گیرند. در ژنوم انسان، معمول‏ترینSTR ، توالی دو نوکلئوتیدی [CA]n است،که در این فرمول n تعداد تکرارهاست که معمولا بین 5 تا 20 بار متغیر است(24).
1-8 کاربرد مارکرهای STRمارکرهایSTR کاربردهای فراوانی دارد که از مهمترین آنها تعیین هویت افراد است(25). تعیین هویت در موارد بسیاری کاربرد دارد که از جمله‏ی آنها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
1- مطالعات شجره‏ای و روابط فامیلی
2- شناسایی هویت قربانیان حوادث
3- تعیین هویت در موارد جنایی
4- ردیابی تاریخ بشر و مطالعات جمعیتی(26).
1-8-1 مطالعات شجره‏ای و روابط فامیلیاز مارکرهایSTR می توان برای بررسی خویشاوندی دو یا چند نفر استفاده کرد. این نوع مطالعه را آنالیز فامیلی می‌گویند و کاربرد متداول آن در بررسی رابطه والدین ـ فرزندی است(27).
هرساله بیش از 300000 مورد تست ابویت به منظور تعیین رابطه پدر فرزندی در ایالات متحده انجام می‏شود. این تست‏ها معمولا شامل یک مادر، یک کودک و یک یا چند پدر مدعی است. همانطور که می‏دانیم هر فرد دارای دو سری آلل می‏باشد که یک سری آن را از پدر و سری دیگر را از مادر دریافت کرده است. بدین منظور آلل‏های پدر و فرزند برای یافتن تعدادی از جایگاه‏هایSTR مورد بررسی قرار می‏گیرند. اساس این تست بر این است که در فقدان جهش، آلل‏های کودک باید مطابقت کاملی با آلل‏های پدری و مادری داشته باشد(28-29-30).

شکل 1-4 آلل‏های فرزندان مجموعه‏ای از آلل‏های والدین آنها می‏باشد(26).علاوه بر این بسیاری از افراد برای شناسایی اقوام خود از مارکرهایSTR استفاده می‏کنند. برای مثال با آنالیز STR های کروموزومY می توان نسبت فامیلی میان مردان یک خانواده را مشخص کرد. زیرا همان‌طور که می‏دانید کروموزومY توارث پدری دارد و از پدر به تمام پسران به ارث می‌رسد. پس طبیعی است که تمام پسران خانواده در همه‏ی نسل‌هاSTR های یکسانی روی کروموزوم Y خود داشته باشند. آزمایشی که بدین منظور انجام می‏گیرد آزمایش Y-filer نامیده می‏شود. به کمک این آزمایش می‏توان روابط میان برادرها، عمو و برادرزاده و... را مشخص نمود(27-31).
1-8-2 شناسایی هویت قربانیان حوادثفجایع بزرگ، طبیعی یا بدست بشر، می‌تواند جان افراد بسیاری را بگیرد، تست‏‏‏هایی که برای شناسایی قربانیان حادثه انجام می‏شود، تست تعیین هویت قربانیان حادثه نامیده می‏شود. از این تست در مواردی مانند سقوط هواپیما ،آتش سوزی‏های بزرگ و حوادث تروریستی استفاده می‏شود. در این قبیل حوادث با استفاده از اسامی افراد، خانواده‏های آنها شناسایی می‏شوند و پس از مراجعه‏ی خانواده‌ها، از اعضای خانواده شامل پدر، مادر، فرزند، خواهر و برادر نمونه‏ی DNA گرفته می‏شود و نواحی STR آنها بررسی می‏شود. پس از این مرحله با استفاده از DNAبه دست آمده از بقایای اجساد پروفایل ژنتیکی آنها تهیه می‏شود و در نهایت با مقایسه‏ی پروفایل‏های تهیه شده هویت قربانیان شناسایی می‏شود(32).
1-8-3 تعیین هویت در موارد جناییتعیین هویت در موارد جنایی شامل دو بخش می‏باشد:
شناسایی افراد مجهول الهویه
ردیابی مجرمین(25).
1-8-3-1 شناسایی افراد مجهول الهویههر ساله میلیون‏ها نفر در سراسر جهان تحت شرایط مشکوکی مفقود می‏شوند. بسیاری از این افراد قربانی فعالیت‏های مجرمانه از قبیل تجاوز و قتل می‏شوند و هویت آنها ناشناس باقی می‏ماند. در این موارد هم می‏توان از مارکرهای ژنتیکی موجود در DNA افراد برای تعیین هویت آنها استفاده کرد(33).
سه دسته نمونه در مورد افراد قربانی وجود دارد:
1-نمونه مستقیم از فرد قربانی
2-نمونه خانواده قربانی
3-نمونه‌های ناشناس باقی مانده از انسان در صحنه‏ی جرم
این نمونه‏ی باقی مانده می‏تواند استخوان، دندان، بافت، تار مو، لکه ی خون و یا هر چیز دیگری باشد(34).
1-8-3-2 ردیابی مجرمینعلاوه بر این می‏توان از آنالیز DNA برای ردیابی و شناسایی مجرمین استفاده کرد. این که فردی مرتکب جرم و جنایتی بشود و نمونه‌ای از DNA خود را به جا نگذارد، تقریبا غیرممکن است. مو، لکه‌های خون و حتی اثر انگشت، مقادیر بسیار جزئی از DNA را دارند که برای مطالعه با PCR کافی هستند. این بررسی‌ها لازم نیست که بلافاصله انجام شوند، زیرا در سال‌های اخیر، با آزمایش DNA روی مواد بایگانی شده، تعدادی از جنایات گذشته ـ با عنوان پرونده‌های مختومه ـ نیز روشن شده است(35).
باید به خاطر داشته باشیم که یک پروفایل DNA به تنهایی فاقد اعتبار است و کاربردی ندارد. همیشه برای بررسی یک پروفایل DNA نیاز است که یک مقایسه‏ای انجام شود:
1-نمونه ی مورد بررسی که با Q مشخص می شود
2-نمونه شناخته شده که با K نمایش داده می شود
در موارد جنایی، نمونه ی صحنه ی جرم (Q) با نمونه ی فرد مظنون (K) و یا مظانین (K1,K2,K3,K...) مقایسه می شود . در یک مورد بدون مظنون، نمونه ی صحنه ی جرم با نمونه هایی که در اطلاعات کامپیوتری از افراد سابقه دار وجود دارد، بررسی می شود . (K1,K….,KN)(34).

شکل 1-5 شناسائی مجرمین به کمک مارکرهای STR(26).1-8-4 ردیابی تاریخ بشر و مطالعات جمعیتیباستان شناسان با بررسی و مقایسه توالی DNA انسان‌های امروزی با افراد مرده، به کشف منشأ تکاملی انسان امروزی و مسیرهای استقرار انسان در کره زمین می‌پردازند. این زمینه تحقیقاتی آرکئوژنتیک نامیده می‌شود(35).
ردیابی مهاجرت انسانی در طول تاریخ با استفاده از آنالیز DNA روش نوینی است. هدف از این کار تخمین ارتباط میان جمعیت ها بر اساس شباهت‏ها و تفاوت‏هایDNA آنها است. به همین منظور پروژه‏ی عظیمی در سال2005 به منظور ردیابی تاریخ بشر انجام شد که در آن از ده ها هزار نفر از افراد در سراسر جهان آزمایش به عمل آمد. اساس کار بر این مطلب است که اگر تکامل ژنوم‏ها به دلیل انباشتگی جهش ها رخ داده باشد، بنابراین میزان اختلاف در توالی نوکلئوتید های دو ژنوم می تواند زمان حضور جد مشترک آنها را مشخص نماید. انتظار می رود دو ژنومی که اخیرا از یکدیگر جدا شده اند در مقایسه با دو ژنومی که جد مشترک آنها قدیمی‏تر است، اختلاف کمتری داشته باشند(36).
در مطالعه روی یافتن مبدا انسان‏های امروزی و الگوی جغرافیایی مهاجرت‏های بشر از مطالعه‏ی ژن‏ها در جمعیت‏ها می‏توان استفاده کرد. بدین منظور ژن‏های انتخابی جهت بررسی باید دارای گوناگونی باشند. در صورت فقدان گوناگونی ژن‏ها، اطلاعات فیلوژنتیکی بدست نمی‏آید، زیرا همه‏ی افراد حتی اگر به جمعیت‏های مجزایی تقسیم شده باشند که تنها به صورت متناوب با یکدیگر آمیزش داشته‏اند، همچنان دارای همانندی‏های بسیاری خواهند بود. بدین معنی که توالی DNA مورد استفاده در آنالیز فیلوژنتیکی باید از متنوع ترین توالی‏های متغیر باشد(36).
در انسان از سه نوع توالی استفاده می‏شود :
ژن های چند آللی مانند اعضای خانواده‏ی HLA، که اشکال بسیار متفاوتی دارند .
ریز ماهواره‏ها که STR ها نیز جز این گروه به حساب می‏آیند .
DNA میتوکندریایی که به دلیل فقدان سیستم‏های ترمیمی موجود در هسته‌های سلول انسان که نسبتا به سرعت دچار انباشتگی نوکلئوتیدی می‏شوند. انواع مختلف DNA میتوکندریایی موجود در یک گونه را هاپلوگروه می‏نامند(36).
باید توجه نمود که آلل‌ها و هاپلوگروه‌های مختلف به طور هم‌زمان در جمعیت‌ها وجود دارند. به این ترتیب این لوکوس‏ها چند شکلی بوده و به کمک مقایسه ترکیب آلل‌ها و یا هاپلوگروه‌های آنها می‌توان اطلاعات مربوط به وابستگی بین افراد مختلف را بدست آورد. به دلیل جهش‌های ایجاد شده در سلول‏های تولید مثلی هر یک از موجودات، آلل‏ها و هاپلوگروه‏های جدیدی در جمعیت ظاهر می‏شوند. هر یک از آلل‏ها، فراوانی آللی خود را دارند که در طول زمان به دلیل انتخاب طبیعی و تغییر ژنتیکی اتفاقی تغییر می‌کند. انتخاب طبیعی به دلیل تغییر در تناسب (توانائی یک موجود جهت بقا و تولید نسل) رخ می‌دهد و بنابر نظریه‌ی داروین منجر به حفظ انواع مناسب و از بین رفتن انواع زیان آور می‏گردد. به این ترتیب انتخاب طبیعی، فراوانی آلل‏های کاهنده‏ی تناسب را کم کرده و فراوانی آلل‏های افزاینده‌‌ی تناسب را افزایش می‏دهد. در حقیقت در یک جمعیت آلل‏های اندکی ایجاد می‏شوند که تاثیر قابل توجهی بر تناسب موجود داشته باشند، اما هم‌چنان فراوانی آنها به دلیل تغییر ژنتیکی اتفاقی که جز جدا نشدنی طبیعت تولد،تولید مثل و مرگ است در حال تغییر می‏باشد. به دلیل انتخاب طبیعی یا تغییر ژنتیکی اتفاقی ممکن است یک آلل در جمعیت غالب شده و فراوانی آن به صد در صد نیز برسد، به طوریکه این آلل در جمعیت تثبیت شود. اگر یک گونه به دو جمعیت تقسیم شود به طوریکه آمیزش‌های فراوانی بین دو جمعیت رخ ندهد، فراوانی آلل در دو جمعیت به طور مختلف تغییر می‌کند. بنابراین پس از چند ده نسل این دو جمعیت ویژگی‏های ژنتیکی مجزایی را کسب می‏کنند. سرانجام جایگزینی ژنی متفاوتی در این دو جمعیت اتفاق می‏افتد ولی حتی قبل از آن نیز می‏توان از روی اختلاف فراوانی آللی در دو جمعیت، آن دو را از هم باز شناخت(36).
محققان طی سال‏ها تحقیقات در سراسر جهان با استفاده از اصول تئوری اطلاعات، پارامترهای عمومی برای هر جمعیت را به منظور تعیین مقدار اطلاعاتی که مارکرهای STR در جمعیت‏ها به ما می‏دهند، تعریف کردند. در یک نمونه‏گیری از مارکرهای افراد از سراسر جهان، مارکرهایی که بیشترین چندشکلی را در میان جمعیت‏های مختلف داشتند و منحصر به جمعیت‏های خاص بودند، انتخاب شدند .امروزه از این مارکرها برای بررسی تنوع و تفاوت میان جمعیت‏ها استفاده می‏شود(37).
1-9 سایر کاربردهای مارکرهای STRمارکرهای مختلف STR تحت عنوان کیت های تجاری مختلف در کنار تست‏های تعیین هویت کاربردهای گسترده‏ی دیگری دارند که از مهم ترین آنها می‏توان به موارد زیر اشاره کرد:
جمع آوری سلول های جنینی از خون مادر؛
بیماری های نقشه‏ی ژنومی؛
مشخص نمودن خطوط سلولی؛
تعیین هویت افراد استفاده کننده‏ی سرنگ مشترک؛
تشخیص کلون‏های موفق؛
بررسی و نظارت بر روی پیوند عضو؛
تشخیص کایمرهای ژنتیکی؛
تشخیص تومورهای سرطانی(26).
1-9-1 جمع آوری سلول های جنینی از خون مادرهنگامی که یک خانم باردار است تعدادی از سلول‌های جنینی می‏توانند از راه جفت وارد جریان خون مادر شوند. جمع‌آوری این سلول ها که تحت عنوان micro chimerism خوانده می‏شود و بررسی آنها با مارکرهای STR یک روش غیر تهاجمی برای تعیین رابطه‌ی پدر فرزندی است. همچنین با استفاده از این روش می‏توان جنسیت جنین را نیز تعیین نمود(26).
1-9-2 نقشه‏ی ژنوم بیماری‏ها
اسکن ژنوم انسان برای شناسایی نقشه ژنوم بیماری‏ها به طور معمول با استفاده از حدود چهارصد نشان‌گر STR در سراسر ژنوم در فواصل 10 سانتی مورگان انجام می‏شود. مرکز تحقیقات بیماری‏های ارثی در طول سال ها مطالعات و آزمایشات بسیاری را روی صدها نفر با استفاده از مارکرهای STR انجام داده است. هدف از این آزمایشات یافتن ارتباط میان فراوانی آللی در جمعیت های مختلف و بیماری های ژنتیکی بود. در پژوهش‌های صورت یافته ارتباط میان برخی مارکرها و بیماری‏ها مشخص شد. پس از آن از مارکر‏های مذکور می‏توان برای شناسایی تعیین دقیق محل ناشناخته‏ی ژن بیماری استفاده کرد(26).
1-9-3 تعیین هویت افراد استفاده کننده از سرنگ مشترکیکی دیگر از کاربردهای مارکرهایSTR نشان دادن به اشتراک گذاری سرنگ در میان مصرف کنندگان مواد مخدر است. با این روش و با استفاده ازجایگاه D8 آزمایشگاه قادر به تشخیص هویت فرد و یا افرادی است که از یک سرنگ مشترک برای تزریق مواد مخدر استفاده کرده‏اند. با این روش می‏توان هویت شخصی را که منشا انتقال بیماری عفونی بوده و از سرنگ مشترک با سایر افراد استفاده می‏کرده تعیین نمود(26).
1-9-4 تشخیص کلون‏های موفقهنگامی که یک موجود کلون می‏شود ازSTR Typing برای آزمایش آن موجود استفاده می‏شود. برای مثال در کلون کردن موجوداتی مانند سگ و گربه. این روش برای آزمودن میزان موفقیت در کلون کردن به کار می‏رود. اگر یک پروفایل STR یکسان میان موجود کلون شده و سلول‎های مادری اولیه مشاهده نشود، در این صورت کلون کردن موفقیت آمیز نبوده(26).
1-9-5 بررسی و نظارت روی پیوند عضواز کاربردهای دیگر مارکرهای STR، نظارت پیوند سلول‏های پیوند شده بعد از پیوند مغز استخوان است، آزمایش STR از فردی که پیوند گرفته می‏تواند در تشخیص نارسایی پیوند مفید واقع شود(26).
1-9-6 تشخیص کایمرهای ژنتیکیChimerism حضور دو خط سلولی ژنتیکی متفاوت در یک ارگانیسم است که می‏تواند از طریق پیوند سلول‏های بنیادی خونی و یا انتقال خون و یا به طور ارثی در شخص اتفاق بیفتد. در سال 2004 آزمایشی روی افراد دهنده و گیرنده‏ی پیوند انجام شد که توانایی بالای 27 نشان‌گر STR به کار گرفته شده، ازجمله نشان‌گرهای CODIS در تشخیص کایمرها شگفت انگیز بود(26).
1-9-7 مشخص نمودن خطوط سلولیدر آزمایشگاه خطوط سلولی می‏توانند با سایر خطوط سلولی آلوده شوند. در نتیجه ممکن است با هم مخلوط و یا به یکدیگر تبدیل شوند احراز هویت خط سلولی انسان در حال حاضر به وسیله ی سازمانی در آمریکا انجام شده است. به کمک مارکرهای STR می‏توان آلودگی متقاطع بین خطوط سلولی مختلف را به سرعت کشف کرد و همچنین می‏توان برای مشخص کردن خطوط سلولی انسان به عنوان یک مرجع جهانی سود جست. در طول چند سال گذشته بیش از 500 خط سلولی از انسان به کمک این روش و با استفاده از 8 جایگاه STR بدست آمده است(26).
1-9-8 تشخیص تومورهای سرطانیفقدان هتروزیگوسیتی (LOH) پدیده‏ای است که در آن حذف در یک ناحیه‏ی لوکوس منجر به عدم تکثیر در PCR می‏شود، به طوری که یک هتروزیگوت واقعی به عنوان یک هموزیگوت به نظر می رسد. این پدیده در بسیاری از افراد مبتلا به تومورهای سرطانی دیده می‏شود. بررسی روی بافت های سرطانی با بافت نرمال با استفاده از STR نشان می‏دهد که جایگاه های مختلف در بافت سالم ارتفاع بلندتری نسبت به بافت های سرطانی نشان می دهند؛چرا که LOH سبب حذف در آن ناحیه شده است(26).
1-10 روش‏های کلی شناسایی هویت افراد در سطح مولکولیدو روش کلی برای شناسایی هویت افراد در سطح مولکولی عبارتند از:
اثر انگشت ژنتیکی از طریق هیبرید کردن با DNA جستجوگر
تعیین الگوی DNA با PCR توالی‌های کوتاه تکراری(38).
1-10-1 روش انگشت‌نگاری ژنتیکی از طریق هیبرید کردن با DNA جستجوگراولین روشی که در آنالیز DNA با هدف شناسایی افراد به کار رفت، روشی بود که در اواسط دهه 1980 توسط سر آلک جفری از دانشگاه لیستر ارائه شد . این روش براساس نوع دیگری از تنوع ژنوم انسان، موسوم به توالی تکراری بسیار متغیر پراکنده بود. همانگونه که از نام این توالی‌ها بر می‌آید، این توالی‌ها عبارتند از یک توالی تکراری که در جایگاه مختلفی‌(به‌طور پراکنده) از ژنوم انسان وجود دارد. نکته کلیدی این توالی‌ها این است که جایگاه ژنتیکی آنها متنوع است و در افراد مختلف در جایگاه‌های مختلفی از ژنوم قرار دارند(38).
توالی که در ابتدا برای انگشت‌نگاری ژنتیکی بکار رفت، توالی GGGCAGGANG (N: هریک از چهار نوکلئوتید) بود. برای تهیه اثر انگشت یک نمونه، DNA آن را با آنزیم محدودگر برش می‌دهند و قطعات حاصل را با استفاده از الکتروفورز ژل آگارز از هم تفکیک کرده و با آزمون ساترن بلات مورد بررسی قرار می‌دهند. هیبریداسیون با جستجوگری که دارای این توالی بود چند سری از نوارها را مشخص کرد. هریک از این نوارها مربوط به قطعه‌ای از DNA هضم شده بود که دارای این توالی تکراری بود. به دلیل تنوع جایگاه‌های این توالی اگر این آزمون با نمونه DNA فرد دیگری تکرار شود، نتیجه متفاوتی به دست می‌آید و می‌توان نتایج حاصل را انگشت‌نگاری ژنتیک این افراد محسوب نمود . در شکل 1-6 مراحل انگشت نگاری ژنتیکی نشان داده شده است(38).

شکل 1-6 مراحل انگشت نگاری ژنتیکی(38)
1-10-1-1 محدودیت‏های روش انگشت نگاریاین روش در کارهای جنایی خود را بسیار ارزشمند نشان داد اما سه محدودیت داشت:
مقادیر بالایی از DNA برای انجام آزمون مورد نیاز است، زیرا این روش نیازمند آنالیز هیبریداسیون است. برای انگشت‌نگاری نمی‌توان از مقادیر اندک DNA موجود در مو و لکه‌های خون استفاده کرد.
بحث کردن در مورد الگوهای حاصل از انگشت‌نگاری مشکل است، زیرا نوارهای حاصل شدت و ضعف‌های متفاوتی دارند. از نظر قانونی، کوچک‌ترین اختلاف شدت در انگشت‌نگاری ژنتیکی یک متهم برای برائت او کافی است.
با وجود اینکه جایگاه‌های تکراری پراکنده بسیار متنوع هستند، اما اندک احتمالی نیز برای یکسان بودن یا حداقل تشابه الگوی حاصل از دو فرد وجود دارد. این موضوع می‌تواند منجر به برائت یک متهم شود(38).
1-10-2 روش پروفایلینگ
روش قدرتمند پروفایلینگ DNA چنین مشکلاتی را ندارد. در پروفایلینگ از توالی‌های معروف به توالی‌های چند شکلی STR استفاده می‌شود. در این روش، به وسیله PCR با پرایمرهایی که به توالی‌های جانبی STR می‌چسبند، به سرعت می‌توان مقادیر بسیار اندک DNA را افزایش داد. بعد از PCR، محصولات از نظر اندازه نوارها یا وجود نوارهایی که الل‌ یا آلل‌های موجود در نمونه DNAی مورد آزمون هستند، با الکتروفورز ژل آگارز بررسی می‌شوند. روش پروفایلینگ DNA، به دلیل استفاده از PCR بسیار حساس است و امکان انجام آزمون روی مو و دیگر نمونه‌هایی که مقادیر اندکی DNA دارند، فراهم می‌آورد. در نتایج حاصل نیز شکی وجود ندارد و مقایسه میان پروفایل‌های DNA معمولا به عنوان یک مدرک پذیرفته می‌شود. با استفاده از این روش امکان اینکه دو نفر، البته بجز دوقلوهای یکسان، دارای پروفایل‌ مشابهی باشند برابر یک در 1015 می‌باشد. با توجه به جمعیت کره زمین که حدود 109×6 می‌باشد، امکان تشابه آماری پروفایل مربوطه در دو نفر به قدری اندک است که می‌تواند غیرممکن تلقی گردد. نوع هر STR با PCR بوسیله پرایمرهایی که با فلورسنت نشاندار شده‌اند و به دو طرف نواحی تکرار شونده متصل می‌گردند، تعیین می‌شود. سپس الل‌های موجود در STRها با تعیین اندازه به وسیله ژل الکتروفورز موئینه‌ای مشخص می‌شوند. دو یا چند STR می‌تواند با PCR چندگانه مشخص گردد، مشروط به اینکه محصولات از لحاظ اندازه همپوشانی نداشته باشند یا هر جفت پرایمر با فلورسانت متفاوتی نشاندار شده باشند تا امکان تشخیص در ژل الکتروفورز موئینه را داشته باشند. در شکل 1-7 مراحل روش پروفایلینگ نشان داده شده است‌(38).

شکل 1-7 مراحل پروفایلینگ ‌DNA(36).1-11 تاریخچه استفاده از مارکرهایSTR
مارکرهای STRبرای اولین بار به عنوان ابزاری قوی در تست تعیین هویت انسانی در سال 1990 به‌کار گرفته شدند. دستگاه پزشکی قانونی ((FSS مطالعه برای شناسایی جایگاه‌های جدید و ارتباط جایگاه های شناخته شده با تنوع در جمعیت‏ها را آغاز کرد. پس از آن پلیس سلطنتی کانادا (RCMP) به همراه تعدادی از آزمایشگاه‌های اروپا تلاش‌های اولیه را در رابطه با جایگاه های STR آغاز کردند. اولین جایگاه‏های مورد استفاده شامل چهار جایگاه TH01،VWA ، FES/FPS و.F13A1 نسل دوم کیت‌ها ((SGM شامل جایگاه‌های TH01، VWA‌، FGA ،D8S1179 ،D18S51 و D21S11 بود. پایگاه داده‌های ملی DNA انگلستان ((NDNAD در سال 1995 جایگاه ژن آمیلوژنین (برای تعیین جنسیت) را به کیت SGM اضافه کرد. با توجه به تکنولوژی STR Typingو موفقیت‏هایی که در این زمینه در انگلستان به‌دست آمد، FBI درصدد برآمد که با استفاده از لوکوس‌های STR، بنیان CODIS را شکل دهد(41).
1-12 CODIS چیست؟سیستم شاخص اندیس‌دهی ترکیبی CODISشامل سیزده جایگاه STRاست. در شکل 1-8 محل قرارگیری این جایگاه‌ها روی کروموزوم‌های انسان نشان داده شده‌اند. نرم افزار CODIS در سال 1990 به عنوان نرم افزاری برای FBI تاسیس گردید. این نرم افزار در صورت اولیه برای آنالیز پروفایل‏های RFLP مورد استفاده قرار می‏گرفت که در بانک اطلاعاتی قابل جستجو بود. تکنولوژی DNA پزشکی قانونی و تکنولوژی کامپیوتری با یکدیگر ادغام گردیدند و باعث بهبود این نرم افزار شدند و این بهبود در جهت نیاز‌های پزشکی قانونی صورت گرفت. در سال 1997نرم افزار CODIS بر اساس مارکرهای STR طراحی شد. سیزده جایگاه STRکه امروزه تحت عنوان CODIS خوانده می‏شوند، عبارتند‌از:
D8S2179
D21S11
D7S820
CSF1PO
D3S1358
TH01
D13S317
D16S539
VWA
TPOX
D18S51
D5S818
FGA (42).

شکل 1-8 جایگاه‌های CODIS روی کروموزوم های انسان(25).1-13 کیت مورد استفاده در تعیین هویت
برای تعیین هویت از کیتAmp FI STR Identifiler PCR Amplification استفاده می‌شود، که حاوی 15 جایگاه تترانوکلئوتید STRبه همراه مارکر آمیلوژنین که برای تشخیص جنسیت به کار می‏رود می‏باشد. از این پانزده جایگاه، سیزده جایگاه، جایگاه‌های شناخته شده‏ی سیستم اندیس دهی ترکیبی‌(CODIS) هستند، اما علاوه بر آنها دو جایگاه دیگر هم در این کیت گنجانده شده است. جدول(۱-1) نشان دهنده‌ی نام جایگاه‏های موجود در CODIS، به همراه موقعیت کروموزومی هر یک از جایگاه‏ها و آلل‏های موجود در هر جایگاه است(43).
جدول 1-1 جایگاه‏های موجود در کیت ABIآلل‌های موجود در هر جایگاه موقعیت کروموزومی نام جایگاه
8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19 8 D8S2179
24,24.2,25,26,27,28,28.2,29,29.2,
30,30.2,31,31.2,32,32.2,33,33.2,
34,34.2,35,35.2,36,37,38 21q11.2-q21 D21S11
6,7,8,9,10,11,12,13,14,15 7q11.21-22 D7S820
6,7,8,9,10,11,12,13,14,15 5q33.3-34 CSF1PO
12,13,14,15.16,17,18,19 3p D3S1358
4,5,6,7,8,9,9.3,10,11,13.3 11p15.5 TH01
8,9,10,11,12,13,14,15 13q22-31 D13S317
5,8,9,10,11,12,13,14,15 16q24-qter D16S539
15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,
26,27,28 2q35-37.1 D2S1338
9,10,11,12,12.2,13,13.2,14,14.2,15,
15.2,16,16.2,17,17.2 19q12-13.1 D19S433
11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,
22,23,24 12p12-pter VWA
6,7,8,9,10,11,12,13 2p23-2per TPOX
7,9,10,10.2,11,12,13,13.2,14,14.2,
15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25
26,27 18q21.3 D18S51
X,Y Amelogenin
7,8,9,10,11,12,13,14,15,16 5q21-31 D5S818
17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,26.2
27,28,29,30,30.2,31.2,32.2,33.2,
42.2,43.2,44.2,45.2,46.2,47.2,48.2
50.2,51.2 4q28 FGA
1-14 معرفی استان‏ها1-14-1 استان کرمانشاه
کرمانشاه یکی از باستانی‌ترین شهرهای ایران است و بر اساس افسانه ها توسط طهمورث دیوبند - پادشاه افسانه‌ای پیشدادیان ساخته شده است. برخی از مورخین بنای آن را به بهرام پادشاه ساسانی نسبت می‌دهند. کرمانشاه در زمان قباد اول و انوشیروان ساسانی به اوج عظمت خود رسید. در اوایل حکومت شاه اسماعیل صفوی سلطان مراد آق قویونلو با 70 هزار نفر کرمانشاه و همدان را اشغال کرد. صفویه برای جلوگیری از تجاوز احتمالی امپراطوری عثمانی این شهر را مورد توجه قرار داد. در زمان شیخ علیخان زنگنه صدر اعظم صفوی به آبادانی و رونق کرمانشاه افزوده شد. تاورنیه، جهانگرد و بازرگان فرانسوی، درباره کرمانشاه چنین نوشته‌ است: ” هم زمان با حمله افغان و سقوط اصفهان که طومار فرمانروایی خاندان صفوی در نوردیده شد، کرمانشاه به جرم قرب جوار، با تهاجم عثمانی‌ها مواجه گردید و بار دیگر شهر رو به خرابی نهاد.“ نادر شاه به منظور آمادگی در مقابل تجاوز عثمانی‌ها، به این شهر توجهی خاص مبذول داشت. در زمان نادر شاه این شهر مورد هجوم عثمانی‌ها قرار گرفت. اما نادرشاه عثمانی‌ها را به عقب راند، ولی در اواخر زندگی نادرشاه، کرمانشاه با محاصره و تاراج عثمانی‌ها مواجه شد. کرمانشاه در عهد زندیه دستخوش آشوب فراوانی گردید. به طوری‌که درکتاب ”تحفه العالم“ عبدالصیف جزایری از کرمانشاه به عنوان خرابه نام برده شده است. در دوره قاجار تا حدی از حملات عثمانی‌ها به ناحیه کرمانشاه کاسته شد. در سال 1267ه.ق، امام قلی میرزا از طرف ناصرالدین شاه به سرحدداری کرمانشاه منصوب شد و مدت 25 سال در این شهر حکومت کرد و در همین دوره بناهایی را احداث و به یادگار گذاشت. این شهر در جنبش مشروطه سهمی به سزا داشت و در جنگ جهانی اول و دوم به تصرف قوای بیگانه درآمد و پس از پایان جنگ تخلیه شد. در نتیجه جنگ تحمیلی عراق علیه ایران، این شهر خسارات زیادی دید و پس از جنگ اقدامات مؤثری در جهت بازسازی آن صورت گرفت. در حال حاضر شهر کرمانشاه، مرکز استان کرمانشاه یکی از هفت کلانشهر کشور(تهران، مشهد، اصفهان، تبریز، شیراز، کرمانشاه و اهواز) است‌(44).
1-14-1-1 موقعیت جغرافیایی
استان کرمانشاه در موقعیت ۳۴ درجه شرقی و ۴۷ درجه شمالی شمالی قرار دارد. از شمال به کردستان، از غرب به کشور عراق، از شرق به استان لرستان و همدان و از جنوب به استان ایلام محدود می گردد. شهرستان‌های این استان عبارت‌اند از: اسلام‌آباد غرب، سنقر، پاوه، صحنه، ثلاث باباجانی، قصر شیرین، جوانرود، دالاهو، روانسر، کرمانشاه، کنگاور، گیلان غرب، سر‌پل ذهاب، هرسین. در شکل1-13 استان کرمانشاه به همراه شهرستان‌های آن دیده می‌شود(44).

شکل 1-9 موقعیت جغرافیائی استان کرمانشاه)44.(1-14-2 استان یَزدیزد سرزمینی کهن با پیشینه‌ای در خور توجه، در تاریخ پر فراز و نشیب ایران است. نام یزد برای اولین بار در آثار دوره‌ی ماد‌ها (701 تا 550 قبل از میلاد) دیده می‌شود که گواهی بر قدمت سه هزار ساله‌ی این سرزمین است. در دوره‌های هخامنشی، اشکانی و ساسانی نیز در اسناد و کتیبه‌ها بار‌ها به نام یزد برمی‌خوریم(45).
حسن پیر‌نیا، در کتاب خود،"ایران باستان"،به نقل از تاریخ هرودوت، مورخ یونانی(484 تا 420 قبل از میلاد)، بر مبنای کتیبه‌های داریوش، یزد را بنا بر رسم یونانیان، به نام ایساتیس می‌خواند. وی می‌افزاید: یزد در عصر اشکانی در قلمرو حکومت مهرداد اول بود و در این شهر به نام او سکه ضرب می‌کردند. در دوره‌ی پادشاهی اردشیر بابکان، (241-224‌م) بنیان‌گذار سلسله‌ی ساسانی، یزد زیر نفوذ او بود. پس از ظهور اسلام و فروپاشی دولت ساسانی، در زمان خلافت عمر، و به روایت برخی، در دوران عثمان (دهه ی سوم هجری)، شهر یزد و نواحی آن فتح شد. از آن زمان تا پایان حکومت امویان، فرمانروایان عرب بر این ولایت حکم‌رانی می‌کردند. چنان‌که آمده است، در دوران خلافت حضرت علی(ع)، مسلم ابن زیاد، والی فارس، مالیات یزد را هم می‌گرفت. چنین بود تا هنگامی‌که به‌دست خود ایرانیان، حکومت های مستقل و نیمه مستقلی تشکیل شد و فرمانروایان ایرانی بر ولایت یزد حاکم شدند(45).
مرکز این استان، شهر یزد است. یزد منطقه‌ای خشک و بیابانی است. گروه بزرگی از زرتشتیان ایران در استان یزد و بویژه شهر یزد زندگی می‌کنند. زبان مردم استان یزد فارسی با لهجه یزدی است. آبادی نشینی در این منطقه از قدمت طولانی برخوردار است. این سرزمین از گذرگاه‌های مهم در ادوار تاریخی محسوب می‌شده‌ است. این ناحیه در دوره هخامنشیان از راه‌های معتبر موسسه‌های راهداری، مراکز پستی و چاپاری برخوردار بوده‌است. راهداری در یزد قدیم چنان اهمیتی داشت که خاندان آل مظفر از منصب راهداری ناحیه میبد به پادشاهی رسیدند. با این‌همه این استان از درگیری‌ها و جنگ‌های تاریخ کشور ایران تا حدودی ایمنی داشته‌است. سخت‌گذر بودن راه‌ها به همراه محدودیت منابع آبی مانع عمده تسخیر این منطقه توسط بعضی از حکومت های بزرگ و کوچک حاشیه و پیرامون این منطقه در طول تاریخ بوده‌است. همان طور که در شکل 1-14 دیده می شود استان یزد دارای شهرستان های ابرکوه، اردکان، بافق، بهاباد، تفت، خاتم، صدوق، طبس، مهریز، میبد و یزد می باشد که شهرستان های مهریز و تفت از آب و هوای خوبی برخوردار می باشد (45).
1-14-2-1 موقعیت جغرافیایی
استان یزد در مرکز ایران در قلمرو سلسله جبال مرکزی ایران بین عرض های جغرافیایی 29 درجه و 48 دقیقه تا 33 درجه و 30 دقیقه شمالی و طول جغرافیایی 52 درجه و 45 دقیقه تا 56 درجه و 30 دقیقه شرقی از نصف النهار مبدا قرار گرفته است. استان یزد از سرزمین‌های تاریخی است که در میان ایالت های قدیمی و بزرگ پارس، اصفهان، کرمان و خراسان قرار داشته‌است(45).

شکل 1-10 موقعیت جغرافیائی استان یزد(45).1-15 هدف از تحقیق:آنچه که باعث استفاده از مارکرهای STR در جمعیت شناسی شده است، این واقعیت است که درجه فراوانی آللی هر مارکر STR در هر جمعیت منحصر به فرد است. در حقیقت طبق مطالعات انجام شده فراوانی آلل‏های STR در نژاد‏های مختلف و حتی در مناطق جغرافیایی خاص، تفاوت‏هایی را نشان داده است. بنابراین بررسی هر یک از لوکوس های STR در هر نژاد یا جمعیت خاص برای تفسیر صحت نتایج حاصل از انجام آزمایش های تعین الگوی ژنتیکی به کمکSTR و انجام محاسبات آماری مربوطه امری ضروری است. برای بهره گیری از فواید این فناوری نوپا در زمینه‏ی تشخیص افراد، ضروری است تا فراوانی آللی لوکوس‏هایSTR مختلف در جمعیت بومی کشور مورد بررسی قرار گیرند (45).
مطالعات گذشته روی جمعیت های ایرانی، حضور تعدادی از آلل‏ها را با پلی مورفیسم بالا نشان می‏دهد‌(37-46.)
هدف از این مطالعه به دست آوردن پارامترهای جمعیتی بر اساس فراوانی آللی به دست آمده از شانزده جایگاه STR، در جمعیت‏های کرمانشاه و یزد به منظور بررسی تفاوت ژنتیکی میان این دو جمعیت و سایر جمعیت‏ها می‏باشد.

فصل دوم
2-1 نمونه‌گیریبرای نمونه‌گیری از اقوام کرد و یزد از نمونه هایی که به آزمایشگاه ژنتیک پزشکی تهران رجوع می‌کردند، استفاده شد. پس ازکسب رضایت نامه 4 میلی لیتر خون محیطی از افراد غیر خویشاوند بر اساس محل تولد و اطلاعات مربوط به سه نسل گذشته (پدری و مادری) تهیه شد و در لوله‌های حاوی ماده ضد انعقاد (EDTA) ریخته شد برای تکمیل نمونه‌های یزدی از همکاری آزمایشگاهی در یزد استفاده گردید و برای نمونه‌های کرد به استان کرمانشاه رفته و از آزمایشگاه بیمارستان طالقانی نمونه‌گیری به عمل آمد.
2-2 استخراج DNA به روش نمک اشباعاستخراج DNA با استفاده از روش استاندارد نمک اشباع طبق مراحل زیر انجام شد:
۱- ۳ میلی لیتر از نمونه‌ی خون محیطی حاوی ماده‌ی ضد انعقاد EDTA، داخل فالکون ۱۵ میلی لیتری ریخته شد و با استفاده از آب مقطر سرد به حجم ۱۰ میلی لیتر رسانده شد. سپس فالکون به شدت حرکت داده شد این کار جهت لیز بهتر گلبول‌های قرمز از طریق فرآیند تورژسانس می‌باشد. سپس نمونه را در دستگاه EBA 20 Hettich zentrifugen به مدت ۱۰ دقیقه با دور ۵۰۰۰ سانتریفیوژ شد و محلول رویی خارج گردید و رسوب انتهایی فالکون نگه داشته شد.
۲- با افزودن آب مقطر سرد به رسوب، حجم آن به ۱۰ میلی لیتر رسانده شد و مجدداً با همان شرایط ذکر شده آن را سانتریفیوژ گردید و رسوب حاصل که حاوی گلبول‌های سفید است نگه داشته شد.
۳- پس از افزودن ml10 محلول I استخراج DNA به رسوب، حجم آن به ۱۰ میلی لیتر رسانده شد. سپس در شرایط ذکر شده آن را سانتریفوژ کرده و محلول رویی آن دور ریخته شد.
جدول2-1 محلولI استخراج DNA (محلول لیز کننده گلبول‌های قرمز)غلظت مواد
10 mM Tris-Hcl: pH:7.5
0.32 mM Sacarose
5 mM MgCl2
%1 Triton X-100
4-5/۱ میلی لیتر از محلول II استخراج DNA(از قبل تهیه شده به شرح زیر)، lμ ۲۵ سدیم دو دسیل سولفات ‌ SDS و lμ ۲۰ پروتئیناز K به رسوب سفید رنگ انتهای فالکون افزوده شد.
جدول 2-2 محلول II استخراج DNA (محلول لیز کننده گلبول‌های سفید)غلظت مواد
10 mM Tris-HCl: pH:8.2
2mM EDTA: pH:8
0.45mM NaCl
۵- نمونه‌ها به مدت ۳۰ تا ۴۵ دقیقه در دمایc° ۵۶ و یا به مدت یک شب در دمایc° ۳۷ در انکوباتور قرار داده شد تا رسوب حل شود.
۶- پس از افزودن lμ ۵۰۰ نمک اشباع به نمونه، به آرامی تکان داده شد و به مدت ۱۰ دقیقه در ۴۰۰۰ دور سانتریفیوژ شد. سپس محلول رویی به یک فالکون حاوی ۲ میلی لیتر اتانول خالص (۱۰۰ درصد) انتقال یافت و به آرامی حرکت داده شد تا کلاف DNA شکل بگیرد.
۷- کلاف DNA توسط سمپلر به درون یک ویال حاوی ۱ میلی لیتر الکل ۷۰ درصد انتقال یافت تا الکل 100 خارج شود. در مرحله‌ی بعدی ویال را به مدت ۳ دقیقه در ۱۳۰۰۰ دور در دستگاه 20 Hettich zentrifugen Mikro سانتریفیوژ گشت.
۸- محلول رویی دور ریخته شد و ویال حاوی DNA به مدت ۵ دقیقه در انکوباتور قرار داده شد تا اتانول کاملاً تبخیر گردد.
۹- بر حسب میزان DNA بین ۵۰ تا ۳۰۰ ماکرولیتر TE به آن افزوده و به مدت یک شب در انکوباتور C°۳۷ قرار داده شد تا DNA به طور کامل حل شود.
جدول 2-3 ترکیبات TEغلظت محتویات
10mM Tris-Hcl, PH:7.6
1mM EDTA, PH:8
2-3 آماده‌سازی نمونه‌ها جهت انجام تست DNA Typingدر هر واکنش Multiplex PCR بهتر است از lμ ۵ نمونه‌ی DNA انسانی با غلظت ng ۱۰۰-50 استفاده شود. اگر‌چه حساسیت آنالیزی این روش در حد ng۵۰-20 از DNA می‌باشد. روش استخراج و نگهداری DNA می‌تواند روی نتایج PCR تأثیر گذار باشد. این روش نیاز به کیت خاصی برای استخراج DNA ندارد با این وجود توجه به این مسئله که در نمونه‌ها غلظت بالایی از آلودگی با نمک وجود نداشته باشد حائز اهمیت است. در این روش نباید از خون هپارینه استفاده شود زیرا هپارین می‌تواند ممانعت کننده‌ی مرحله‌ی PCR باشد. نمونه‌ی DNA را باید در TE حل کرد. pH نمونه‌ی DNA باید بین ۸ تا ۵/۸ باشد تا از دپوریناسیون در طی مرحله‌ی حرارت دادن اولیه جلوگیری شود. بهتر است در صورتی‌که قصد نگهداری طولانی مدت نمونه‌های DNA را داشته، نمونه را در دمای C°۲۰- نگهداری کرد. اگرچه DNA پس از حل شدن در TE به شدت پایدار است اما نگهداری طولانی مدت آن در دمای C °۴ ممکن است منجر به آلودگی آن با میکروارگانیسم‌ها شود .
۲-3-1 رسوب گذاری با اتانولبا توجه به این مسئله که نتایج مربوط به روش STR در نهایت با یکدیگر مقایسه می‌شوند، بهتر است نمونه‌های انتخاب شده از یک نوع بافت گرفته شوند و با روش یکسانی استخراج شوند. در مواردی که از نمونه‌های DNA قدیمی یا نمونه‌هایی با کیفیت نامناسب استفاده می‌شود و یا مواقعی که غلظت DNA مورد استفاده کمتر از ng/µl۴ است، روش‌های خالص سازی DNA مانند روش رسوب گذاری با اتانول، می‌تواند سبب بهبود کیفیت نمونه‌ها و ایجاد نتایج بهتر و مطمئن‌تری شود. استفاده از روش رسوب گذاری با اتانول آلودگی‌های ناشی از یون‌ها، نمک‌ها، اتانول و... را کاهش می‌دهد. غلظت نمک (NaCl)، نباید بیشتر از mM ۶۰ باشد تا دناتوراسیون به طور کامل انجام شود. هم‌چنین غلظت EDTA نباید بیش از mM۱ باشد زیرا EDTA به منیزیوم متصل شده و مانع انجام مرحله‌ی PCR می‌گردد. ناخالصی‌های یونی مانند آهن، اتانول و فنل نیز باعث کاهش فعالیت پلی‌مراز می‌گردند.
رسوب‌گذاری با اتانول به شیوه زیر بر روی نمونه‌ها انجام گرفت.

–391

از جناب آقای دکتر سعید جامه بزرگی و نیز سرکارخانم دکتر سیده نگار موسوی هم کمال تشکر را دارم.
همچنین از جناب آقای دکتر علی فرقانیها برای پذیرش زحمت داوری این پایان نامه سپاسگزاری میکنم.
در آخر برخود لازم میدانم از همه اساتید ارجمندی که در طول تحصیل، از محضرشان بهرههای علمی بردهام تشکر نمایم.
2691765-22479000
معاونت پژوهش و فن آوریمنشور اخلاق پژوهش
با یاری از خداوند سبحان و اعتقاد به این که عالم محضر خداست و همواره ناظر بر اعمال انسان و به منظور پاس داشت مقام بلند دانش و پژوهش و نظر به اهمیت جایگاه دانشگاه در اعتلای فرهنگ و تمدن بشری،ما دانشجویان و اعضای هیئت علمی واحدهای دانشگاه آزاد اسلامی متعهد می گردیم اصول زیر را در انجام فعالیت های پژوهشی مد نظر قرار داده و از آن تخطی نکنیم:
1) اصل برائت : التزام به برائت جویی از هرگونه رفتار غیر حرفه ای و اعلام موضع نسبت به کسانی که حوزه علم و پژوهش را به شائبه های غیر علمی می آلایند.
2) اصل رعایت انصاف و امانت : تعهد به اجتناب از هر گونه جانب داری غیر علمی و حفاظت از اموال، تجهیزات و منابع در اختیار.
3) اصل رعایت حقوق : التزام به رعایت کامل حقوق پژوهشگران و پژوهیدگان(انسان،حیوان و نبات) و سایر صاحبان حق.
4) اصل احترام : تعهد به رعایت حریم ها و حرمت ها در انجام تحقیقات و رعایت جانب نقد و خودداری از هر گونه حرمت شکنی.
5) اصل رازداری : تعهد به صیانت از اسرار و اطلاعات محرمانه افراد،سازمان ها و کشور و کلیه افراد و نهادهای مرتبط با تحقیق.
6) اصل حقیقت جویی : تلاش در راستای پی جویی حقیقت و وفاداری به آن و دوری از هرگونه پنهان سازی حقیقت.
7) اصل ترویج : تعهد به رواج دانش و اشاعه نتایج آن به همکاران علمی و دانشجویان به غیر از مواردی که منع قانونی دارد.
8) اصل مالکیت مادی و معنوی : تعهد به رعایت کامل حقوق مادی و معنوی دانشگاه و کلیه همکاران پژوهش.
9) اصل منافع ملی : تعهد به رعایت مصالح ملی و در نظر داشتن پیشبرد و توسعه کشور در کلیه همکاران پژوهش.
2663825-19050000
دانشگاه آزاد اسلامی تاریخ: ............ استان مرکزی- اراک شماره:..............
پیوست:...........
"تعهد نامه اصالت رساله یا پایان نامه"
اینجانب: وحید مرادی دانشجوی مقطع کارشناسی ارشد ناپیوسته در رشته: شیمی- آلی با شماره دانشجویی: 890631843 که در تاریخ: 4/7/91 از پایان نامه خود تحت عنوان: : مطالعه اثرات استریوالکترونی موثر بر خواص پیکربندی 1و2-دیفنیل دیآزن ، -دیفسفن ، -دیآرسن و -دیاستیبن با روش های مکانیک کوانتومی آغازین و تحلیلNBO با کسب نمره: 93/19
و درجه: عالی دفاع نموده ام بدینوسیله متعهد می شوم:
1- این پایان نامه حاصل تحقیق و پژوهش انجام شده توسط اینجانب بوده و در مواردی که از دستاوردهای علمی و پژوهشی دیگران (اعم از پایان نامه، کتاب، پروژه - ریسرچو ...) استفاده نموده ام، مطابق ضوابط و رویه موجود، نام منبع مورد استفاده و سایر مشخصات آن را در فهرست مربوطه ذکر و درج کردهام.
2- این پایان نامه قبلاً برای دریافت هیچ مدرک تحصیلی (هم سطح، پایین تر یا بالاتر) در سایر دانشگاهها و موسسات آموزش عالی ارائه نشده است.
3- چنانچه بعد از فراغت از تحصیل، قصد استفاده و هرگونه بهره برداری اعم از چاپ کتاب، ثبت اختراع و ... از این پایان نامه داشته باشم، از حوزه معاونت پژوهشی واحد مجوزهای مربوطه را اخذ نمایم.
4- چنانچه در هر مقطعی زمانی خلاف موارد فوق ثابت شود، عواقب ناشی از آن را میپذیرم و واحد دانشگاهی مجاز است با اینجانب مطابق ضوابط و مقرات رفتار نموده و در صورت ابطال مدرک تحصیلیام هیچ گونه ادعایی نخواهم داشت.
نام و نام خانوادگی: وحید مرادی
تاریخ و امضا
1682753174900
گواهی امضادانشجوی فوق الذکر احراز هویت شد فقط امضای ایشان گواهی میگردد.
نام و نام خانوادگی رئیس پژوهش دانشکده
تاریخ و امضا
اراک –میدان امام خمینی-بلوارامام خمینی(ره)-شهرک دانشگاه آزاداسلامی- صندوق پستی 567/38135
فهرست مطالب
عنوان صفحه
فصل اول: مقدمه
1-1-مقدمه2
1-2-بررسیهای انجام شده در این پروژه4
1-3- کامپیوتر و شیمی کوانتوم7
1-4-معرفی برنامههای کامپیوتر8
1-4-1-نرم افزار گوسین8
1-4-2-نرم افزار گرافیکیChem 3D9
1-4-3-برنامه اوربیتال مولکولی MOPAC9
فصل دوم : تاریخچه
2-1-مقدمه12
2-2-پیدایش13
2-3-ترکیبات اولیه16
2-4-مطالعات گذشته18
2-5-نتیجه31
فصل سوم : محاسبات شیمیایی
3-1-مقدمه34
عنوان صفحه
3-2-محاسبات شیمیایی35
3-2-1- روش‌های محاسباتی براساس مکانیک کلاسیک36
3-2-2- روش‌های محاسباتی براساس مکانیک کوانتومی39
3-2-2-1-روشهای نیمه تجربی40
3-2-2-2-روش‌های مکانیک کوانتومی آغازین42
3-3- تقریب بورن اپنهایمر43
3-4- روش‌های مبتنی بر اوربیتال مولکولی45
3-4-1- روش هارتری- فاک45
3-4-1-1-محدودیت‌های روش هارتری- فاک47
3-4-2- روش‌های ارتباط الکترونی(EC)48
3-5- روش‌های مبتنی بر توابع دانسیته50
3-5-1- تقریب دانسیته موضعی53
3-5-2- تصحیح شیب دانسیته54
3-5-3-روش پیوستگی آدیاباتیک( ACM)55
3-6-سری‌های پایه57
3-6-1- اوربیتال‌های اسلیتری و گوسی58
3-6-2-طبقه‌بندی سری‌های پایه60
3-6-2-1- سری‌های پایه کمینه62
عنوان صفحه
3-6-2-2- سری‌های پایه پاپل63
3-6-2-2-1- توابع پلاریزه‌کننده و پخش‌کننده65


3-6-2-3-سری‌های پایه پتانسیل‌های مغزی مؤثر66
3-6-2-4-سری پایه دانینگ67
3-7-اوربیتال‌های پیوند طبیعی67
3-7-1- ساختار برنامه NBO70
3-8-مقایسه روش‌های مکانیک کوانتومی71
3-9-روش کار73
3-9-1- تهیه فایل دادهها73
3-9-2- نحوه محاسبات برنامه MOPAC74
3-9-3- بهینه سازی ساختار هندسی74
3-9-4- شرح روش کار محاسبات کامپیوتری75
3-10- روش کار با نرم افزار گوسین79
3-10-1- هدف اصلی از انجام محاسبات80
3-10-2- روش محاسبه80
3-10-3- مجموعه پایه80
3-10-4-طرز کار80
عنوان صفحه
فصل چهارم : نتایج وبحث
4-1- مقدمه85
4-2- نتایج حاصل از محاسبات89
4-2-1- بررسی انرژی آزاد گیبس89
4-2-2- بررسی اثر آنومری تعمیم یافته90
4-2-3- بررسی ممان دوقطبی97
4-2-4- بررسی پارامترهای ساختاری100
4-3- نتیجه گیری103
مراجع
چکیده انگلیسی
فهرست شکل ها
عنوان صفحه
شکل 1-1- HYPERLINK "file:///G:/Documents%20and%20Settings/saye01/Desktop/1-3.doc"HYPERLINK "file:///G:/Documents%20and%20Settings/saye01/Desktop/1-3.doc" طرحی از مولکولهای مورد مطالعه در پیکربندیهای سیس و ترانس5شکل 2-1- اولین دیفسفن پایدار سنتز شده14
شکل 2-2- سیستم HX=XH دارای پیوند دوگانه16
شکل 2-3- ایزومریزاسیون سیس- ترانس آزوینزن19
شکل 2-4- شماتیک حالات انتقالات برای ایزومریزاسیون حرارتی سیس-ترانس آزوینزن20
شکل 2-5- واریانس انرژی(a) و جمعیت الکترونی (b)مربوط به اوربیتالهای HOMO و LUMO نسبت به زمان20
شکل 2-6- واریانس زوایای پیچشی CNNC (a) و زوایای پیوندی CNN (b) نسبت به زمان21
شکل 2-7- طیف UV/vis آزوینزن21
شکل 2-8- ΔE(E-Z) پیوند دوگانه X=Y22
شکل 2-9- پارامترهای مهم هندسی ترانس-دیفنیل دیفسفن (Ph-P=P-Ph)24
شکل 2-10- شماره گذاری اتمها برای دیفنیل دیفسفن و همچنین برای دیفنیل دیآزن27
شکل 2-11- زاویه و طول پیوند در ترانس و سیس آزوبنزن29
شکل 2-12- پارامترهای ساختاری برای فرم ترانس مولکول Ph-E = E-Ph30
شکل 2-13- پارامترهای ساختاری برای فرم ترانس مولکول Ph-E = E-Ph 30
عنوان صفحه
شکل 3-1- مقایسه توزیع اوربیتال‌های اسلیتری (a) و گوسی (b) در اطراف هسته60
شکل 3-2- مقایسه یک تابع STO با اوربیتال‌های نوع گوسی----------------------------------------------60
شکل 3-3- مقایسه سری‌های پایه STO-nG با یکدیگر63
شکل 3-4- سری پایهSTO-3G به عنوان متداولترین سری پایه کمینه63
شکل 3-5- انحراف برهم‌کنش donor-acceptor 69
شکل 3-6- ساختار برنامه NBO70
شکل 3-7- نمایی از محیط کار در نرم افزار Chem3D75
شکل 3-8- نمایی از Z-ماتریکس برای مولکول 1و2-دیفنیل دیفسفن76
شکل 3-9- نمایی از محیط کار در نرم افزار Chem3D76
شکل 3-10- نمایی از پنجره ورودی اطلاعات برای انجام محاسبات در مولکول 1و2-دیفنیل دی فسفن 77
شکل 3-11- نمایی از پنجره اطلاعات خروجی بعد از محاسبات در مولکول 1و2-دیفنیل دیفسفن 77
شکل 3-12- نمایی از پنجره ورودی اطلاعات برای انجام محاسبات NBOدر مولکول 1و2-دیفنیل دیآرسن78
شکل 3-13- نمایی از اطلاعات خروجی از محاسبات NBO در مولکول 1و2-دیفنیل دیفسفن78
شکل 3-14- نمایی از محیط کار گوسین79
شکل 3-15- نمایی از محیط کار در گوسین برای وارد کردن اطلاعات اولیه و اصلی81
شکل 4-1- انتقالات مورد بررسی در پیکربندی سیس و ترانس ترکیبات 1 تا 491
شکل 4-2- مقادیر انرژی پایداری حاصل از انتقالات الکترونی (E2) مربوط به ترکیبات 1 تا 492
عنوان صفحه
شکل 4-3- اثر آنومری تعمیم یافته GAE در ترکیبات 1 تا 496
شکل 4-4- جهت بردارهای ممان دوقطبی در پیکربندی سیس و ترانس ترکیبات 1 تا 499
شکل 4-5- شماره گذاری اتمها در پیکربندی سیس و ترانس ترکیبات 1تا 4100
شکل 4-6- طول پیوند برای پیکربندی سیس و ترانس 1و2-دیفنیل دیآزن102
شکل 4-7- طول پیوند برای پیکربندی سیس و ترانس 1و2-دیفنیل دیفسفن102
شکل 4-8- طول پیوند برای پیکربندی سیس و ترانس 1و2-دیفنیل دیآرسن102
شکل 4-9- طول پیوند برای پیکربندی سیس و ترانس 1و2-دیفنیل دیاستیبن103
فهرست جداول
عنوان صفحه
جدول 2-1- طول پیوند و زاوایای پیوندی چندین نمونه بررسی شده از دیفسفن15
جدول 2-2- طول پیوند و زاوایای پیوندی چندین نمونه بررسی شده از دیآرسن و دیاستیبن16
جدول 2-3- انرژیهای کل و نسبی سیستمهای HX=XH17
جدول 2-4- پارامترهای ساختاری برای سیستمهای HX=XH17
جدول 2-5- مقایسه طول پیوند تعادلی (Re) و زاویه (Φx) برای سیستمهای HX=XH17
جدول2-6- محاسبه پارامترهای ساختاری برای دیفسفن و دیآرسنهای مختلف25
جدول2-7- پارامترهای ساختاری و ممان دوقطبی برای ترانس و سیس آزوبنزن26
جدول2-8- پارامترهای مهم ساختاری بهینه شده دیفنیل دیفسفن27
جدول2-9- پارامترهای مهم ساختاری بهینه شده دیفنیل دیآزن28
جدول2-10- پارامترهای ساختاری بهینه شده برای RE=ER28
جدول 2-11- خواص فیریکی و مقادیر طول پیوند دوگانه تجربی برای مولPh-E=E-Ph31
جدول 4-1- مقادیر توابع ترمودینامیکی برای ساختارهای بهینه شده ترکیبات 4-1106
جدول 4-2- انرژی رزونانسی انتقالات الکترونی دهنده-گیرنده برای ساختارهای بهینه شده ترکیبات 4-1107
جدول 4-3- انرژی ΔEijوانتگرال همپوشانی(Fij) انتقالات الکترونی دهنده-گیرنده برای ترکیبات 4-1108
جدول 4-4- مقادیر ممان دوقطبی(µ) برای ساختارهای بهینه شده ترکیبات 4-1109
جدول 4-5- جمعیت الکترونی اوربیتالهای دهنده-گیرنده برای ساختارهای بهینه شده ترکیبات 4-1110
عنوان صفحه
جدول4-6- انرژی اوربیتال های پیوندی و ضد پیوندی برای ساختارهای بهینه شده ترکیبات 4-1111
جدول4-7- پارامترهای ساختاری برای ترکیبات 4-1112
چکیده
مطالعه اثرات استریوالکترونی موثر برخواص پیکربندی 1و2-دیفنیل دیآزن ، -دیفسفن ، -دیآرسن و –دیاستیبن با استفاده از روشهای مکانیک کوانتومی آغازین و تحلیلNBO
توسط: وحید مرادی
بر پایه روش (B3LYP/Def2-TZVPP) و تحلیل NBO خواص پیکربندی 1و2-دیفنیل دیآزن(1) ، 1و2-دیفنیل دیفسفن(2) ، 1و2-دیفنیل دیآرسن(3) و 1و2-دیفنیل دیاستیبن(4) بررسی شد. نتایج حاصل نشان داد که اختلاف انرژی آزاد گیبس (GTrans-Cis)Δ در دمای 298.15 درجه کلوین و فشار یک اتمسفر بین پیکربندی ترانس و سیس از ترکیب 1 به ترکیب 4 کاهش مییابد. روش B3LYP/Def2-TZVPP پایداری پیکربندی ترانس ترکیبات 1 تا 4 نسبت به پیکربندی سیس مربوطه را نشان داد.
بر اساس نتایج بدست آمده ناپایداری پیکربندی سیس از ترکیب 1 به 4 کاهش مییابد. تحلیل NBO برهمکنش اوربیتالهای دهنده-گیرنده (LP→ σ* QUOTE →σ ) نشان داد که اثر آنومری تعمیم یافته (GAEtotal= GAETrans - GAE Cis) مرتبط با (LPM1→ σ* M2-Cphenyl) و ( σM1-Cphenyl σ* M2-Cphenyl ) از ترکیب 1 به ترکیب 4 کاهش مییابد. بنابراین تغییرات آنومری تعمیم یافته نمیتواند تغییرات محاسبه شده انرژی آزاد گیبس را توضیح دهد. تغییرات GAE میتواند توسط عناصر غیر قطری مربوطه آن کنترل شود.
مقدار ممان دوقطبی محاسبه شده پیکربندی سیس از ترکیب 1 به 4 کاهش مییابد. همچنین روند مشاهده شده اختلاف ممان دوقطبی (Δμcis-trans) بین پیکربندی سیس و ترانس ترکیبات 1 تا 4 مشابه با روند کاهشی مشاهده شده برای تغییرات ΔG مربوطه است. بنابراین مدل الکترواستاتیک مرتبط با برهمکنش دوقطبی-دوقطبی توجیه کننده مقادیر G محاسبه شده برای ترکیب های 1 تا 4 است.
یک رابطه مستقیم بین محاسبه GAE و پارامتر ∆ [rM1-Cphenyl (Trans)–(Cis)] وجود دارد. رابطه بین ΔGtrans-cis ، GAEtrans-cis ، Δμcis-trans ، پارامترهای ساختاری و رفتار پیکربندی ترکیبات 1 تا 4 بررسی شد.
فصل اول
مقدمه

1-1-مقدمه
انرژی کل یک مولکول با شکل آن رابطهای مستقیم دارد، این انرژی کل ازچند مولفه تشکیل میشود که آنها را تا حدی میتوان به ویژگیهای ساختاری مشخصی نسبت داد. از جمله عواملی که در انرژی کل یک مولکول سهم دارند و ارتباط قابل درکی با ساختارمولکول دارند، میتوان به برهمکنشهای غیرپیوندی ،کشش حلقه درسیستمهای حلقوی ، کششهای پیچشی ناشی از پوشیدگی پیوندها، ناپایدار شدن به دلیل انحراف طول پیوندی یا زاویه پیوندی از مقادیر بهینه اشاره کرد. برعکس عوامل پایدارکنندهای هم وجود دارند که دارای قیدهای هندسی هستند. اکثر این عوامل را میتوان در زمره اثرهای فضا الکترونی به شمار آورد یعنی برای بیشینه شدن برهمکنشهای پایدارکننده به یک رابطه هندسی خاص نیاز دارند علاوه بر این، برهمکنشهای دیگری نیز وجود دارند مثل تشکیل پیوند هیدروژنی یا برهمکنشهای دوقطبی –دوقطبی که برای آنها قدرت برهمکنش شدیداً ، به شکل هندسی مولکول بستگی دارد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>D.Menard</Author><Year>1984</Year><RecNum>22</RecNum><DisplayText>[1]</DisplayText><record><rec-number>22</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">22</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>D.Menard,M.st-Jacques,</author></authors></contributors><titles><secondary-title>Journal of American Chemistry Society </secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of American Chemistry Society</full-title></periodical><volume>106</volume><section>2055</section><dates><year>1984</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[1].
اصولی که تحلیل تعادلهای صورت بندی برآنها استوار است، درچارچوبی بسط یافتهاند که خود پایه در مکانیک کلاسیک دارد. یک مولکول، کم انرژیترین شکلی را به خود میگیرد که ازچرخش حول پیوندهای ساده خود و تنظیم زاویهها و طول پیوندها حاصل می شود. از آنجا که طول پیوندها وزوایای پیوندی از مولکولی به مولکول دیگر نسبتا به طورجزئی تغییر میکند، شکل مولکولی در وهله نخست به وسیله فرایندهای چرخشی آن تعیین می شود. بسیاری از مولکولها به دلیل انحراف از شکلهای هندسی ایدهآل، یک کشش از خود نشان میدهند. انرژی کشش، مقدار انرژی اضافی در مقایسه با یک مولکول مرجع و فاقد کشش است.
از دیدگاه اوربیتال مولکولی، انرژی مولکول برابر حاصل جمع انرژی اوربیتالهای اشغال شده است. محاسبه انرژی کل درآرایش فضایی متفاوت نشان میدهد که انرژی تابعی از شکل هندسی است.
تفسیرفیزیکی این حکم برحسب موثر بودن همپوشانی اوربیتالها امکان پذیر است. همپوشانی میان اوربیتالهایی که برهمکنش پیوندی دارند، انرژی مولکولی را کاهش میدهند. اصطلاح اثرفضا الکترونی برای آن دسته ازروابط میان ساختار چرخشی و انرژی واکنش پذیری به کار میرود که میتوان آنها را به برهمکنشهای اوربیتالی به شکل هندسی ربط داد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>D.Menard</Author><Year>1981</Year><RecNum>23</RecNum><DisplayText>[2]</DisplayText><record><rec-number>23</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">23</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>D.Menard,M.st-Jacques, </author></authors></contributors><titles><secondary-title>Journal of American Chemistry Society</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of American Chemistry Society</full-title></periodical><volume>59</volume><section>1160</section><dates><year>1981</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[2].
در ترکیبات آلی اثرات متعددی برای توجیه ارجحیت ترکیب، ارائه شدهاست. این اثرات شامل اثر آنومری، فوق مزدوج شدن، برهمکنش دوقطبی-دوقطبی، رزونانس، تداخلات فضایی و غیره است. در هندسه ارجح بسیاری از مولکولها مشخص شده است که بیشترین برهمکنش بین بهترین جفت دهنده تنها و بهترین پیوند گیرنده است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>N.D. Epiotis</Author><Year>1977</Year><RecNum>24</RecNum><DisplayText>[3]</DisplayText><record><rec-number>24</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">24</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>N.D. Epiotis, R.L. Yates, R.J. Larson, C.R. Kirmayer, F. Bernardi,</author></authors></contributors><titles><title>Directional effects of .sigma. Conjugation on geometrical isomerism,</title><secondary-title>Journal of American Chemistry Society</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of American Chemistry Society</full-title></periodical><pages>8379-8388</pages><volume>99</volume><section>8379</section><dates><year>1977</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[3].
اثر آنومری موثرترین فاکتورکنترل صورتبندی در ترکیبهای آلی است. اثر آنومری اثری استریوالکترونی است که طی آن در حلقههای سیکلوهگزانی، گروههای متصل شده به کربن شماره دو، قرارگیری در حالت محوری را به حالت استوایی ترجیح میدهند. این در حالیست که بر طبق دافعههای فضایی برای این گروهها قرارگیری در حالت استوایی مورد انتظار است. توضیح برای توجیه اثر آنومری این است که در حالت استوایی ممان دو قطبی هر دو هترواتم در یک جهت میباشند، در حالیکه در حالت محوری ممانها تقریبا مخالف یکدیگرند ، بنابراین برآیند آنها عددی کوچکتر است، پس در فرم محوری پایداری بیشتر و انرژی کمتر خواهد بود.
به اثر آنومری در ترکیبهای دارای پیوند دوگانه اثر آنومری تعمیم یافته گفته میشود. اثر آنومری تعمیم یافته نیز اثری استریوالکترونی است که طی آن در سیستمهای غیرحلقوی، گروههای متصل شده به اتمها، قرارگیری در حالت سیس را به حالت ترانس ترجیح میدهند. این در حالیست که بر طبق دافعههای فضایی برای این گروهها قرارگیری در حالت ترانس مورد انتظار است.
از طریق این مطالعه نظری، ما امیدواریم به موارد ذیل دست یابیم :
الف (به اثرات استریوالکترونی در پیکربندی مختلف از مولکولها
ب) به مشخص شدن عامل توجیه کننده انرژی آزادگیبس در تعیین پایداری پیکربندی مختلف از مولکولها
 ج) به ارتباط منطقی بین نتایج محاسبات با فاکتورهای مورد بررسی
د) به پارامترهای ساختاری و تاثیر آن
ه) به نتایج قابل قبول و سازگار با نتایج تجربی مربوطه
1-2-بررسیهای انجام شده دراین پروژه
ارزیابی صحیح از انتقالات دهنده-گیرنده و حالت هندسی و انرژی یک سیستم ، یک روش قدرتمند برای مطالعه واکنشهای شیمیایی میباشد. در این راستا، به منظور مقایسه پایداری پیکربندی در ترکیبات دارای باند دوگانه E = E حاوی عناصر نیتروژن، فسفر، آرسنیک و آنتیموان یک تحقیق در رابطه با عوامل موثر بر این پایداری، با استفاده از روش مکانیک کوانتومی آغازین و همچنین تحلیل اوربیتال پیوند طبیعی، را انجام میدهیم. مولکولهایی که ما بررسی میکنیم عبارتند از:
1,2-diphenyldiazene (Ph-N=N-Ph) 1،2-دی فنیل دی آزن
1,2-diphenyldiphosphene (Ph-P=P-Ph)1،2-دی فنیل دی فسفن
1,2-diphenyldiarsene (Ph-As=As-Ph) 1،2-دی فنیل دی آرسن
1,2-diphenyldistibene (Ph-Sb=Sb-Ph) 1،2-دی فنیل دی استیبن

شکل 1-1 : طرحی از مولکولهای مورد مطالعه در پیکربندیهای سیس و ترانس
اثرات استریوالکترونی، اثرات الکترواستاتیک و اثرات فضایی برروی خواص پیکربندی سیستمهای مورد نظر در این تحقیق تاثیر گذار خواهند بود. با توجه به اینکه تقابلهای همسو بودن این تاثیرات مشخص نیست در این تحقیق به این مطلب پرداخته خواهد شد.
پرسش اصلی تحقیق ( مساله تحقیق ) این است که چگونه اثرات استریوالکترونی میتوانند بر خواص پیکربندی 1و2-دیفنیل دیآزن، -دیفسفن ،-دیآرسن ، -دیاستیبن تاثیرگذار باشد ؟
فرضیهای که در اینجا برای این بررسیها مطرح میشود این است که پیشبینی میشود اولاً اثرات استریوالکترونی بر خواص پیکربندی 1و2-دیفنیلدیآزن ، -دیفسفن ، -دیآرسن ، -دیاستیبن تاثیرگذار باشد ثانیاً بین تغییرات ممانهای دوقطبی و خواص پیکربندی مولکولهای مورد مطالعه ارتباط منطقی و محکمی وجود داشته باشد.
پژوهش حاضر به بررسی این تاثیرات که میتواند ناشی از اثرات استریوالکترونی و فضایی باشد ، با استفاده از روش های مکانیک کوانتومی آغازین در سطح نظری B3LYP/ Def2-TZVPP و تحلیل NBO میپردازد. هدف از انجام این تحقیق، بررسی چگونگی اثرات استریوالکترونی بر خواص پیکربندی و ساختاری مولکولهای مورد نظر میباشد.
ساختارهای مورد مطالعه در این تحقیق با نرم افزار chem3Dتهیه و در سطوح نظری مناسب بهینه میشوند. پس از انجام مراحل بهینهسازی، بر روی ساختارهای حاصل تحلیل NBO انجام خواهد شد و سپس اثرات آنومری از روی انتقالات الکترونی، اثرات الکترو استاتیک و فضایی محاسبه شده و همبستگی بین اختلاف انرژی آزاد گیبس، اثر آنومری تعمیم یافته، پارامترهای ساختاری و ممانهای دو قطبی، در ترکیبهای مورد نظر مورد بررسی قرار میگیرد.
در این پروژه ابتدا به بررسی روند انرژی آزادگیبس پرداخته خواهد شد و سپس عوامل موثر بر پایداری مولکول مورد بررسی قرار میگیرند که آیا میتوانند نتایج حاصل از انرژی آزاد گیبس را توجیه کنند، این عوامل عبارتنداز:
اثرات آنومری :
فرمی از مولکول که اثر آنومری بیشتری دارد نسبت به فرمی که اثر آنومری کمتری دارد، پایدارتر است.
ممان دوقطبی :
در فاز گازی، فرمی از مولکول که ممان دوقطبی کمتری داشته باشد، پایدارتر است.
اثرات فضایی :
هرچه یک مولکول اثرات فضایی ناپایدارکننده کمتری داشته باشد، پایدارتر است.
1-3- کامپیوتر و شیمی کوانتوم
بیگمان سالها پیش که نخستین کامپیوترها پا به عرصه علم و فناوری گذاشتند هیچ کس حتی تصور هم نمیکرد که روزی فرا برسد که علوم تجربی همچون شیمی، فیزیک، و حتی زیست شناسی تا این حد وابسته به کامپیوتر باشد.
علم شیمی در این میان گوی سبقت را از سایر علوم ربوده است. نگاهی گذرا به هزاران پروژه - ریسرچعلمی که سالانه در سراسر جهان منتشر میشود موید این ادعا است. این مقالات در شاخههای گوناگون شیمی انتشار مییابد، اما ناگفته پیداست که مباحث شیمی کوانتوم در این میان بیشترین سهم را به خود اختصاص دادهاند.
1-4- معرفی برنامههای کامپیوتری
1-4-1- نرم‌افزار گوسین
از جمله مهمترین و شاید بتوان گفت پرکاربردترین، نرم‌افزارها در زمینه به کارگیری رایانه در پژوهش‌های شیمی، نرم‌افزار قدرتمند Gaussian است .این نرم‌افزار مجموعه‌ای از برنامه‌های به هم پیوستهای است که انواع محاسبات کوانتوم مکانیکی را انجام می‌دهد. اساس Gaussian بر این پایه استوار است که مدل‌های تئوری باید برای همه سیستم‌های مولکولی، با هر اندازه و نوعی به طور یکسان قابل اجرا باشند. این نرم‌افزار قادر به محاسبه بسیاری از خواص مولکول‌ها و واکنش‌هاست .برخی کاربردهای برنامه Gaussian عبارتند از:
ساختار و انرژی مولکول
ساختار و انرژی حالت گذار
فرکانس ارتعاشی
طیفهای رامان و IR
خواص ترموشیمیایی
انرژی پیوندها و واکنشها
مسیر واکنشها
بارهای اتمی
ممان چند قطبی
محاسبات را می‌توان در فاز گازی یا در محلول، در حالت پایه یا حالت برانگیخته انجام داد. از این رو گوسین را میتوان یک ابزار قدرتمند برای کاوش در حیطههای گوناگون از مطالعات شیمیایی نظیر اثرات جانشینیی، مکانیسم واکنشها، پایداری و ... به کار برد.
1-4-2- نرم افزار گرافیکی Chem 3D
Chem3D یک نرم افزار گرافیکی است که ساختار مولکول مورد نظر را میتوان به وسیله آن رسم کرد.
در این نرم افزار بهینهسازی مقدماتی ترکیبات، با روش مکانیک مولکولی MMx انجام میشود. به این ترتیب ساختار بهینه شده، به صورت یک فایل ورودی به نام Z-ماتریکس برای برنامه کامپیوتری MOPAC آماده میشود.
1-4-3- برنامه کامپیوتری اوربیتال مولکولی MOPAC
MOPAC یک برنامه اوربیتال مولکولی نیمه تجربی برای مطالعه واکنشهای شیمیایی شامل مولکولها، یونها و همچنین ساختار مربوط به آنها میباشد. این برنامه شامل روشهای نیمه تجربی میدان خود سازگار MINDO/3, MNDO, AMI, PM3 بوده و مجموعهای از محاسبات مربوط به طیفهای ارتعاشی، مقادیر ترمودینامیکی، اثرات جابجایی ایزوتوپی و ثابت نیرو را در بر میگیرد. همچنین عناصر تعریف شده در برنامه فوق اکثرا˝ عناصر اصلی و تعداد محدودی از عناصر واسطه مانند جیوه است.
فصل دوم
تاریخچه
2-1-مقدمه
همانند آنالوگهای اتیلن عناصر گروه 14 جدول تناوبی ، عناصر گروه 15 جدول تناوبی هم ، یک نقش محوری در توسعه شیمی پیوندهای چندگانه ایفا میکنند. شیمی ترکیبات دارای پیوندهای چندگانه میان عناصر سنگین گروه اصلی توجه زیادی را در سالهای اخیر به خود جلب کرده است. با توجه به اصطلاح قاعده پیونددوگانه کلاسیک، فقط عناصر ردیف دوم در جدول تناوبی باید قادر باشند که تشکیل ترکیبات پایدار حاوی پیوند دوگانه بدهند، در واقع، قانون پیوند دوگانه، یک بار برای تمام عناصر که فراتر از ردیف اول جدول تناوبی هستند اعمال شد، که در آن کربن، نیتروژن و اکسیژن در تشکیل پیوندهای چندگانه موفقتر بودند و پیوند دوگانه در عناصر سنگینتر ناموفق بود زیرا فاصله طولانی بین این عناصر اجازه همپوشانی کافی به اوربیتالهای p را نخواهد داد. این قاعده پیوند دوگانه کلاسیک ، توسط تعدادی از تلاشهای ناموفق در سنتز ترکیبات تایید شد. بهعنوان مثال، کولر و مایکلس گزارش دادند که از واکنش تراکم PhPCl2 و PhPH2 مولکول دیفنیل دیفسفن تشکیل میشود، که فسفوبنزن نامیده میشود. اما بعد از آن برای اولین بار، اندازهگیری وزن مولکولی و سپس تجزیه و تحلیل ساختار با اشعه X ، نشان داد که این محصول ترکیبی از فسفوبنزن و اُلیگومر است. اشتباه مشابهی در مورد دی آرسن نیز رخ داد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Tokitoh</Author><Year>2000</Year><RecNum>5</RecNum><DisplayText>[4]</DisplayText><record><rec-number>5</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">5</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Norihiro Tokitoh</author></authors></contributors><titles><title>New aspects in the chemistry of low-coordinated inter-element compounds of heavier Group 15 elements</title><secondary-title>Journal of Organometallic Chemistry</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of Organometallic Chemistry</full-title></periodical><pages>217-227</pages><volume>611</volume><section>217</section><dates><year>2000</year></dates><work-type>Review</work-type><urls></urls></record></Cite></EndNote>[4]. پس از این شکستها، دانشمندان متوجه شدند که جایگزینهای به اندازه کافی بزرگ برای جلوگیری از اُلیگومرشدن این گونههای واکنشپذیر لازم است پیوندهای چندگانه در میان عناصر سنگینتر گروه اصلی تمایل دارند، فعالیت بالاترشان نسبت به کربن و نیتروژن همنوع خود را نشان دهند. با این حال، با لیگاندهای به اندازه کافی بزرگ، پیوندهای چندگانه مربوط به P, As, Si, Ge و دیگر عناصر میتواند به صورت ترکیبات پایدار سینتیکی سنتز و مورد مطالعه قرار گیرد. چرا در عناصر سنگین گروههای اصلی، هیبرید شدن باهم خیلی ضعیف است؟ هیبریداسیون موثر زمانی رخ میدهد که اوربیتالهای اتمی تشکیل دهنده انرژیهای مشابه و همپوشانی فضایی بزرگ داشته باشند. انرژی نسبی اوربیتالهای اتمی، در واقع بیشتر به نفع هیبریداسیون برای عناصر سنگینتر است. دلیل اصلی این اتفاق، احتمالاً ظرفیت بسیار متفاوت و توزیع شعاع اوربیتال ظرفیت s و p ، برای ردیف اول در جدول تناوبی در مقایسه با دیگر عناصر دارای اوربیتال ظرفیت p تقریبا با همان حدود شعاع است، اوربیتال ظرفیت p عناصر سنگینتر به میزان قابل توجهی گسترده تر نسبت به اوربیتال s است. به این ترتیب، درجه هیبریداسیون کاهش مییابد و جفت تنها، بیشتر خصوصیت s را در ستون جدول تناوبی با رفتن به سمت پایین را قبول میکند.
دانش سنتز، ساختار، شیمی کئوردیناسیون و واکنش ترکیبات دارای پیوندهای چندگانه میان عناصر سنگین نسبتاً در مراحل اولیه است، و به تازگی بررسی شدهاند.
2-2-پیدایش
سبکترین مشتقات دارای پیوند دوگانه، ترکیبات آزو، دیآزنها هستند پس از کشف دو ایزومر(سیس و ترانس ) در سال 1937 از آزوبنزن، آنها به موضوعاتی برای مطالعات تجربی و نظری متعدد تبدیل شدند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>G.S. Hartley</Author><Year>1937</Year><RecNum>10</RecNum><DisplayText>[5, 6]</DisplayText><record><rec-number>10</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">10</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>G.S. Hartley ,</author></authors></contributors><titles><secondary-title>Nature</secondary-title></titles><periodical><full-title>Nature</full-title></periodical><pages>281</pages><volume>140 </volume><dates><year>1937</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>G.S. Hartley</Author><Year>1938</Year><RecNum>11</RecNum><record><rec-number>11</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">11</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>G.S. Hartley,</author></authors></contributors><titles><secondary-title>J. Chem. Soc.</secondary-title></titles><periodical><full-title>J. Chem. Soc.</full-title></periodical><pages>633</pages><section>633</section><dates><year>1938</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[5, 6].
چندین دهه است که دیآزنها در همه جا شناخته شدهاند. پایداری پیوند دوگانه با جایگزینی گروههای بسیار بزرگ راه بدست آوردن ترکیبات همنوع بالاتر از دیآزنها بود. یوشی فوجی و همکارانش در سال 1981 اولین دی فسفن پایدار را سنتز کردند، که یک نقطه عطف واقعی در شیمی بود( در زیر تصویر آنرا میبینید) Mes*P=PMes* ، ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>M. Yoshifuji</Author><Year>1981</Year><RecNum>17</RecNum><DisplayText>[7]</DisplayText><record><rec-number>17</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">17</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>M. Yoshifuji, I. Shima, N. Inamoto, K. Hirotsu, T. Higuchi</author></authors></contributors><titles><secondary-title>J.Am. Chem. Soc.</secondary-title></titles><periodical><full-title>J.Am. Chem. Soc.</full-title></periodical><pages>4587</pages><volume>103</volume><section>4587</section><dates><year>1981</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[7].

شکل 2-1 : اولین دیفسفن پایدار سنتز شده
از زمان جداسازی دیفسفن بالا، تمرکز کارها برروی شیمی این کلاس جدید از ترکیبات گسترش یافته است. یوشی فوجی دیفسفن را از احیا (2،4،6-تری-ترشیوبوتیل فنیل)دیکلرودیفسفین با عنصر منیزیم به دست آورد و ثابت شده است که احیا عوامل مختلف دیگر میتواند در سنتز دیفسفن موثر باشند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>M. Yoshifuji</Author><Year>1981</Year><RecNum>17</RecNum><DisplayText>[7]</DisplayText><record><rec-number>17</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">17</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>M. Yoshifuji, I. Shima, N. Inamoto, K. Hirotsu, T. Higuchi</author></authors></contributors><titles><secondary-title>J.Am. Chem. Soc.</secondary-title></titles><periodical><full-title>J.Am. Chem. Soc.</full-title></periodical><pages>4587</pages><volume>103</volume><section>4587</section><dates><year>1981</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[7].
از آن زمان به بعد، دیفسفنهای بسیار دیگری سنتز شدهاند و ساختارشان مشخص شده است. این رویکرد نیز با موفقیت در مورد سنتز این دو دیآرسن، Mes*As=AsCH(SiMe3)2 و (SiMe3)3CAs=AsC(SiMe3)3 ، توسط کولی و همکارانش در سالهای 1985-1983 استفاده شد. داستان پیوند دوگانه As=As با ارائه دو ترکیب جدید توسط تاملی و همکارانش در سال 1999 با استفاده از لیگاندهای خیلی حجیم متا-تری فنیل -C6H3-2,6-Mes2 و -C6H3-2,6-Trip2 تکمیل شد. این محققین همچنین موفق به سنتز دیاستیبن و همچنین دیبیسموتنهای مربوطه شدند. با این حال، اولین ترکیبات دارای پیوند دوگانه همانند Sb=Sb و Bi=Bi توسط توکیتو و همکارانش در سال 1998- 1997 سنتز شد. سنتز ساختار و واکنشهای دیفسفنها وترکیبات همنوع خود، توسط کولی در سال 1984، کولی و نورمن در سال 1986، یوشی فوجی در سال 1990، وبر در سال 1992 و پاور در سال 1999 بصورت جامع مورد بررسی قرار گرفته شده است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>WIDAUER</Author><Year>2000</Year><RecNum>4</RecNum><DisplayText>[8]</DisplayText><record><rec-number>4</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">4</key></foreign-keys><ref-type name="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>CHRISTOPH WIDAUER</author></authors></contributors><titles><title>Ab Initio Study of Neutral and Cationic Double Bond Sys--s Containing Group 15 Elements</title></titles><volume>Doctor of Natural Sciences</volume><dates><year>2000</year></dates><publisher>Dipl. Chem. ETH</publisher><urls></urls></record></Cite></EndNote>[8].
جدول 2-1 : طول پیوند و زاوایای پیوندی چندین نمونه بررسی شده از دیفسفن ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Power</Author><Year>1999</Year><RecNum>12</RecNum><DisplayText>[9]</DisplayText><record><rec-number>12</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">12</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Philip P. Power</author></authors></contributors><titles><title>ð-Bonding and the Lone Pair Effect in Multiple Bonds between Heavier Main Group Elements</title><secondary-title>Chem. Rev.</secondary-title></titles><periodical><full-title>Chem. Rev.</full-title></periodical><pages>3463-3503</pages><volume>99</volume><dates><year>1999</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[9]

جدول 2-2 : طول پیوند و زاوایای پیوندی چندین نمونه بررسی شده از دیآرسن و دیاستیبن ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Power</Author><Year>1999</Year><RecNum>12</RecNum><DisplayText>[9]</DisplayText><record><rec-number>12</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">12</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Philip P. Power</author></authors></contributors><titles><title>ð-Bonding and the Lone Pair Effect in Multiple Bonds between Heavier Main Group Elements</title><secondary-title>Chem. Rev.</secondary-title></titles><periodical><full-title>Chem. Rev.</full-title></periodical><pages>3463-3503</pages><volume>99</volume><dates><year>1999</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Power</Author><Year>1999</Year><RecNum>12</RecNum><record><rec-number>12</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">12</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Philip P. Power</author></authors></contributors><titles><title>ð-Bonding and the Lone Pair Effect in Multiple Bonds between Heavier Main Group Elements</title><secondary-title>Chem. Rev.</secondary-title></titles><periodical><full-title>Chem. Rev.</full-title></periodical><pages>3463-3503</pages><volume>99</volume><dates><year>1999</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[9]

2-3- ترکیبات اولیه
اولین کارهای تئوری انجام شده بر روی دیفسفن HP=PH توسط ایتو و ناگاسه در سال 1986 ارائه شد. ناگاسه و همکارانش در سال 1990، محاسبات بر روی (HX=XH (X = P As, Sb, Bi را انجام دادند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>WIDAUER</Author><Year>2000</Year><RecNum>4</RecNum><DisplayText>[8]</DisplayText><record><rec-number>4</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">4</key></foreign-keys><ref-type name="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>CHRISTOPH WIDAUER</author></authors></contributors><titles><title>Ab Initio Study of Neutral and Cationic Double Bond Sys--s Containing Group 15 Elements</title></titles><volume>Doctor of Natural Sciences</volume><dates><year>2000</year></dates><publisher>Dipl. Chem. ETH</publisher><urls></urls></record></Cite></EndNote>[8]. [WIDAUER, 2000 #4]
ترکیبات مختلف بررسی شده در شکل 2-2 ارائه شده است، چند نمونه از دادههای مربوطه نیز درجداول زیر آمده است.

شکل 2-2 : سیستم HX=XH دارای پیوند دوگانه با تقارن C2h ( (X = P As, Sb, Bi
جدول 2-3 : انرژیهای کل و نسبی سیستمهای HX=XH ( (X = P As, Sb, Bi

جدول 2-4 : پارامترهای ساختاری(طول پیوند دوگانه X=X برحسب آنگستروم و زاویه HXX برحسب درجه) برای سیستمهای HX=XH( (X = P As, Sb, Bi

جدول 2-5 :مقایسه طول پیوند تعادلی (Re) برحسب آنگستروم و زاویه فلپ (Φx) برحسب درجه
برای سیستمهای HX=XHدر این روش با سایر روشها و کارهای تجربی
( (X = P As, Sb, Bi

محاسبه انرژی کل و نسبی، پارامترهای ساختاری و مقایسه طول پیوند تعادلی و زاویه برای تمام گونهها در جداول ارائه شده است. کارهای تئوری قبلی نشان دادند که فرم ترانس ازHX=XH پایداترین فرم از تمام گونههای X = N, P, As, Sb است. ایتو و ناگاسه در سال 1986، جانسون و همکارانش در سال1987 محاسبات درباره ایزومرهای مختلف از N2Hو همچنین ناگاسه و همکارانش در سال 1990، اسشولرو همکارانش در سال 1997 محاسبات مربوط به ترکیبات HX=XH با X = P, As,Sb, Bi را انجام دادند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>WIDAUER</Author><Year>2000</Year><RecNum>4</RecNum><DisplayText>[8]</DisplayText><record><rec-number>4</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">4</key></foreign-keys><ref-type name="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>CHRISTOPH WIDAUER</author></authors></contributors><titles><title>Ab Initio Study of Neutral and Cationic Double Bond Sys--s Containing Group 15 Elements</title></titles><volume>Doctor of Natural Sciences</volume><dates><year>2000</year></dates><publisher>Dipl. Chem. ETH</publisher><urls></urls></record></Cite></EndNote>[8].
2-4-مطالعات گذشته :
در سال 2012 گورگی و همکارانش پلیمرهای حاوی آزوبنزن را سنتز و رفتار ایزومریزاسیون وابسته به جانشینیی آنها را بررسی کردند. آنها گفتند که برای آزوبنزن، حداکثر جذب قوی انتقال *π-π در350 نانومتر نهفته است و جذب ضعیفتر انتقال *π-n را میتوان حدود 450 نانومتر یافت(در محلول(THF.  نوار پرانرژی انتقال *σ-σ ، در 230 نانومتر است. ترانس آزوبنزن مسطح دارای ممان دو قطبی نزدیک به صفر است. ایزومر ترانس را میتوان با تابش به ایزومر سیس غیر مسطح مربوطه تبدیل کرد. در اینجا حلقههای فنیل بنا به دلایل فضایی خارج از سطح پیچ خوردهاند، بنابراین تا حدودی سیستم کانژوگه را از بین بردهاند.  از این رو، جذب در 320 نانومتر را شدیداً کاهش میدهد در حالی که در 450 نانومتر به میزان قابل توجهی افزایش میدهد. علاوه بر این، در ایزومر سیس ممان دو قطبی را از 0 تا 3 دبی افزایش میدهد. پس از تابش با نور UV به ایزومر ترانس، ایزومریزاسیون پیوند دوگانه صورت میگیرد و پیکربندی از ترانس به سیس تغییرمیکند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Ulrike Georgi</Author><Year>2012</Year><RecNum>7</RecNum><DisplayText>[10]</DisplayText><record><rec-number>7</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">7</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Ulrike Georgi, Philipp Reichenbach , Ulrich Oertel, Lukas M. Eng , Brigitte Voit</author></authors></contributors><titles><title>Synthesis of azobenzene-containing polymers and investigation of their substituent-dependent isomerisation behaviour</title><secondary-title>Reactive &amp; Functional Polymers </secondary-title></titles><periodical><full-title>Reactive &amp; Functional Polymers</full-title></periodical><pages>242-251</pages><volume>72</volume><section>242</section><dates><year>2012</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[10].

شکل 2-3 : ایزومریزاسیون سیس-ترانس آزوبنزن
نسبت ایزومرهای سیس و ترانس وابسته به میزان واکنش ایزومریزاسیون مختلف، در شدت نور، در بازده کوانتومی فتوشیمیایی ایزومریزاسیون سیس - ترانس و ترانس - سیس و همچنین ضریب جذب از ایزومرهای مربوطه در طول موج تابش است. میزان واکنشهای حرارتی به نوبه خود وابسته به مکانیسم ایزومریزاسیون که میتواند صورت بگیرد با وارونه شدن یکی از نیتروژنهای مرکزی از گروه آزو که منجر میشود به دوباره هیبرید شدن یکی از اتمهای نیتروژن از حالت هیبرید sp2 به حالت هیبرید sp ، و یا از طریق یک مکانیزم چرخش که به شدت مورد علاقه مشتقاتی با ممان دو قطبی قوی است. شکل(2-3) را ببنید. ظاهر این مکانیسمهای متفاوت، به شدت وابسته به قطبیت مولکول و محیط اطراف هستند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Ulrike Georgi</Author><Year>2012</Year><RecNum>7</RecNum><DisplayText>[10]</DisplayText><record><rec-number>7</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">7</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Ulrike Georgi, Philipp Reichenbach , Ulrich Oertel, Lukas M. Eng , Brigitte Voit</author></authors></contributors><titles><title>Synthesis of azobenzene-containing polymers and investigation of their substituent-dependent isomerisation behaviour</title><secondary-title>Reactive &amp; Functional Polymers </secondary-title></titles><periodical><full-title>Reactive &amp; Functional Polymers</full-title></periodical><pages>242-251</pages><volume>72</volume><section>242</section><dates><year>2012</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[10].

شکل 2-4 : شماتیک حالات انتقالات برای ایزومریزاسیون حرارتی سیس-ترانس آزوبنزن
در سال 2008، یوان و همکارانش یک مطالعه دینامیک نیمه کلاسیک برروی فتوایزومریزاسیون ترانس- سیس آزوبنزن انجام دادند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Shuai Yuan</Author><Year>2008</Year><RecNum>8</RecNum><DisplayText>[11]</DisplayText><record><rec-number>8</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">8</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Shuai Yuan, Wei Feng Wu, Yusheng Dou, Jian She Zhao</author></authors></contributors><titles><title>Trans–cis photoisomerization of azobenzene by excitation: A semiclassical dynamics study</title><secondary-title>Chinese Chemical Letters</secondary-title></titles><periodical><full-title>Chinese Chemical Letters</full-title></periodical><pages>1379-1382</pages><volume>19</volume><section>1379</section><dates><year>2008</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[11].
در مطالعه دینامیک شبیهسازی شده، گزارش شد که تشکیل ایزومر سیس به پیروی از حرکت چرخشی در اطراف پیوند N=N است ]11[.

شکل 2-5 : واریانس انرژی (a) و جمعیت الکترونی (b) مربوط به اوربتالهای HOMO و LUMO نسبت به زمان

شکل 2-6 : واریانس زوایای پیچشی CNNC(a) و زوایای پیوندی CNN (b) نسبت به زمان
در سال 1958 زیمرمن و همکارانش طیف آزوبنزن را ارائه دادند. همانطور که میتوان در شکل 2-7 دید ، ایزومر ترانس آزوبنزن یک جذب قوی در 318 نانومتر و یک جذب ضعیف در 432 نانومتر را نشان میدهد. ایزومر سیس دارای دو باند جذب است، یک جذب قوی در 260 نانومتر و یک جذب ضعیف در 440 نانومتر است. همپوشانی آشکار در جذب این دو ایزومر وجود دارد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Zimmerman.G</Author><Year>1958</Year><RecNum>20</RecNum><DisplayText>[12]</DisplayText><record><rec-number>20</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">20</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Zimmerman.G , Chow.L , Paik.U </author></authors></contributors><titles><secondary-title>American Chemical Society</secondary-title></titles><periodical><full-title>American Chemical Society</full-title></periodical><pages>3528-3531</pages><volume>80</volume><section>3528</section><dates><year>1958</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[12].

شکل 2-7 : طیف UV/vis آزوبنزن
در سال 2009 سیمپسون و همکارانش محاسباتی درباره ایزومریزاسیون و موانع پیچش فنیل با استفاده (DFT) در سطح نظری B3LYP /6-31 + G ** در ترکیبات Aryl-X=Y- Aryl انجام دادند که در آن X,Y = C, N, P میباشد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>M. Cather Simpsona</Author><Year>2009</Year><RecNum>2</RecNum><DisplayText>[13]</DisplayText><record><rec-number>2</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">2</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>M. Cather Simpsona,</author><author>John L. Paytonb,</author></authors></contributors><titles><title>Twisting Fate: Ring Torsions and Photochemistry in Aryl-X=Y-Aryl Sys--s (X,Y = P, C, N)</title><secondary-title>Chemistry in New Zealand</secondary-title></titles><pages>12-17</pages><section>12</section><dates><year>2009</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[13].

شکل2-8 : E(E-Z) Δ و موانع چرخش در پیچش پیوند دوگانه X=Y محاسبه شده در سطح نظری **B3LYP/6-31+G
X,Y = C, N, P
سیمپسون و همکارانش دریافتند که ایزومر ترانس دارای انرژی ساختار پایینتر برای هر چهار مولکول مورد مطالعه است، بنابراین پایدارترین ایزومر است. پیکربندی ترانس1و2-دیفنیل دیآزن دارای تقارن C2h است. مولکولهای Aryl-X=Y=Aryl ، حاوی فسفر مسطح نیستند. حلقه فنیل متصل به اتم فسفر بین 30 و 35 درجه برای 1و2-دیفنیل دیفسفن میچرخد. برای ایزومر ترانس- و سیس-1و2-دیفنیل دیآزن مقدار Eبه ترتیب برابر با 15.8 و 48.2 کیلو کالری بر مول است و برای ایزومر ترانس- و سیس- 1و2-دیفنیل دیفسفن مقدار Eبه ترتیب برابر با 5.5 و 38.7 کیلو کالری بر مول است. موانع چرخش در مورد پیوند دوگانه میتواند بوسیله استحکام پیوند π ، تعیین شود.. شکل 2-8 نشان میدهد که ضعیفترین پیوند π در مولکول P = P یافت میشود ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>M. Cather Simpsona</Author><Year>2009</Year><RecNum>2</RecNum><DisplayText>[13]</DisplayText><record><rec-number>2</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">2</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>M. Cather Simpsona,</author><author>John L. Paytonb,</author></authors></contributors><titles><title>Twisting Fate: Ring Torsions and Photochemistry in Aryl-X=Y-Aryl Sys--s (X,Y = P, C, N)</title><secondary-title>Chemistry in New Zealand</secondary-title></titles><pages>12-17</pages><section>12</section><dates><year>2009</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[13].
میزان ایزومریزاسیون حرارتی برای چند دیفسفن مشابه به صورت زیر مشاهده شده است که :
)Z → E: ∆G‡ ~20 kcal/mol at 0 °C∆ ، H‡ = 5/29 ± 4/1 kcal/mol and ∆S‡ = 38 6± cal/mol K (
آنتروپی فعالسازی نسبتاً بزرگ ممکن است به علت ازدحام فضایی باشد که توسط ایزومریزاسیون، رها میشود ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>M. Cather Simpsona</Author><Year>2009</Year><RecNum>2</RecNum><DisplayText>[13]</DisplayText><record><rec-number>2</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">2</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>M. Cather Simpsona,</author><author>John L. Paytonb,</author></authors></contributors><titles><title>Twisting Fate: Ring Torsions and Photochemistry in Aryl-X=Y-Aryl Sys--s (X,Y = P, C, N)</title><secondary-title>Chemistry in New Zealand</secondary-title></titles><pages>12-17</pages><section>12</section><dates><year>2009</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[13].
پیکربندی ترانس 1و2-دیفنیل دیآزن دارای تقارن C2h است. مولکولهای حاوی فسفر مسطح نیستند. حلقه فنیل متصل به اتم فسفر بین 30 و 35 درجه برای 1و2-دیفنیل دیفسفن میچرخد. انرژی ساختاری پایین این مولکولها تعادل بین مولکولی بین سیستم π کانژوگه در سراسر مولکول را منعکس میکند که همواره به سوی مسطح بودن مولکولی است، و ممانعت فضایی، پیکربندی غیر مسطح را القا میکند. این ممانعت فضایی به علت زاویه کوچک لیگاند بیشتر تشدید میشود، که در نتیجه اثر کمتر هیبریداسیون sp2  در عناصر سنگین گروه اصلی میباشد. زاویه معادل در 1و2-دیفنیل دیآزن بسیار نزدیک به 120 درجه است. انرژی در 90 τ = ، که در آن حلقه فنیل به پیوند مرکزی X = Y متعامد است، نشان میدهد که کانژوگه در سراسر مولکول و نیز برای مولکول حاوی فسفر کاهش مییابد. در دیفسفن تجربی مشخص شد، که استفاده از گروه بزرگ برای حفاظت از واکنش پذیری پیوند دوگانه منجر میشود به طیف گسترده ای از زاویه پیچش فنیل، که اکثر آنها زوایا بیشتر از 45 درجه دارند. پیکربندی الکترونی یکسان نیتروژن و فسفر نشان میدهد که ایزومریزاسیون در دیفسفن به احتمال زیاد آیینه آزوبنزن است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>M. Cather Simpsona</Author><Year>2009</Year><RecNum>2</RecNum><DisplayText>[13]</DisplayText><record><rec-number>2</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">2</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>M. Cather Simpsona,</author><author>John L. Paytonb,</author></authors></contributors><titles><title>Twisting Fate: Ring Torsions and Photochemistry in Aryl-X=Y-Aryl Sys--s (X,Y = P, C, N)</title><secondary-title>Chemistry in New Zealand</secondary-title></titles><pages>12-17</pages><section>12</section><dates><year>2009</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[13].
در سال 2009 پنگ و همکارانش برای محاسبه سطوح انرژی پتانسیل با بهینهسازی ترکیب 1و2-دیفنیل دیفسفن، در سطح نظری نسبتاً بالای ((B3LYP/6–31+G(d,p) یک پروژه - ریسرچارائه دادند. DFT و TDDFT را برای ترکیب 1و2-دیفنیل دیفسفن به همراه مختصات کامل، در زاویای مختلف از پیچش فنیل بکار گرفتند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Huo-Lei Peng</Author><Year>2009</Year><RecNum>13</RecNum><DisplayText>[14]</DisplayText><record><rec-number>13</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">13</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Huo-Lei Peng, John L. Payton, John D. Protasiewicz, M. C. Simpson</author></authors></contributors><titles><title>Twisting the Phenyls in Aryl Diphosphenes (Ar-P=P-Ar). Significant Impact upon Lowest Energy Excited States</title><secondary-title>J Phys Chem A.</secondary-title></titles><periodical><full-title>J Phys Chem A.</full-title></periodical><pages>7054-7063</pages><volume>133</volume><number>25</number><dates><year>2009</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[14]. دیفسفنها به طور معمول دو جذب بزرگ UV/vis نشان میدهند، که هر دو عمدتاً به گروه P=P اختصاص داده میشود.

شکل 2-9 : پارامترهای مهم هندسی ترانس-دیفنیل دیفسفن ((Ph-P=P-Ph در سطح ( B3LYP/6–311+G(2df,2p بهینهسازی شدهاند. مقایسه ساختارهای Mes P=P-Mes* * و Dmp-P=P-Dmp نیز فراهم شده است τ1 زاویه پیچش 3-2-1-1) ) وτ2 زاویه پیچش 3'-2'-1'-1) ) زوایای پیچش فنیل نسبت به پیوند تقریبا مسطحP = P هستند (زاویه پیچش در 2-1-1'-2' = τPP). Rpp طول پیوند P=P است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Huo-Lei Peng</Author><Year>2009</Year><RecNum>13</RecNum><DisplayText>[14]</DisplayText><record><rec-number>13</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">13</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Huo-Lei Peng, John L. Payton, John D. Protasiewicz, M. C. Simpson</author></authors></contributors><titles><title>Twisting the Phenyls in Aryl Diphosphenes (Ar-P=P-Ar). Significant Impact upon Lowest Energy Excited States</title><secondary-title>J Phys Chem A.</secondary-title></titles><periodical><full-title>J Phys Chem A.</full-title></periodical><pages>7054-7063</pages><volume>133</volume><number>25</number><dates><year>2009</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[14].
در سال 2001 گیلوزو وهمکارانش ساختار الکترونی از مشتقات دیفسفن و دیآرسن را بررسی کردند. در جدول2-6 نتایج بعضی پارامترها آمده است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>karinne miqueu</Author><Year>2001</Year><RecNum>21</RecNum><DisplayText>[15]</DisplayText><record><rec-number>21</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">21</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>karinne miqueu , jean-marc sotiropoulos , genevieve guillouzo . et.all</author></authors></contributors><titles><title>The electronic nature of the -Pn=Pn- derivatives (Pn=P/As)</title><secondary-title>journal of Molecular Structure</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of Molecular Structure</full-title></periodical><pages>139-146</pages><volume>545</volume><section>139</section><dates><year>2001</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[15].
جدول2-6 : محاسبه پارامترهای ساختاری برای دیفسفن و دیآرسن های مختلف در سطح نظری B3LYP/6–311+G(d,p)

استپانیک و دیگر همکارانش ساختار و طیف ارتعاشی سیس و ترانس آزوبنزن را در سال 2001 بررسی کردند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>V.Stepanic</Author><Year>2001</Year><RecNum>19</RecNum><DisplayText>[16]</DisplayText><record><rec-number>19</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">19</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>V.Stepanic , G. Baranovic , V.Smrecki</author></authors></contributors><titles><secondary-title>Journal of Molecular Structure</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of Molecular Structure</full-title></periodical><pages>89-109</pages><volume>569</volume><number>569</number><section>89</section><dates><year>2001</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[16].
جدول2-7 : پارامترهای ساختاری و ممان دوقطبی برای ترانس و سیس آزوبنزن در سطح نظری B3LYP/6–311+G(d,p)

شکل2-10 و جداول 2-8 و2-9 با استفاده از محاسبات کوانتومی آغازین روش CASSCF) ) توسط آماتاتسو در سال 2009 ارائه شد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Amatatsu</Author><Year>2009</Year><RecNum>15</RecNum><DisplayText>[17]</DisplayText><record><rec-number>15</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">15</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Yoshiaki Amatatsu</author></authors></contributors><titles><title>Potential Energy Surfaces for the S1 S0 Relaxation of trans-Diphenyldiphosphene in the P=P Rotation-Restricted Condition</title><secondary-title>J. Phys. Chem. A</secondary-title></titles><periodical><full-title>J. Phys. Chem. A</full-title></periodical><pages>9667-9674</pages><volume>113</volume><section>9667</section><dates><year>2009</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[17].

شکل2-10 : شماره گذاری اتمها و نمادهای زاویه پیوند، طول پیوند و زاویه پیچشی برای دیفنیل دیفسفن
جدول2-8 : پارامترهای مهم ساختاری بهینه شده دیفنیل دیفسفن در سطح نظری CASSCF) )

جدول2-9 : پارامترهای مهم ساختاری بهینه شده دیفنیل دیآزن در سطح نظری CASSCF) )

مطالعات خوبی درباره ایزومریزاسیون آزوبنزن توسط وانگ و همکارانش در سال 2009 انجام شد. آنها با استفاده از محاسبات مکانیک کوانتومی آغازین روش CASSCF دریافتند که ترانس آزوبنزن با تقارن C2h نسبت به سیس آزوبنزن با تقارن C2 دارای انرژی پایینتری است( 16.2 کیلوکالری بر مول). در جدول 2-10 میتوانید پارامترهای ساختاری برای RE=ER بهینه شده در سطح نظری B3LYP/6-31G(d)) ) را مشاهده کنید ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Luoxin Wang</Author><Year>2009</Year><RecNum>14</RecNum><DisplayText>[18]</DisplayText><record><rec-number>14</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">14</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Luoxin Wang, Weilin Xu , Changhai Yi, Xiaogong Wang </author></authors></contributors><titles><title>Isomerization and electronic relaxation of azobenzene after being excited to higher electronic states</title><secondary-title>Journal of Molecular Graphics and Modelling</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of Molecular Graphics and Modelling</full-title></periodical><pages>792-796</pages><volume>27</volume><section>792</section><dates><year>2009</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[18].
جدول2-10 : پارامترهای ساختاری بهینه شده برای RE=ER محاسبه شده در سطح نظری B3LYP/6-31G(d)) )

شکل زیر هم تصویری از پارامترهای ساختاری آزوبنزن است که در سال 2009 توسط وانگ و همکارانش ارائه شد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Luoxin Wang</Author><Year>2009</Year><RecNum>14</RecNum><DisplayText>[18]</DisplayText><record><rec-number>14</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">14</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Luoxin Wang, Weilin Xu , Changhai Yi, Xiaogong Wang </author></authors></contributors><titles><title>Isomerization and electronic relaxation of azobenzene after being excited to higher electronic states</title><secondary-title>Journal of Molecular Graphics and Modelling</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of Molecular Graphics and Modelling</full-title></periodical><pages>792-796</pages><volume>27</volume><section>792</section><dates><year>2009</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[18].

شکل2-11 : زاویه و طول پیوند در ترانس و سیس آزوبنزن
در سال 2010 چن و سو سطوح انرژی پتانسیل واکنش حلقهزایی، مولکولهای گروه 15 Ph-E = E-Ph به 2- بورا فرروسنوفان را با استفاده از نظریه تابعی چگالی (B3LYP/LANL2DZ) مورد مطالعه قرار دادند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Jian-Yi Chen</Author><Year>2010</Year><RecNum>16</RecNum><DisplayText>[19]</DisplayText><record><rec-number>16</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">16</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Jian-Yi Chen , Ming-Der Su</author></authors></contributors><titles><title>Diboration of the EdE Double Bond by [2] Metallocenophanes (E=N, P, As, Sb, and Bi): A Theoretical Study</title><secondary-title>Organometallics</secondary-title></titles><periodical><full-title>Organometallics</full-title></periodical><pages>5812-5820</pages><volume>29</volume><section>5812</section><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[19]. پارامترهای هندسی کلیدی Ph-E = E-Ph برای هر دو حالت یکتایی و سه تایی به ترتیب در شکل 2-12 و 2-13 آورده شده است. علاوه بر این، محاسبه خواص فیزیکی مولکول Ph-E = E-Ph برای مقایسه با برخی از دادههای تجربی در جدول 2-11 داده شده است.

شکل 2-12 : پارامترهای ساختاری برای فرم ترانس مولکول Ph-E = E-Ph

شکل 2-13 : پارامترهای ساختاری برای فرم ترانس مولکول Ph-E = E-Ph
توافق خوبی بین نتایج محاسباتی بدست آمده این دانشمندان و دادههای تجربی وجود دارد که نشان دهنده قابل اعتماد بودن روش و نتایج است. نکته مهم اینکه ساختار ترانس همیشه ثابت شده که نسبت به ساختار سیس پایدارتر است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Jian-Yi Chen</Author><Year>2010</Year><RecNum>16</RecNum><DisplayText>[19]</DisplayText><record><rec-number>16</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">16</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Jian-Yi Chen , Ming-Der Su</author></authors></contributors><titles><title>Diboration of the EdE Double Bond by [2] Metallocenophanes (E=N, P, As, Sb, and Bi): A Theoretical Study</title><secondary-title>Organometallics</secondary-title></titles><periodical><full-title>Organometallics</full-title></periodical><pages>5812-5820</pages><volume>29</volume><section>5812</section><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[19].
جدول 2-11 : خواص فیریکی از جمله انرژی تفکیک پیوند، انرژی تبدیل ترانس به سیس و مقادیر طول پیوند دوگانه تجربی برای مولکول Ph-E = E-Ph

2-5 نتیجه
آنچنان که مشاهده شد، مطالعات متعدد محاسباتی درباره ترکیبات مورد نظر ما یا مشتقات مختلف دیگر از این ترکیبات گزارش شده است اما هنوز یک تصویر مناسب با استفاده ازروشهای مکانیک کوانتومی آغازین در سطح نظری B3LYP/ Def2-TZVPP و تحلیل NBO که مولکول Ph-E = E-Ph حاوی اتمهای نیتروژن، فسفر، آرسنیک و آنتیموان را بررسی نماید نشان داده نشده است. اطلاعات تجربی در مورد ایزومریزاسیون ترکیبات مورد نظر منتشر شده اما دادههای تجربی یا نظری در مورد اثرات عدم استقرار و برهمکنش دوقطبی-دوقطبی برروی خواص پیکربندی ترکیبات ما منتشر نشده است. بررسی دقیق این پژوهش، درک بهتری از تاثیر اثرات مختلفی همچون اثرات استریوالکترونی، اثرات الکترواستاتیک و اثرات فضایی در تعیین پایداری گونههای مورد نظر بالا، که تاکنون ارائه نشده است، را فراهم میکند. در اینجا، ما یک بررسی کامل برای تعیین پایداری گونههای Ph-E = E-Ph حاوی اتمهای نیتروژن، فسفر، آرسنیک و آنتیموان را گزارش میکنیم. این مطالعه میتواند نشان دهنده اطلاعات بسیار مفیدی باشد که ضمن تایید، گسترش میدهد آنچه را که درباره پایداری مولکولهای موردنظر شناخته شده است و همچنین کمک میکند تا زمینهای برای مطالعات آینده ایجاد شود.
فصل سوم
محاسبات شیمیایی
3-1- مقدمه :
در اواخر قرن هفدهم، ایساک نیوتن موفق شد مکانیک کلاسیک و قوانین حرکت اجسام ماکروسکوپی را کشف کند. در اوایل قرن بیستم فیزیکدان‌ها دریافتند که مکانیک کلاسیک از توجیه صحیح رفتار ذرات خیلی کوچک، نظیر الکترون‌ها و هستۀ اتم‌ها و مولکول‌ها عاجز است و معلوم شد که رفتار چنین ذراتی توسط مجموعه‌ای از قوانین به نام مکانیک کوانتومی توصیف می‌شود ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>L. N. Levine</Author><Year>1991</Year><RecNum>30</RecNum><DisplayText>[20]</DisplayText><record><rec-number>30</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">30</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author><style face="normal" font="default" size="11">L. N. Levine,</style></author></authors></contributors><titles><title><style face="italic" font="default" size="11">QuantumChemistry</style></title><secondary-title><style face="normal" font="default" size="11">Prentice, Hall</style></secondary-title></titles><periodical><full-title>Prentice, Hall</full-title></periodical><dates><year><style face="normal" font="default" size="11">1991</style></year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[20].
شیمی کوانتومی دانش کاربرد مکانیک کوانتومی در مسایل مربوط به شیمی است. اثر شیمی کوانتومی در تمام شاخه‌های وابسته به شیمی قابل لمس است. مثلاً دانشمندان شیمی فیزیک، مکانیک کوانتومی را به کمک مکانیک آماری در محاسبات مربوط به خواص ترمودینامیکی (مانند آنتروپی و ظرفیت حرارتی گازها)، در تفسیر طیف‌های مولکولی به منظور تأئید تجربی خواص مولکولی (مانند طول‌ها و زوایای پیوندی، گشتاورهای دوقطبی، سدهای مربوط به دوران داخلی، تفاوت‌های انرژی بین ایزومرهای همدیس)، در محاسبات نظری خواص مولکولی برای محاسبۀ خواص حالات‌ گذار در واکنش‌های شیمیایی به منظور برآورد ثابت‌های سرعت واکنش، برای فهم نیروهای بین مولکولی و بالاخره برای بررسی‌ ماهیت پیوند در جامدات به کار می‌برند. دانشمندان شیمی آلی از مکانیک کوانتومی برای برآورد پایداری‌های نسبی مولکول‌ها محاسبۀ خواص واسطه‌های واکنش، بررسی سازوکار واکنش‌های شیمیایی، پیش‌بینی میزان ترکیبات و تحلیل طیف‌ها استفاده می‌کنند. دانشمندان شیمی تجزیه، به صورتی گسترده از روش‌های طیف سنجی کمک می‌گیرند. شدت و فرکانس‌های خطوط طیفی، تشابه کمک مکانیک کوانتومی قابل فهم و تفسیر هستند.
دانشمندان شیمی معدنی از نظریه میدان لیگاند که یک روش تقریبی مکانیک کوانتومی است، در توضیح خواص یون‌های مرکب فلزات واسطه سود می‌برند.
3-2-محاسبات شیمیایی
شیمی محاسباتی شاخه‌ای از شیمی نظری است که می‌تواند ساختار، انرژی‌ و دیگر خصوصیات شناخته شده یا نشده مولکول‌ها را پیشگویی کند. برای انجام محاسبات باید از کامپیوترهای رقمی استفاده نمود که سیستم‌های شیمیایی را شبیه‌سازی می‌نمایند. از طرف دیگر تمام روش‌های محاسباتی برای مطالعه‌ی یک مولکول مناسب نمی‌باشد. پس در ابتدا باید یک روش نظری مناسب را برای مطالعۀ یک مولکول انتخاب نمود. در شیمی محاسباتی، سیستم‌هایی که به طور دقیق قابل حل می‌باشند، عبارتند از سیستم‌های تک ذره‌ای یا دو ذره‌ای که سیستم دو ذره‌ای با استفاده از دستگاه مختصات مرکز جرم می‌تواند به دو مسئله تک ذره‌ای تبدیل شود. در مورد سیستم‌های چند ذره‌ای محاسبات ریاضی بسیار پیچیده و طولانی موردنیاز است. قبل از اختراع کامپیوتر، تعداد سیستم‌هایی که با دقت بالا قابل حل بودند، انگشت شمار بود. هم‌اکنون کامپیوتر در بسیاری از شاخه‌های علوم به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرد. در نتیجه شاخه‌ای جدید از شیمی به نام شیمی محاسباتی که در آن کامپیوتر به عنوان یک وسیلۀ تجربی مانند طیف نگار NMR، IR مربوط به مسایل شیمیایی است. به طورکلی روش‌های محاسباتی که برای مطالعه مکانیسم واکنش‌ها، پایداری ترمودینامیکی، ساختار و خواص مولکولی، از قبیل انرژی، طول پیوند و زاویه پیوندی به کار ‌رود، شامل دو روش اصلی مکانیک مولکولی (کلاسیک)1 و مکانیک کوانتومی می‌باشد.
3-2-1- روش‌های محاسباتی براساس مکانیک کلاسیکپایه و اساس این محاسبات، روش‌های مکانیک نیوتن است. در این روش‌ها قوانینی مانند قانون هوک مورد استفاده قرار می‌گیرد. از جمله این روش‌ها، روش تجربی میدان نیرو1(EFF) (مکانیک مولکولی نیز نامیده می‌شود) می‌باشد. روش مذکور از الگوی یک مولکول که در آن اتم‌ها توسط پیوندها به هم دیگر متصلند شروع می‌شود. برای برهم‌کنش بین اتم‌های ناپیوندی نیز سهمی منظور می‌شود. این روش‌ها توسط وستهایمر، هندریکسون، وایبرگ، الینر، وارشل و دیگران توسعه یافت.
انرژی الکترونی مولکولی U، به صورت زیر نوشته می‌شود:
(3-1)
که به ترتیب شامل انرژی کشش پیوند، انرژی خمشی پیوند و انرژی برهم‌کنش واندروالس و انرژی پیچشی می‌باشد. در روش MMP2 انرژی کشش پیوند به صورت تابع درجه دومی از تغییر هریک از طول‌های پیوند از طول تعادلی پیش‌بینی شده به صورت تعریف می‌شود:
(3-2)
که در آن ثابت نیرو برای کشش پیوند، i است.
در مورد یک جابجایی جزیی هسته‌ها از مواضع تعادلیشان، U به طور تقریبی یک تابع درجه دومی از است. انرژی خمشی پیوندبه صورت زیر در نظر گرفته می‌شود:
(3-3)
در رابطۀ فوق،، به ترتیب مبین زاویۀ موجود، زاویه تعادلی مورد انتظار و ثابت نیروی خمشی برای زاویۀ پیوندی i است. طول‌ها و زوایای مورد انتظار و عبارت از کمیت‌های انتخاب شده از هندسه‌های تعادلی معین، برای مولکول‌های کوچک آزادند (مثلاً طول‌های نوعی پیوند یگانه کربن- کربن برابر 53/1آنگستروم است). انرژی برهم‌کنش واندروالسی به صورت مجموع برهم‌کنش‌های بین زوج اتم‌های ناپیوندی بیان می‌شود. انرژی برهم‌کنش واندروالس به صورت زیر تعریف می‌شود:
(3-4)
مقدار انرژی واندروالسی به فاصلۀ مابین اتم‌ها بستگی دارد، از رابطۀ فوق زمانی استفاده می‌شود که باشد. در رابطۀ فوق r فاصلۀ مابین اتمی، مجموع شعاع واندروالسی دو اتم را نشان می‌دهد. به عنوان ثابت انرژی برای یک زوج اتم از رابطه
(3-5)
به دست می‌آید. و پارامترهای مربوط به سختی هر اتم می‌باشد. بنابراین برای دو اتم از یک نوع است. زمانی که باشد، معادله مربوط به انرژی واندروالسی به صورت زیر است:
(3-6)
عبارت مربوط به انرژی پیچشی به صورت زیر است:
(3-7)
که در آن ، و سدهای انرژی بوده و زاویۀ پیچش حول پیوند مشخص شده است. لازم به ذکر است که اگر مولکول دارای یک یا چند حلقه کوچک باشد، به منظور دخالت دادن کرنش فضایی حاصل، جملات دیگری اضافه می‌شوند. اگر مولکول دارای گروه‌های قطبی باشد، برای نمایش برهم‌کنش‌های الکتروستاتیکی بین این گروه‌ها، جملاتی اضافه می‌شود.
علاوه بر این‌، در مورد ترکیبات آروماتیکی، اطلاعاتی از قبیل مراتب پیوندهای ناشی از محاسبات مکانیک کوانتومی الکترون نیز شرکت می‌کنند. اگر پیوندهای هیدروژنی درون مولکولی وجود داشته باشد برای آن نیز جملاتی منظور می‌شود. چون تابع انرژی پتانسیلU برای ارتعاش مولکولی تولید می‌شود، لذا می‌توان روش EFF را به منظور محاسبه فرکانس‌های ارتعاشی مولکول به کار برد. توجه داشته باشید که تراز انرژی صفر به صورتی انتخاب می‌شود که با همه طول‌ها و زوایای پیوندی دارای مقادیر متداول و متناظر بوده و در آن برهم‌کنش‌های واندروالس ناپیوندی و یا برهم‌کنش‌های دورانی داخلی مطرح نباشد. در یک چنین حالت فرضی به خوبی می‌توان انرژی مولکولی را به صورت مجموعه‌ای از انرژی‌های پیوند تجربی تقریب کرد. به منظور اعمال روشEFF، داشتن داده‌های کافی برای انتخاب مقادیر پارامترها، ضروری است. از این رو، اغلب کاربردهای روش مزبور، در مورد هیدروکربن‌ها بوده است. مولکول‌های شامل گروه‌های قطبی منزوی نیز به راحتی از این طریق بررسی می‌شوند.
هم چنین با توجه به این که روش مذکور برای حالت پایۀ مولکول‌ها فرمول‌بندی شده‌اند، نمی‌تواند وضعیت‌های هندسی را که شامل فرایند شکستن یا گسستن پیوند می‌باشد را تعیین نماید. با این حال روش مکانیک مولکولی، برای محاسبه پایداری نسبی ساختارهای مولکولی مفید است زیرا محاسبات مربوط به آن مثل محاسبات اوربیتال مولکولی وقت‌گیر نیست و برای مطالعه مولکــول‌های نسبتاً بزرگ آلی مناسب می‌باشد.
تحقیـقات وسیعی در این زمیــنه توسط کولمـن1انجام شـده است که به نام روش AMBER 4.0 معروف است.
3-2-2- روش‌های محاسباتی براساس مکانیک کوانتومی
اساس محاسبات مکانیک کوانتومی نظریه اوربیتال مولکولی می‌باشد که از تقریب اوربیتال مولکولی هارتری فاک11استفاده می‌شود. از میان روش‌های مکانیک کوانتومی می‌توان به معادله موجی شرودینگر22، نمایش برداری دیراک33، جوردان44 و محاسبات ماتریسی هایزنبرگ55و بورن66اشاره کرد.
از میان روش‌های مذکور، نمایش‌برداری دیراک روش گسترش یافته‌تری در مقایسه با روش‌های دیگر است. معادله موجی شرودینگر از میان روش‌های فوق، شناخته شده‌تر می‌باشد. به همین دلیل در اکثر مسایل شیمیایی با حدس هامیلتونی واقعی7و تابع موج واقعی معادله شرودینگر حل می‌شود.
(3-8)
که در آنعملگر هامیلتونی، تابع موج و E انرژی تابع موج است. روش‌های محاسباتی مکانیک کوانتومی گستردگی بسیاری دارد، و شامل روش‌های ساده و پیچیده می‌باشد. از روش‌های محاسباتی ساده می‌توان نظریه هوکل را نام برد، که در آنها الکترون‌های لایه ظرفیت در نظر گرفته می‌شود و از روش‌های پیچیده، روش محاسباتی آغازین را می توان نام برد.
در حد فاصل روش‌های فوق روشهای نیمه تجربی قرار دارند، که هریک از آنها نیز روش‌های مختلفی را در بر می‌گیرند. اما وجه اشتراک تمام این روش‌ها این است که با استفاده از گرادیان انرژی ساختار مولکول را بهینه می‌کنند، یعنی یک مولکول با مناسب‌ترین پیکربندی و کمترین مقدار انرژی به دست می‌آید. علاوه بر این‌ها روش دیگری به نام روش دینامیک مولکولی وجود دارد که با استفاده از معادلات نیوتنی رفتار سیستم‌های فیزیکی را شبیه‌سازی می‌کند.
تفسیر واکنش شیمیایی براساس برهم‌کنش‌های بین اتم‌ها و مولکول‌ها دینامیک شیمیایی نامیده می‌شود. با پیشرفت این علم امیدی در دل شیمیدانان زنده می‌شود، که دیگر مجبور نخواهند بود نظاره‌گر آن باشند که واکنش شیمیایی چه محصولی برای او تولید می‌کند، بلکه می‌توانند به کمک دینامیک مولکولی، واکنش را به سوی تولید محصول دلخواه سوق ‌دهند.
با توجه به مطالب ذکر شده روش‌های محاسبات مکانیک کوانتومی به دو دسته تقسیم‌بندی می‌شود:
روش نیمه تجربی11
روش آغازین22
3-2-2-1- روش‌های نیمه تجربی
اگر در حل معادله شرودینگر به جای برخی انتگرال‌ها جواب آنها را قرار دهیم یا از بعضی از انتگرال‌ها که سهم ناچیزی در جواب معادله دارند صرف نظر کنیم، به این ترتیب تعداد انتگرال‌هایی که باید حل شوند کم شده و زمان لازم برای رسیدن به ساختار بهینه کمتر می‌شود. به این روش که حل معادله‌ی شرودینگر در آن با تقریب حل می‌شود روش‌های نیمه تجربی گویند.
روش‌های نیمه تجربی دو هدف را دنبال می کنند:
اختار حاصل از این محاسبه با روش‌های تجربی یکسان باشد. به این نوع روش‌ها، روش مکتب دوار3گویند.
ممکن است هدف این باشد که ساختار حاصل از این روش به ساختار حاصل از روش آغازین نزدیک باشد. به این روش، روش مکتب پاپل4گویند.
روش‌های نیمه تجربی معرفی شده به صورت زیر هستند:
1- روش اوربیتال مولکولی الکترون آزاد(FEMO)
2- روش اوربیتال مولکولی هوکل(HMO)
3- روش پار، پاپل، پاریزر(PPP) 4- روش گسترش یافته هوکل(EHMO) 5- روش چشم‌پوشی کامل از هم‌پوشی دیفرانسیلی دو اتمی(CNDO)
6- روش چشم‌پوشی متوسط از هم‌پوشی دیفرانسیلی دو اتمی(INDO)
7- INDO عمود شده متقارن(SINDO)
8- روش برهم‌کنش پیکربندی اغتشاشی با استفاده از اوربیتال‌های متمرکز(PCILO)
9- روش چشم‌پوشی از هم‌پوشی دیفرانسیلی دو اتمی (NDDO)
10- روش ابقاء جزئی هم‌پوشانی دیفرانسیلی دو اتمی(PRDDO)
11- روش اصلاح شده چشم‌پوشی متوسط از هم‌پوشانی دیفرانسیلی(MINDD)
12- روش اصلاح شده چشم‌پوشی از هم‌پوشانی دیفرانسیلی دو اتمی(MINDO)
13- روش تصحیح شده (AM1) MNDO
14- روش تصحیح شده (PM3) AM1
3-2-2-2 -روش‌های مکانیک کوانتومی آغازین
از این روش برای بررسی مولکول‌های کوچک استفاده می‌شود که یکی از معتبرترین روش‌های موجود می‌باشد که در آن تعداد بسیار محدودی تقریب استفاده شده است. این روش نسبت به روش‌های دیگر از ویژگی خاصی برخوردار است و آن این است که پیش‌بینی‌های آن براساس اصول اولیه کوانتومی نظیر ثابت‌های اساسی، سرعت نور، بار الکترون و ثابت پلانک بیان شده است.در این روش با حل معادله شرودینگر به انتگرال‌های روتان12می‌رسیم (روتان اولین کسی بود که به جای اوربیتال‌ها استفاده از توابع پایه را بنا نهاده است)، اگر تمام این انتگرال‌های چند الکترونی- چندمرکزی را حل کرده و بدون هیچ نوع دستکاری و تقریب به جواب برسیم، با (Ab initio) عمل کرده‌ایم.
در این روش از عملگر هامیلتونی استفاده می‌شود ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>L. N. Levine</Author><Year>1991</Year><RecNum>30</RecNum><DisplayText>[20]</DisplayText><record><rec-number>30</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">30</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author><style face="normal" font="default" size="11">L. N. Levine,</style></author></authors></contributors><titles><title><style face="italic" font="default" size="11">QuantumChemistry</style></title><secondary-title><style face="normal" font="default" size="11">Prentice, Hall</style></secondary-title></titles><periodical><full-title>Prentice, Hall</full-title></periodical><dates><year><style face="normal" font="default" size="11">1991</style></year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[20] .عبارت Ab initio بیانگر روش پیچیده برای حل اوربیتال‌های مولکولی بر مبنای اصول اولیه می‌باشد. در روش آغازین انتگرال‌ها را پارامتر ثابت در نظر نمی‌گیرند و باید حل شوند که این امر امکان‌پذیر نمی‌باشند. در این روش با اینکه فرضیات ساده‌ای در نظر گرفته می‌شود، اما به جواب‌های دقیق می‌توان دست یافت و با توجه به اینکه به زمان محاسباتی زیادی نیاز دارد، بیشتر برای مولکول‌های کوچک به کار می‌رود.
(3-9)
مشخصه هسته i و j مشخصه الکترون می‌باشد.
روش‌های آغازین در میان دیگر روش‌ها از اهمیت ویژه‌ای برخوردارند. تعیین توابع موج الکترونی دقیق برای مولکول‌ها کار دشواری است. با روش‌های آغازین می‌توان الگوی مناسبی را برای توابع موج الکترونیکی مولکول انتخاب کرده، و محاسبات را بدون تقریب‌های بیشتر یا داده‌های تجربی انجام داد. بنابراین در محاسبات آغازین تقریب براساس الگو قرار می‌گیرد. این امر به وضوح بر اعتبار نتایج حاصل، تأثیرگذار خواهد بود. به طوری که انتخاب نامناسب الگو منجر به نتایج ناصحیح و گمراه‌کننده می‌شود.
3-3-تقریب بورن اپنهایمر1خواص شیمیایی اتم‌ها و مولکول‌ها به کمک ساختار الکترونی آن‌ها تعیین می‌شود. الکترون‌ها بسیار سبکتر از هسته‌ها هستند و در اکثر مسائل ساختار مولکولی می‌توان حرکت الکترونی و هسته‌ای را به طور جداگانه بررسی کرد. الکترون‌ها بسیار سریعتر از هسته‌ها حرکت می‌کنند و می‌توان تصور کرد که الکترون‌ها ذاتاً یک پتانسیل استاتیکی را به واسطه هسته‌ها تجربه می‌کنند. به عبارت دیگر، ملاحظه می‌شود که هسته‌ها در معرض پتانسیل متوسطی به واسطۀ الکترون‌ها قرار دارند. این مطلب اساس جداسازی بورن- اپنهایمر است که در آن برای یک مولکول معادله شرودینگر کلی که حرکات الکترون‌ها و هسته‌ها را توصیف می‌کند، به دو معادلۀ مجزا برای الکترون‌ها و هسته‌ها تبدیل می‌شود. اگر هسته‌ها و الکترون‌ها را به صورت نقاط مادی در نظر بگیریم در این صورت هامیلتونی مولکول به صورت زیر است :
(3-10)
که در آن و مشخصه‌های هسته و و مشخصه‌های الکترون‌ها هستند. جمله اول موجود در معادلۀ بالا عملگر انرژی جنبشی هسته‌ها، جمله دوم مربوط به عملگر به انرژی جنبشی الکترون‌ها و جمله سوم مربوط به دافعۀ بین هسته‌ها است که در آن ، فاصلۀ بین هسته‌های و با اعداد اتمی را بیان می‌کند. جمله چهارم، بیانگر جاذبه بین الکترون‌ها و هسته‌ها است که در آن فاصلۀ بین الکترون i و هسته را نشان می‌دهد و در نهایت آخرین جمله دافعه بین الکترون‌هاست که در آن ، بیانگر فاصله بین الکترون‌های i و j است. معادلۀ شرودینگر کل را می‌توان به صورت عبارت (3-52) نوشت:
(3-11)
که در اینجا و عملگرهای انرژی جنبشی برای هسته‌ها و الکترون‌ها (به ترتیب در موقعیت‌های R و r نسبت به مرکز جرم) می‌باشد. جملات انرژی پتانسیل انرژی پتانسیل الکترواستاتیکی ناشی از برهم‌کنش‌های هسته-هسته، الکترون- هسته و الکترون- الکترون هستند. اگر حرکات هسته و الکترون‌ها قابل جدا کردن باشند، می‌توان تابع موج کل را به صورت توابع موج الکترونی و هسته‌ای نوشت:
(3-12)
تابع موج الکترونی ز لحاظ پارامتری به پیکربندی هسته‌ای (R) بستگی دارد و جوابی برای معادلۀ الکترونی شرودینگر محسوب می‌شود.

–393

10- مرتبه علمی استاد راهنمای اول: 1) استادیار 2) دانشیار FORMCHECKBOX 3) استاد FORMCHECKBOX
11- شماره دانشجویی دانشجو: 900788819
12- نام دانشجو: ساجد
13- نام خانوادگی دانشجو: پاک
14- تاریخ تصویب پایان‌نامه: 14/8/1392
15- تاریخ دفاعیه: 29/2/1393 28- نمره پایان‌نامه: 65/17
« فرم ارائه چکیده پژوهش یا رساله »
عنوان رساله یا پژوهش: مطالعه تشکیل نانو ترکیبات پرانرژی 2و 22 بی 1 هیدروژن ایمیدازول با روشهای محاسباتی
نام خانوادگی دانشجو: پاک نام: ساجد مقطع : کارشناسی ارشد تاریخ دفاع:29/2/1393 نمره دفاع: 65/17
گروه علمی:
علوم پزشکی 
علوم انسانی 
علوم پایه
فنی و مهندسی 
کشاورزی 
هنر 

رشته تحصیلی:
رشته تحصیلی:
رشته تحصیلی: شیمی
رشته تحصیلی:
رشته تحصیلی:
رشته تحصیلی:
گرایش:
گرایش:
گرایش: کاربردی
گرایش:
گرایش:
گرایش:
نام خانوادگی استاد راهنما (1): میرزایی
نام خانوادگی استاد راهنما (2):
نام خانوادگی استاد مشاور(1):
نام خانوادگی استاد مشاور(2):
نام: محمود
نام:
نام:
نام:
رتبه دانشگاهی: استادیار
رتبه دانشگاهی:
رتبه دانشگاهی:
رتبه دانشگاهی:
رشته تحصیلی: شیمی - فیزیک
رشته تحصیلی:
رشته تحصیلی:
رشته تحصیلی:
چکیده فارسی پژوهش یا رساله ( شامل: خلاصه اهداف، روش‌های اجرا و نتایج به دست آمده ـ حداکثر در 10 سطر):
اولین بار احتمال دستکاری ماده در سطح نانو توسط ریچارد فاینمن بصورت نوشته شده مطرح شد.کسی که در طول کنفرانس خود به نام " There`s plenty of room at the bottom " استفاده از بلوکهای اتمی برای تجمع در سطح مولکولی را شرح داد. نانولولههای کربنی سامانههای نانوی منحصر به فرد با خصوصیات مکانیکی و الکترونیکی فوق العاده هستند که از ساختار مولکولی غیرمعمول آنها سرچشمه میگیرد.در این تحقیق از ترکیب Bi H Imidazole به عنوان ترکیب مرجع استفاده شده است ، که با قرار دادن نانولوله کربن به همراه پروپان در موقعیت های مختلف مولکول مرجع خواص ترمودینامیکی آنها مورد بررسی قرار میگیرد. که این خواص شامل انرژی،HOMO,LUMO انتالپی ،ممان دوقطبی و دیگر خواص مهم است. و از شیمی محاسباتی برای تعیین پارامتر های مختلف استفاده می شود. ودر آخر تاثیر استخلافهای CNT PR بر مولکول مرجع با هم مقایسه می شود.
اهداف علمی : گسترش مرزهای دانش در حوزه نانوترکیبات پرانرژی
اهداف کاربردی : بهره گیری از نانو ساختارها در بهره وری پر انرژی از آنها

فرم تعهد نامه اصالت رساله یا پژوهش
اینجانب ساجد پاک دانش آموخته مقطع کارشناسی ارشد ناپیوسته رشته شیمی گرایش کاربردی که در تاریخ 29/2/1393 از پایان نامه خودباعنوان مطالعه تشکیل نانوترکیبات پرانرژی 2و2َ بی 1 هیدروژن ایمیدازول با روش‌های محاسباتی با کسب نمره 17.65 و درجه ............... دفاع نموده ام ،بدین وسیله متعهد می شوم:
این پژوهش حاصل تحقیق و پژوهش انجام شده توسط اینجانب بوده ودر مواردی که از دستاوردهای علمی وپژوهشی دیگران (اعم از پژوهش ،کتاب ،وپروژه - ریسرچو...) استفاده نموده ام ، مطابق ضوابط و رویه موجود ، نام منبع مورد استفاده وسایر مشخصات آن را در فهرست مربوطه ذکر ودرج کرده ام.
این پژوهش قبلا برای دریافت هیچ مدرک تحصیلی (هم سطح، پایین تر یا بالاتر)در سایر دانشگاهها وموسسات عالی ارائه نشده است.
چنانچه بعد از فراغت از تحصیل ، قصد استفاده یا هر گونه بهره برداری اعم از چاپ کتاب ، ثبت واختراع و... از این پژوهش را داشته باشم ، از حوزه معاونت پژوهشی واحد مجوز های مربوطه را اخذ نمایم.
چنانچه در هر مقطع زمانی خلاف موارد فوق ثابت شود ، عواقب ناشی از آن را می پذیرم و واحد دانشگاهی مجاز است با اینجانب مطابق با ضوابط ومقررات رفتار نموده ودر صورت ابطال مدرک تحصیلی ام هیچگونه ادعایی نخواهم داشت.

نام و نام خانوادگی:
تاریخ و امضاء:
فهرست مطالب
عنوان صفحه
چکیده فارسی ......................................................................................................................................................... 1
مقدمه ..................................................................................................................................................................... 2
فصل اول :کلیات
1-1- مباحث بنیادی ........................................................................................................................................................................ 4
1-1-1- تاریخچه نانو فناوری ......................................................................................................................................................... 4
1-1-2- تعریف .................................................................................................................................................................................. 4
1-1-3- سرمایه گذاری ................................................................................................................................................................... 4
1-2- نانو لوله های کربنی ............................................................................................................................................................... 5
1-2-1- زمینه تاریخی .................................................................................................................................................................... 6
1-3- ایمیدازول ............................................................................................................................................................................ 9
1-3-1- تعریف ............................................................................................................................................................................... 9
1-4- خواص فیزیکی ایمیدازول ها ........................................................................................................................................... 11
1-4-1- نقطه ذوب و جوش ...................................................................................................................................................... 11
1-4-2- حلالیت ........................................................................................................................................................................... 13
1-4-3- ویسکوزیته ................................................................................................................................................................... 15
1-4-4- ممان دوقطبی ............................................................................................................................................................... 16
1-4-5- خواص فیزیکی مختلف ................................................................................................................................................ 17
1-5- خواص شیمیایی ایمیدازول ها ....................................................................................................................................... 18
1-5-1- قدرت پایه ای ............................................................................................................................................................... 18
1-5-2- خاصیت شبه اسیدی ................................................................................................................................................... 20
1-5-3- پایداری شیمیایی و خاصیت آروماتیکی ................................................................................................................ 21
فصل دوم : مروری بر متون گذشته
2-1- شیمی محاسباتی ............................................................................................................................................................... 24
2-2- روش های محاسباتی ......................................................................................................................................................... 25
2-2-1- روش های محاسباتی آغازین ....................................................................................................................................... 26
2-2-1-1- روش میدان خودسازگار هارتری- فاک ................................................................................................................ 26
2-2-1-2- نظریه اختلال مولر- پلست ..................................................................................................................................... 26
2-2-1-3- روش های نیمه تجربی .......................................................................................................................................... 27
2-2-1-4- روش محاسباتی مکانیک مولکولی ........................................................................................................................ 27
2-3- نظریه تابعی چگالی ............................................................................................................................................................ 28
2-4- سری پایه ............................................................................................................................................................................. 29
2-5- نرم افزار های مورد استفاده .............................................................................................................................................. 31
2-5-1- نرم افزار گوسین ............................................................................................................................................................. 31
2-5-2- نرم افزار های هایپرکم و گووس ویو ...................................................................................................................... 33
فصل سوم : روش های پژوهش
3-1- توضیحاتی درباره ی روش محاسبات ............................................................................................................................ 35
3-2- مولکول 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول ............................................................................................................................... 36
3-3- مولکول CNT-PR ........................................................................................................................................................... 39
3-4- مولکول 2و2َ بی هیدروژن ایمیدازول با یک استخلاف ............................................................................................... 43
CNT-PR در موقعیت کربن R2
3-5- مولکول 2و2َ بی هیدروژن ایمیدازول با یک استخلاف ............................................................................................... 47
CNT-PRدر موقعیت کربن R4
3-6- مولکول 2و2َ بی هیدروژن ایمیدازول با دو استخلاف ................................................................................................. 51
CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R2
3-7- مولکول 2و2َ بی هیدروژن ایمیدازول با دو استخلاف .................................................................................................. 57
CNT-PR در موقعیت کربنR2 و R3
3-8- مولکول 2و2َ بی هیدروژن ایمیدازول با دو استخلاف ................................................................................................ 63
CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R4
3-9- مولکول 2و 2َ بی هیدروژن ایمیدازول با سه استخلاف .............................................................................................. 69
CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R2 و R3وHG7251
3-10- مولکول 2و2َ بی هیدروژن ایمیدازول با سه استخلاف ............................................................................................. 75
CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R3 و R4
3-11- مولکول 2و2َ بی هیدروژن ایمیدازول با چهار استخلاف ......................................................................................... 81
CNT-PR در موقعیت کربن R1 و R2 و R3 و R4
فصل چهارم : نتایج و مشاهدات
4-1- روش بدست آوردن خواص ترمودینامیکی مورد نظر ................................................................................................. 89
4-2- : تشریح ساختار مدلها، مقادیر انرژی، آنتالپی واکنش، بار مولیکن، ................................................................. 90
همسانگرد و نا همسانگرد، δ و Cq بدست آمده
فصل پنجم : بحث و نتیجه گیری
5-1- بررسی انرژی های تشکیل بهینه شده .......................................................................................................................... 97
5-2- بررسی گپ انرژی هومو – لومو ........................................................................................................................................ 98
5-3-بررسی ممان دوقطبی ......................................................................................................................................................... 99
5-4-بررسی آنتالپی واکنش .................................................................................................................................................... 100
5-5- بررسی بار مولیکن ......................................................................................................................................................... 101
5-6- بررسی پوشش شیمیایی همسانگرد و نا همسانگرد .................................................................................................. 102
5-7- بررسی ثابت جفت شدگی چهار قطبی هسته Cq ................................................................................................... 105
5-8- بررسی تغییر مکان شیمیایی δ .................................................................................................................................... 106
5-9-نتیجه گیری ...................................................................................................................................................................... 108
منابع .............................................................................................................................................................................................. 109
چکیده انگلیسی ....................................................................................................................................................................... 112
فهرست جداول
عنوان صفحه
جدول 1-1- دمای جوش ترکیبات هتروسیکل پنج عضوی ................................................................................................ 12
جدول 1-2- دمای جوش ایمیدازول با استخلافهای مختلف ................................................................................................ 12
جدول 1-3- دمای ذوب تعدادی از ترکیبات ایمیدازول با استخلافهای مختلف .............................................................. 13
جدول 1-4- حلالیت 4یا5 متیل ایمیدازول در بنزن ............................................................................................................. 14
جدول 1-5- مقادیر کمی حلالیت ایمیدازول در بنزن و دیو اکسان .................................................................................. 14
جدول 1-6- ویسکوزیته محلول بنزن، ایمیدازول و 4 یا 5 متیل ایمیدازول ................................................................. 15
جدول 1-7- ممان دوقطبی برای برخی ترکیبات ایمیدازولها .............................................................................................. 16
در حلالهای مختلف بر حسب دبای
جدول 1-8- ممان دوقطبی ایمیدازول در غلظتهای مختلف بر حسب دبای .................................................................... 16
جدول 1-9- دانسیته، ضریب شکست و مولار حالت انکسار مشتقات ................................................................................ 17
ایمیدازول در دماهای مختلف
جدول 1-10- کشش سطحی مشتقات ایمیدازول در دماهای مختلف .............................................................................. 18
جدول 1-11- گرمای ذوب و گرمای محلول مشتقات ایمیدازول ....................................................................................... 18
در بنزن محلول در غلظت های مختلف
جدول 1-12 نقطه ذوب تعدادی از نمکهای ایمیدازول ........................................................................................................ 18
جدول 1-13 قدرت پایه ای تعدادی از ایمیدازولها ............................................................................................................... 19
جدول 3-1 استخلافهای CNT-PR در موقعیت های مختلف ....................................................................................... 36
در مولکول 2و2َ بی 1 هیدروژن ایمیدازول
جدول 3-2-1- مقادیر انرژی مولکول 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول بدون گروه عاملی ................................................... 37
جدول 3-2-2- بار مولیکن برای تک تک اتم های 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول ............................................................ 37
جدول 3-2-3- مقادیر همسانگرد و ناهمسانگرد برای تک .................................................................................................. 38
تک اتم های 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول
جدول 3-2-4- مقادیر Cq و δ برای تک تک اتم های مولکول ........................................................................................ 38
2و2َ بی هیدروژن ایمیدازول
جدول 3-3-1- مقادیر انرژی مولکول CNT-PR ............................................................................................................. 39
جدول 3-3-2- : بار مولیکن تک تک اتم های مولکول CNT-PR ............................................................................... 40
جدول 3-3-3- مقادیر همسانگرد و ناهمسانگرد برای تک تک اتم های ......................................................................... 41
مولکول CNT-PR
جدول 3-3-4- مقادیر Cq و δ برای تک تک اتم های مولکول CNT-PR ............................................................ 42
جدول 3-4-1- : مقادیر انرژی مولکول 2و2َ بی هیدروژن ایمیدازول ............................................................................... 44
با یک استخلاف CNT-PRدر موقعیت کربن R2
جدول 3-4-2- : مقادیر بار مولیکن برای تک تک اتمهای مولکول2و2َبی هیدروژن .................................................... 44
ایمیدازول با یک استخلاف CNT-PRدر موقعیت کربن R2
جدول 3-4-3- مقادیر همسانگرد و ناهمسانگرد برای تک تک اتمهای مولکول ............................................................ 45
2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با یک استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR2
جدول 3-4-4- مقادیر Cq و δ برای تک تک اتم های مولکول2و2َبی هیدروژن ......................................................... 46
ایمیدازول با یک استخلاف CNT-PR در موقعیت کربن R2
جدول 3-5-1- مقادیر انرژی مولکول 2و2َ بی هیدروژن ایمیدازول با ............................................................................. 47
یک استخلاف CNT-PRدر موقعیت کربن R4
جدول 3-5-2- مقادیر بار مولیکن برای تک تک اتمهای مولکول2و2َبی هیدروژن........................................................ 48
ایمیدازول با یک استخلاف CNT-PRدر موقعیت کربنR4
جدول 3-5-3- مقادیر همسانگرد و ناهمسانگرد برای تک تک اتمهای مولکول ............................................................ 49
2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با یک استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR4
جدول 3-5-4- مقادیر Cq و δ برای تک تک اتم های مولکول2و2َبی هیدروژن ........................................................... 50
ایمیدازول با یک استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR4
جدول 3-6-1- مقادیر انرژی برای مولکول 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با ..................................................................... 51
دو استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R2
جدول 3-6-2- مقادیر بار مولیکن برای تک تک اتمهای مولکول2و2َبی هیدروژن ....................................................... 52
ایمیدازول با دو استخلاف CNT-PRدر موقعیت کربنR1 و R2
جدول 3-6-3- مقادیر همسانگرد و ناهمسانگرد برای تک تک اتمهای مولکول2و2َبی ................................................ 53
هیدروژن ایمیدازول با دو استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R2
جدول 3-6-4- مقادیر Cq و δ برای تک تک اتم های مولکول2و2َبی هیدروژن ......................................................... 55
ایمیدازول با دو استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R2
جدول 3-7-1- مقادیر انرژی برای مولکول 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با دو ............................................................... 57
استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR2 و R3
جدول 3-7-2- : مقادیر بار مولیکن برای تک تک اتمهای مولکول2و2َبی هیدروژن ..................................................... 58
ایمیدازول با دو استخلاف CNT-PRدر موقعیت کربن R2 و R3
جدول 3-7-3- مقادیر همسانگرد و ناهمسانگرد برای تک تک اتمهای مولکول2و2َبی ................................................ 59
هیدروژن ایمیدازول با دو استخلاف CNT-PR در موقعیت کربن R2 و R3
جدول 3-7-4- مقادیر Cq و δ برای تک تک اتم های مولکول2و2َبی هیدروژن ......................................................... 61
ایمیدازول با دو استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR3 و R2
جدول 3-8-1- مقادیر انرژی برای مولکول 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با دو ................................................................. 63
استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R4
جدول 3-8-2- مقادیر بار مولیکن برای تک تک اتمهای ملکول مولکول 2و2َبی .......................................................... 64
هیدروژن ایمیدازول با دو استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R4
جدول 3-8-3- مقادیر همسانگرد و ناهمسانگرد برای تک تک اتمهای مولکول 2و2َبی ................................................ 65
هیدروژن ایمیدازول با دو استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R4
جدول 3-8-4- مقادیر Cq و δ برای تک تک اتم های مولکول2و2َبی هیدروژن ......................................................... 67
ایمیدازول با دو استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R4
جدول 3-9-1- مقادیر انرژی برای مولکول 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با سه استخلاف ............................................. 69
CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R2 و R3
جدول 3-9-2- مقادیر بار مولیکن برای تک تک اتمهای مولکول 2و2َبی هیدروژن .................................................... 70
ایمیدازول با سه استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R2 و R3
جدول 3-9-3- مقادیر همسانگرد و ناهمسانگرد برای تک تک اتمهای مولکول 2و2َبی ............................................. 71
هیدروژن ایمیدازول با سه استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R2 و R3
جدول 3-9-4- مقادیر Cq و δ برای تک تک اتم های مولکول2و2َبی هیدروژن ......................................................... 73
ایمیدازول با سه استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R2 و R3
جدول 3-10-1- مقادیر انرژی برای مولکول 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با سه .......................................................... 75
استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R3 و R4
جدول 3-10-2- مقادیر بار مولیکن برای تک تک اتمهای مولکول 2و2َبی هیدروژن .................................................. 76
ایمیدازول با سه استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R3 و R4
جدول 3-10-3- مقادیر همسانگرد و نا همسانگرد برای تک تک اتمهای مولکول 2و2َبی .......................................... 77
هیدروژن ایمیدازول با سه استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R3 و R4
جدول 3-10-4- مقادیر δ و Cq برای تک تک اتمهای مولکول 2و2َبی هیدروژن ........................................................ 79
ایمیدازول با سه استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R3 و R4
جدول 3-11-1- مقادیر انرژی برای مولکول 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با .................................................................. 81
چهار استخلاف CNT-PR در موقعیت کربن R1 و R2 و R3 و R4
جدول 3-11-2- مقادیر بار مولیکن برای تک تک اتمهای مولکول 2و2َبی هیدروژن .................................................. 82
ایمیدازول با چهار استخلاف CNT-PR در موقعیت کربن R1 و R2 و R3 و R4
جدول 3-11-3- مقادیر همسانگرد و نا همسانگرد برای تک تک اتمهای مولکول 2و2َبی .......................................... 84
هیدروژن ایمیدازول با چهار استخلاف CNT-PR در موقعیت کربن R1 و R2 و R3 و R4
جدول 3-11-4- مقادیر δ و Cq برای تک تک اتمهای مولکول 2و2َبی هیدروژن ....................................................... 86
ایمیدازول با چهار استخلاف CNT-PR در موقعیت کربن R1 و R2 و R3 و R4
فهرست اشکال
عنوان صفحه
شکل 1-1- رول شدن ورق گرافن و تبدیل آن به نانولوله ....................................................................................................... 5
شکل 1-2- انواع مختلف از نانو ساختارها .................................................................................................................................. 6
شکل 1-3- بسته شدن انتهای نانولوله ها به وسیله ی کلاهک .............................................................................................. 7
شکل 1-4- انواع نانولولهها از نظر کایرالیتی .............................................................................................................................. 8
شکل 1-5- زوایای مربوط به جهت رول شدن ورقه ی گرافن برای تشکیل نانولوله ........................................................ 8
شکل 1-6- ایمیدازول ..................................................................................................................................................................... 9
شکل 1-7- توتومری شدن ......................................................................................................................................................... 10
شکل 1-8- حالتهای مختلف از استخلافهای قرار گرفته در موقعیت های 4و5 ............................................................. 10
شکل 1-9- حالت های مختلف از استخلافها بر روی آمین ................................................................................................. 11
شکل 1-10- اثر کانژوگاسیون ................................................................................................................................................... 19
شکل 1-11- قرار گرفتن گروه نیترو در موقعیت های مختلف و تاثیر بر قدرت پایه ای .............................................. 20
شکل 1-12- ساختار کلی نمک ایمیدازول با فلزات ............................................................................................................. 21
شکل 1-13- هیدروژناسیون حلقه بنزن .................................................................................................................................. 22
شکل 3-1- نانو لوله کربن به همراه پروپان و 2و2َ بی 1 هیدروژن ایمیدازول ................................................................ 35
شکل 3-2- مولکول 2و2َ بی 1 هیدروژن ایمیدازول ............................................................................................................. 36
شکل 3-3- CNT به همراه پروپان ....................................................................................................................................... 39
شکل 3-4- مولکول 2و2َ بی هیدروژن ایمیدازول با یک استخلاف ................................................................................... 43
CNT-PRدر موقعیت کربن R2
شکل 3-5- مولکول 2و2َ بی هیدروژن ایمیدازول با یک استخلاف CNT-PR ........................................................... 47
در موقعیت کربن R4
شکل 3-6- مولکول 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با دو استخلاف ........................................................................................ 51
CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R2
شکل 3-7- مولکول 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با دو استخلاف ...................................................................................... 57
CNT-PR در موقعیت کربن R2 و R3شکل 3-8- مولکول 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با دو استخلاف ....................................................................................... 63
CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R4
شکل 3-9- مولکول 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با سه استخلاف ..................................................................................... 69
CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R2 و R3
شکل 3-10- مولکول 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با سه استخلاف .................................................................................. 75
CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R3 و R4
شکل 3-11- . مولکول 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با چهار استخلاف ............................................................................ 81
CNT-PR در موقعیت کربن R1 و R2 و R3 و R4
فهرست نمودارها
عنوان صفحه
نمودار 5-1- انرژی تشکیل بهینه شده برای مدل های مورد مطالعه .............................................................................. 97
نمودار 5-2- بررسی گپ انرژی هومو – لومو برای مدل های مورد مطالعه ................................................................... 98
نمودار 5-3- بررسی ممان دوقطبی برای مدل های مورد مطالعه .................................................................................... 99
نمودار 5-4- بررسی آنتالپی واکنش برای مدل های مورد مطالعه ................................................................................ 100
نمودار 5-5- بررسی بار مولیکن برای اتمهای مدل های مورد مطالعه ........................................................................... 102
نمودار 5-6- بررسی پوشش شیمیایی ناهمسانگرد برای اتمهای مدل های مورد مطالعه .......................................... 104
نمودار 5-7- بررسی پوشش شیمیایی همسانگرد برای اتمهای مدل های مورد مطالعه ........................................... 104
نمودار 5-8- بررسی ثابت جفت شدگی چهار قطبی هسته برای اتمهای مدل های مورد مطالعه .......................... 106
نمودار 5-9- بررسی تغییر مکان شیمیایی برای اتمهای مدل های مورد مطالعه ....................................................... 108
چکیده فارسی
مشتقات ایمیدازول با بیش از دو گروه نیترو، انتظار می رود که مواد پرانرژی بالقوه ای برای فرمولاسیون مواد منفجره غیر حساس باشند.در این تحقیق از یکی از مشتقات ایمیدازول با نام 2و2َ بی 1 هیدروژن ایمیدازول، به عنوان ترکیب مرجع استفاده شد. و با اضافه کردن نانو لوله کربنی به همراه پروپان (به عنوان Linker) به ترکیب مرجع (در موقعیت های مختلف) مدل های مختلفی ساخته شد. سپس از محاسبات تئوری تابعی چگالی برای پیش بینی خواص ترمودینامیکی استفاده شد، این مدل ها به سطح انرژی حداقل خود بهینه شدند. این محاسبات دقیقا برای تک تک مدل ها اجرا شد. حاصل مرحله ی بهینه سازی یعنی پارامتر های انرژی تشکیل بهینه شده، آنتالپی تشکیل، گشتاور دو قطبی(DM) ، انرژی بالاترین اوربیتال پر شده (HOMO) و انرژی پایین ترین اوربیتال پر نشده (LUMO) و گاف انرژی (Eg) می باشند که در جداول جداگانه ای گردآوری شدند. همچنین خواص دیگری از قبیل بار مولیکن،همسانگرد و ناهمسانگرد، δ و Cq هم برای اتمهای مختلف بررسی شد. در این تحقیق از سری پایه b3lyp/6-31G* در محاسبات استفاده شد.
کلید واژه: ایمیدازول، مواد پر انرژی، نانو لوله های کربنی، محاسبات تئوری تابع چگالی، سری پایه
مقدمه
در طی دو دهه اخیر پیشرفتهای عمده ای در مورد مواد پر انرژی (High energy materials)، مانند کامپوزیتها یا مواد مرکب مولکولی و یا به اصطلاح نانو مواد پر انرژی صورت گرفته است.
این موا به سرعت می توانند حرارت و اواج با فشار بالا آزاد کنند و کاربرد های گسترده ای در پیشرانها، مواد منفجره و پرایمرها یا آغازگرها دارند و در حال حاضر تحقیقات گسترده ای برای آن در حال انجام است. آنها می توانند چگالی انرژی بالاتری نسبت به مواد منفجره معمولی داشته باشند و می توانند امواج شوک با سرعت بیش از 2500 متر بر ثانیه تولید کنند.
کامپوزیتها معمولا مخلوطی از دو ترکیب، که یکی از آنها به عنوان سوخت و دیگری به عنوان اکسید کننده تعریف می شود. استفاده از نانو ذرات در مقیاس نانو به جای دیگر مواد ریز، ارتباط بین سوخت و اکسید کننده را افزایش، محدودیت های انتقال جرم را کاهش ، سرعت واکنش و واکنش پذیری محلول را افزایش می دهد.
تحقیقات در زمینه ی مواد پر انرژی(High energy materials)، راه را به روی ترکیبات نیتروژن دار و از جمله ترکیبات هتروسیکلی نیتروژن دار به عنوان منبعی برای انرژی یا قدرت انفجاری گشود. حتی نیتروژن خالص هم میتواند به عنوان منبعی برای انرژی در نظر گرفته شود و این به دلیل اختلاف بسیار زیاد انرژی پیوند سه گانهی N2 و انرژی پیوند یگانه N-N است. مواد پر انرژی نیتروژن دار نقش اساسی را در سلاحهای هسته ای به عنوان نیروی انفجاری ایفا میکنند.
فصل اول
کلیات
1-1-مباحث بنیادی
1-1-1-تاریخچه نانو فناوری1
اولین بار احتمال دستکاری ماده در سطح نانو توسط ریچارد فاینمن2 بصورت نوشته شده مطرح شد.کسی که در طول کنفرانس خود به نام " There`s plenty of room at the bottom " استفاده از بلوکهای اتمی برای تجمع در سطح مولکولی را شرح داد. در این سخنرانی که در سال 1959 صورت گرفت، فاینمن عنوان کرد که «اصول فیزیکی تا جایی که می تواند برخلاف احتمال مانور اتم به اتم اشیاء سخن نمیگوید. در اصل دستکاری اتم ها را می توان انجام داد، ولی تاکنون در عمل انجام نشده است، زیرا ما بزرگ هستیم.» واژه نانوفناوری اولین بار توسط نورینو تاینیگوچی3 استاد علوم دانشگاه توکیو مطرح شد. ایشان اولین واژه را برای توصیف ساخت مواد و وسایل دقیقی که ابعاد آن ها در مقیاس نانومتر می باشد، بکار برد. به هرحال زمینه نانوفناوری از سوی کیم اریک درکسلر4 و ریچارد اسمالی5 بنا نهاده شد.{1}
1-1-2- تعریف
دانش نانو مطالعه‌ی پدیده‌ها و دستکاری مواد در مقیاس اتمی، مولکولی و ماکرومولکولی است، جایی که جزییات آنها تفاوت بسیاری با مقیاسهای بزرگتر دارند. نانوفناوری‌ طراحی، توصیف صفات، تولید و به کار گیری ساختارها، دستگاه‌ها و سامانه‌ها به وسیله ی تنظیم شکل و اندازه‌ در مقیاس نانومتر است. وبسایت ناسا یک تعریف جالب از نانوفناوری ارائه داده است: خلق مواد، دستگاه‌ها و سامانه‌های وظیفه مند از طریق تنظیم اندازه‌ها در مقیاس نانومتر (1 تا 100 نانومتر) و استخراج پدیده‌ها و جزئیات جدید (فیزیکی، شیمیایی، بیولوژیکی) در آن مقیاس. دیکشنری انگلیسی آکسفورد نانوفناوری را "فناوری در مقیاس نانو با تمرکز روی ابعاد کمتر از 100 نانومتر" تعریف می‌کند. پیشوند نانو از واژهای یونانی به معنی کوتاه مشتق شده و یک نانومتر مساوی با یک میلیاردیوم متر یا همان 10-9 متر است. بنابراین اندازهای نانومواد باید به گونهای باشد که حداقل یک بعد آنها کوچکتر از 100 نانومتر باشد.{5}
1-1-3- سرمایه گذاری
نانوفناوری طی 10 سال گذشته سرمایهگذاری قابلتوجهی را به خود اختصاص داده است. سرمایه گذاری دولتها مابین سالهای 1997 و 2005 چیزی در حدود 18 میلیارد دلار تخمین زده می شود.

اخیراً سرمایهگذاریهای چند جانبهای توسط دولتهای آمریکا، اروپا، ژاپن و بقیهی کشورهای جهان صورت گرفته است که فقط در سال 2003 بالغ بر 3 میلیارد دلار بوده است.
برای مثال در ایالات متحده آمریکا بنیاد ملی نانو 6(NNI) یک برنامهی ملی برای هماهنگ کردن تلاشهای موسسات مختلف در زمینههای دانش، مهندسی و فناوری نانو است. بودجهی سال 2007 آمریکا مبغلی در حدود 1.2 میلیارد دلار به بنیاد اختصاص داد و کل سرمایهگذاری انجام شده از سال تأسیس آن یعنی سال 2001 تاکنون 6.5 میلیارد دلار بوده است و اخیراً به صورت سالیانه 3 برابر بودجهی سال اول را شامل میشود. این سرمایهگذاری تولیدات زیادی که اساسش نانوتکنولوژی است و یا شامل نانومواد میشوند، از جمله آنهایی که هماکنون در بازار موجود است را موجب شده است.{5}
1-2- نانو لوله های کربنی
نانولولههای کربنی سامانههای نانوی منحصر به فرد با خصوصیات مکانیکی و الکترونیکی فوق العاده هستند که از ساختار مولکولی غیرمعمول آنها سرچشمه میگیرد.
یک نانولهی کربنی ایدهآل را میتوان یک گرافیت تک لایه (ورق گرفن) که برای ساختن یک استوانهی یکپارچهی تو خالی رُل شده است در نظر گرفت. این استوانهها میتوانند با ابعادی به کوچکی 7.0 نانومتر دهها میکرون طول داشته باشند و در هر دو سر با کلاهکهای شبه فولرنی بسته شده اند.
38183725654000

شکل1.1. رول شدن ورق گرافن و تبدیل آن به نانولوله.{16و17}
یک نانولهی کربنی که ضخامت دیوارهای به اندازهی یک ورقهی کربنی داشته باشد نانولولهی کربنی تک دیواره یا (SWCNT)7 نامیده میشود. بر اثر برهمکنشهای واندروالسی آنها اغلب در زنجیرههای طولانی متراکم میشوند. آرایشهای منظمی از SWCNT ها در یک شبکهی سهگوش گرد هم میآیندSWCNT ها را میتوان بلوکهای سازندهی نانولولههای کربنی چند دیواره MWCNT8 در نظر گرفت، که درحقیقت آرایش متحدالمرکزی از SWCNT ها با افزایش ضخامت هستند. MWCNT ها نیز معمولا میکرونها درازا دارند،با قطر خارجی در حدود دو تا دهها نانومتر و با طیف گستردهای از ساختارها . {16و17}

شکل2.1. انواع مختلف از نانو ساختارها. {16و17}
1-2-1- زمینه تاریخی
اکتشاف نانولولههای کربنی از علاقهی محققان به مواد کربنی پیرو سنتز ساختارهای قفس مانند به نام فولرنها در دانشگاه رایس به وسیلهی کروتو، اسمالی و همکاران در دهه 80 میلادی سرچشمه میگیرد. در سال 1991 لیجیما در لابراتوار NEC در ژاپن، برای اولین بار نانولولههای کربنی را با استفاده از میکروسکوپ انتقال الکترونی با وضوح بالا 9(HRTEM) مشاهده کرد. همزمان ، دانشمندان روس در انستیتو شیمیفیزیک مسکو مستقلاً CNT و کلافهای نانولولهای را در مقیاس بسیار کوچکتری کشف کردند. هر دو گروه تحقیقاتی MWCNT ها را مشاهده کرده بودند.

مدتی بعد، در سال 1992 گروه لیجیما10 و بتون11 در لابراتوار IBM برای اولین بار SWCNT ها را مشاهده کردند.
در همان زمان، مطالعات تئوری زیادی انجام شد که پیشبینی میکرد نانولولهها میتوانند بر اساس ضخامت و کایرالیتهشان (چرخش ششگوشه ها با تقید به محور اصلی نانولوله) خاصیت فلزی یا نیمهرسانایی داشته باشند.
این پیشبینیهای تئوری مهیج علاقهی فوق العاده زیادی که CNTها در جامعهی تحقیقاتی به وجود آوردهاند و تلاشهایی که دانشمندان برای غلبه بر مشکلات بزرگی که در آغار برای رشد، خالصسازی و دستکاری CNTها داشتهاند را توجیه میکند.
تنها چند سال بعد از کشف CNT ها در سال 1998 پیشبینیهای تئوری مبتنی بر خواص الکترونیکی آنها با آزمایشاتی به اثبات رسید، و هم اکنون طیف بینهایت گستردهای از تحقیقات در زمینه ی نانو الکتریک، انتقال دارو و مواد پر انرژی با استفاده از CNTها در حال انجام است.{16و17}

شکل 3.1. بسته شدن انتهای نانولوله ها به وسیله ی کلاهک {16و17}

شکل 4.1. انواع نانولولهها از نظر کایرالیتی {16و17}

شکل 5.1. زوایای مربوط به جهت رول شدن ورقه ی گرافن برای تشکیل نانولوله {16و17}
1-3- ایمیدازول
1-3-1- تعریف
ایمیدازول یک ترکیب آلی با فرمول شیمیایی C2N2H4 است. این ترکیب دارای جرم مولی 67.077 گرم بر مول است و شکل ظاهری آن به صورت جامد زرد کمرنگ یا سفید است.
برای اولین بار دباس12 منشا ترکیب را کشف کرد و آن را بوسیله گلی اوکسال و آمونیاک تهیه کرد و نام گلی اوکسالین13 را پیشنهاد کرد. این نام هنوز هم در ادبیات مدرن استفاده می شود.
نام ایمیدازول برای اولین بار توسط هانچ14 ارائه شد و او آن را به عنوان یک آزول پنج عضوی که یک سیستم حلقوی پلی هترو آروماتیک، شامل یک نیتروژن نوع سوم است طبقه بندی کرد.{5}

شکل 6.1. ایمیدازول{6}
شماره گذاری صحیح حلقه ایمیدازول در بالا نشان داده شده است. نیتروژن امین در موقعیت 1 قرار می گیرد و شماره گذاری در اطراف حلقه به سمت نیتروژن نوع سوم انجام می گیرد و در موقعیت 3 نیتروژن نوع سوم قرارمی گیرد.
قرار گرفتن یک استخلاف در موقعیت 2 مشکلی ایجاد نمی کند، زیرا این موقعیت نسبت به نیتروژن ها متقارن است.این نامگذاری برای بیشتر کمپلکس ها مناسب است. اما هنگامی که یک استخلاف در موقعیت 4 یا 5 قرار می گیرد، نامگذاری متفاوت خواهد بود.هیدروژن آمین با توجه به اینکه استخلاف روی کدام موقعیت (4 یا 5) قرار می گیرد با استفاده از خاصیت توتومری15 شدن، بر روی نیتروژن ها انتقال می یابد، که در شکل زیر نشان داده شده است:

شکل 7.1. توتومری شدن {6}

شکل 8.1. حالتهای مختلف از استخلافهای قرار گرفته در موقعیت های 4و5 {6}
برای قرار دادن استخلاف بر روی نیتروژن آمین، هیدروژن آمین بر اثر توتومری شدن توسط استخلافهای دیگر جایگزین می شود. در شکلهای زیر نشان داده شده است :

شکل 9.1. حالت های مختلف از استخلافها بر روی آمین{6}
1-4- خواص فیزیکی ایمیدازول ها
1-4-1- نقطه ذوب و جوش
ایمیدازول دارای نقطه ذوب 90 درجه سانتیگراد و نقطه جوش 256 درجه سانتیگراد است.در جدول 1.1 نقطه جوش تعدادی از ترکیبات هتروسیکل پنج عضوی نشان داده شده است.ایمیدازول و 1و2و4تری آزول دمای جوش بالایی دارند. پیرازول در مقایسه با فوران و پیرول دمای جوش بالایی دارد، در صورتی که اختلاف قابل توجهی در جرم ملکولی آنها وجود ندارد.
جدول 1.1. دمای جوش ترکیبات هتروسیکل پنج عضوی{6}
Compound B. p., °C. (760 mm.)
Furan 32
Pyrrole 131
Pyrazole 187
1,2,3-Triazole 204
Imidazole 256
1,2,4-Triazole 260
دمای جوش ایمیدازول زمانی که یک گروه متیل در موقعیت 1 قرار می گیرد به طور قابل توجهی کاهش می یابد. اما زمانی که گروه متیل در موقعیت 4 یا 5 قرار میگیرد اثر قابل توجهی بر دمای جوش ایمیدازول نمی- گذارد. اگر یک گروه آمیل به موقعیت 1 اضافه کنیم، با اینکه جرم ملکولی دو برابر می شود ولی دمای جوش ایمیدازول کاهش می یابد. در جدول 2.1 دمای جوش ایمیدازول با استخلافهای مختلف نشان داده شده است.
جدول 2.1. دمای جوش ایمیدازول با استخلافهای مختلف{6}
Compound B. p., °C. (760 mm.)
Imidazole 256
1-Methyl-Imidazole 198
4(or5)-Methyl-Imidazole 264
1-Propyl-Imidazole 223
1-Amyl-Imidazole 245
1,2-Dimethyl-Imidazole 205
1-Ethyl-2-methyl-Imidazole 211
1-Methyl-5-chloro-Imidazole 202
1-Methyl-4-chloro-Imidazole 245
1,4-Dymethyl-Imidazole 200
1,5-Dymethyl-Imidazole 220
1-Phenyl--Imidazole 277
2-Phenyl--Imidazole 340
در جدول 3.1 دمای ذوب تعدادی از ترکیبات ایمیدازول با استخلافهای مختلف در موقعیتهای مختلف خلاصه شده است .هنگامی که یک گروه متیل در موقعیت 1 قرار می گیرد دمای ذوب به مقدار قابل توجهی کاهش می یابد، اما هنگامی که در موقعیت 4 یا 5 قرار می گیرد دمای ذوب افزایش می یابد. {6}
جدول 3.1. دمای ذوب تعدادی از ترکیبات ایمیدازول با استخلافهای مختلف{6}
Compound M. p., °C
Imidazole 90
1-Methyl-Imidazole -6
2-Methyl-Imidazole 140-141
4(or5)-Methyl-Imidazole 55-56
1-Phenyl-Imidazole 13
2-Phenyl-Imidazole 148-149
4(or5)-Phenyl-Imidazole 133-134
1-Benzyl-Imidazole 71-72
2-Benzyl-Imidazole 125-126
4(or5)-Benzyl-Imidazole 82-84
4,5-Diphenyl-Imidazole 228
2-Methyl-4,5-diphenyl-Imidazole 240
1-Methyl-4,5-diphenyl-Imidazole 158
1-4-2- حلالیت16
حلالیت ایمیدازول در حلالهای قطبی زیاد و در حلالهای غیر قطبی کم است. در دمای اتاق ایمیدازول به شدت در آب حل می شود و مقادیر کمی حلالیت آن در آب بدست نیامده است.
4یا 5 متیل ایمیدازول در بنزن حلالیت خوبی دارد. ایمیدازولهای استخلاف N در مقایسه با ایمیدازول با هیدروژن آزاد، در حلالهای ناقطبی بهتر حل می شوند. مقادیر کمی حلالیت ایمیدازول در بنزن و دیو اکسان، و 4یا5 در بنزن به ترتیب در جدول 4.1 و جدول 5.1 خلاصه شده است.{6}
جدول 4.1. حلالیت 4یا5 متیل ایمیدازول در بنزن{6}
Temperature, °C Molality
3.2 4.57
16.8 6.07
21.1 6.87
25.4 7.44
29.3 8.24
31.4 8.54
جدول 5.1. مقادیر کمی حلالیت ایمیدازول در بنزن و دیو اکسان{6}
Benzene Dioxane
Temp. °C Molality Temp. °C Molality
36.7 0.198 14.73.62
41 0.258 17.94.29
42.2 0.486 21.94.96
42.80.688 235.17
44.81.195 32.77.48
45.71.524 389.46
47.82.38 39.410.5
493.00 46.814.2
51.24.63 55.819.3
51.85.38
52.96.77
56.29.23
1-4-3- ویسکوزیته17
ویسکوزیته محلول بنزن، ایمیدازول و 4 یا 5 متیل ایمیدازول در جدول 6.1 وجود دارد. محلول پیرول یا پیرازول در بنزن، به عنوان حلال خالص تقریبا ویسکوزیته یکسان دارند و با افزایش غلظت اختلاف ناچیزی مشاهده می شود. این باعث تجمع18 کم می شود.ثابت ویسکوزیته برای محلولهای ایمیدازول و 4 یا 5 متیل ایمیدازول، با افزایش غلظت افزایش می یابد.{6}
جدول 6.1. ویسکوزیته محلول بنزن، ایمیدازول و 4 یا 5 متیل ایمیدازول{6}
Compound (Temp. °C) Molality Specific Viscosity
Imidazole (30°) 0.036
0.073
0.146 0.0106
0.0248
0.0549
Imidazole (50°) 0.146
0.416
0.463 0.041
0.15
0.1686
4(or5)-Methyl-Imidazole (30°) 0.04
0.08
0.242
0.249
0.475
0.493
0.607
1.075
1.362
2.068
2.848
3.736 0.0071
0.0354
0.1187
0.1277
0.2925
0.3262
0.4113
0.7801
0.9911
1.6524
2.3138
3.156
4(or5)-Methyl-Imidazole (50°) 0.242
0.249
0.475
0.493
0.607 0.091
0.093
0.214
0.237
0.3079
1-4-4- ممان دوقطبی19
اغلب اطلاعات با ارزش در مورد ساختمان ملکولهای آلی، از اطلاعات دقیق مربوط به خواص دی الکتریک آنها بدست می آید. بزرگی شدت ممان دوقطبی نشان دهنده بار توزیع شده در داخل ساختار آنها است. متاسفانه مواد تجربی ایمیدازولها نسبتا محدود است. ممان دوقطبی فقط برای ایمیدازول، 4یا5 متیل ایمیدازول، 1متیل ایمیدازول و بنزی ایمیدازول در دسترس است و در جدول 7.1 خلاصه شده است. {6}
جدول 7.1. ممان دوقطبی برای برخی ترکیبات ایمیدازولها در حلالهای مختلف بر حسب دبای20 {6}
Compound Naphthalene Benzene Dioxane Carbon
tetrachloride
Imidazole 5.7 (97°) 6.2 (70°) 4.8 (50°) ----
4(or5)-Methyl-Imidazole ---- 6.2 (70°) 5.1 (20°) 5.8 (18°)
1-Methyl-Imidazole ---- 3.6 (20°) 3.8 (20°) ----
Imidazole ---- 3.8 ---- ----
Benzimidazole ---- ---- 3.93 (25°) ----

در جدول 8.1 ممان دوقطبی ایمیدازول در غلظت های مختلف در بنزن محلول نشان داده شده است. با کاهش غلظت ممان دوقطبی کاهش می یابد.
جدول 8.1. ممان دوقطبی ایمیدازول در غلظتهای مختلف بر حسب دبای{6}
Mole fraction of solute Dipole moment , Debye units
0.005951 5.62
0.001140 4.42
0.000233 3.93

1-4-5- خواص فیزیکی مختلف
اطلاعات مربوط به ضریب شکست21، دانسیته22، مولار حالت انکسار23، کشش سطحی24، گرمای ذوب25 و گرمای محلول26 ایمیدازول 4 یا 5 متیل ایمیدازول در جداول بعدی خلاصه شده است.
جدول 9.1. دانسیته، ضریب شکست و مولار حالت انکسار مشتقات ایمیدازول در دماهای مختلف{6}
Compound Temp, °C Density nC nHe nF MD
Imidazole
95
100.9
110.0
153
205 1.036
----
1.0222
0.9920
0.9370 1.48075
1.47625
----
----
---- 1.48428
1.48006
----
----
---- 1.49442
1.48980
----
----
---- 18.76
18.77
----
----
----
4(or5)-Methyl-Imidazole
14.3
18
50
60
70
110
153 1.0416
1.036
1.016
1.009
1.002
0.9691
0.9380 1.50367
1.50115
1.48922
1.48627
1.48227
----
---- 1.50774
1.50572
1.49298
1.48994
1.48553
----
---- 1.51750
1.51499
1.50284
1.49982
1.49538
----
---- 23.48
23.52
23.46
23.50
23.55
----
----
1-Methyl-Imidazole 20.5 1.0325 1.48856 1.49244 1.50157 23.08
1-Propyl-Imidazole 19.6 0.9705 1.47671 1.48021 1.48829 32.24
1-Isoamyl-Imidazole 19.7 0.9427 1.47114 1.47425 1.48205 41.20
1,2-Dimethyl-Imidazole 16.1 1.00 1.48665 1.49024 1.49926 27.79
1-Ethyl-2-Methyl-Imidazole 21.8 0.9807 1.48301 1.48660 1.49516 32.27
1-Methyl-5-chloro-Imidazole
20.5
17.7 1.25
1.2561 1.50630
1.50783 1.51009
1.51181 1.51958
1.52121 27.88
27.83
1-Methyl-4-chloro-Imidazole 19.8 1.2483 1.50930 1.51308 1.52259 28.06
1-Ethyl-2-Methyl-5-chloro-Imidazole
19.8 1.1415 1.49519 1.49888 1.50731 37.17
1-Ethyl-2-Methyl-4-chloro-Imidazole
16.8 1.1598 1.49864 1.50223 1.51088 36.80
1-Phenyl-Imidazole 15.4 1.1397 1.59335 1.59999 1.61650 43.25
جدول 10.1. کشش سطحی مشتقات ایمیدازول در دماهای مختلف{6}
Compound Temperature, °C Surface tension,dynes/cm.
Imidazole
110
150
205 36.82
33.85
30.05
4(or5)-Methyl-Imidazole
20
56
110
153 38.7
36.21
32.36
29.28
جدول 11.1. گرمای ذوب و گرمای محلول مشتقات ایمیدازول در بنزن محلول در غلظت های مختلف{6}
Molality Heat of solution,
cal./mole(21°) Heat of fusion,
cal./mole
0.13 -3210 -2840
0.22 -2170 ----
1-5- خواص شیمیایی ایمیدازول ها
1-5-1- قدرت پایه ای
ایمیدازول یک مونو اسید پایه ای است که توانایی تشکیل نمک بلوری با اسید را دارد. نقطه ذوب تعدادی از نمک های ایمیدازولیم در جدول 12.1 ذکر شده است .ماهیت اساسی ایمیدازول ناشی از توانایی نیتروژن پیریدین برای دریافت یک پروتون است. تاثیر استخلافهای مختلف بر قدرت پایه ای ایمیدازول در جدول 13.1 نشان داده شده است.
جدول 12.1. نقطه ذوب تعدادی از نمکهای ایمیدازول{6}
Salt M.p.°C References
Nitrate 118 (30)
Chloroaurate dec.190 (29)
Chloroplatinate dec.200 (31)
Dimolybdate ---- (27,28)
Picrate 208-212 (20.22-24)
Flavianate 224-226 (26)
Diliturate ---- (25)
Acid oxalate 232,252,225 (20-23)
Acid tartrate 202 (22)
Benzene 99 (18,19)
جدول 13.1. قدرت پایه ای تعدادی از ایمیدازولها{6}
Compound pKa
Imidazole 6.95;6.89
1-Methyl-Imidazole 7.25
2-Methyl-Imidazole 7.86
4(or5)-Methyl-Imidazole 7.52
2,4(or 2,5)-Dimetyl-Imidazole 8.36
2,4,5-Trimethyl-Imidazole 8.86
2-Phenyl-Imidazole 6.39
4(or 5)-Phenyl-Imidazole 6.00
4(or 5)-Hydroxymethyl-Imidazole 6.38
4(or 5)-Carboxy-Imidazole 6.08
4(or 5)-Carbethoxy-Imidazole 3.66
4(or 5)-Bromo-Imidazole 3.60
Histamine 5.98
اضافه کردن گروههای متیل به حلقه ایمیدازول قدرت پایه ای آن را افزایش می دهند. این توضیح در مورد خواص الکترون – آزاد گروههای متیل است که تمایل به افزایش چگالی الکترونی نیتروژن پیریدین را دارند. تشابه استخلاف مشاهده شده در سری پیریدین، که در آن قدرت پایه ای a-picoline بیشتر از سیستم حلقه اصلی (والد) است. این افزایش در قدرت پایه ای را می توان به ترکیب شدن القایی و اثر رزونانسی نسبت داد (فوق کانژوگاسیون) . بررسی های مشابه ممکن است به کار رود برای 2 متیل ایمیدازول، که شرح حالت کانژوگاسیون در زیر نشان داده شده است.

شکل 10.1. اثر کانژوگاسیون{6}
با قرار دادن یک گروه متیل در موقعیت 4 یا 5 حلقه ایمیدازول قدرت پایه ای را افزایش می دهد. اما اثر کمتر نسبت به دو گروه متیل دارد. بررسی های تقارنی ممکن است این تفاوت را توضیح دهد. یون 2 متیل ایمیدازولیوم نشان دهنده یک ساختار بسیار متقارن با دو سهم معادل است، در مقایسه با 4 یا 5 متیل ایمیدازولیوم که با دو سهم غیر معادل است. با قرار دادن یک گروه متیل در دو موقعیت 4 یا 5 باعث کمک به افزایش در قدرت پایه ای می شود.
گروههای الکترون کشنده از قبیل گروههای فنیل، نیترو و یا یک هالوژن قدرت پایه ای را کاهش می دهند.مقایسه 1متیل 5 نیترو ایمیدازول و 1و2 دی متیل 5 نیترو ایمیدازول با مشتقات 4 نیترو مربوط به آنها، نشان میدهد که ترکیبات 5نیترو پایه قوی تری دارند.ساختاری که در آن گروه نیترو در موقعیت مجاور به سیستم الکترون دهنده (نیتروژن پیریدین) قرار گیرد قدرت پایه ای آن ضعیف می شود. {6}

شکل 11.1. قرار گرفتن گروه نیترو در موقعیت های مختلف و تاثیر بر قدرت پایه ای{6}
1-5-2- خاصیت شبه اسیدی27
علاوه بر ماهیت پایداری، ایمیدازول خواص اسیدی ضعیف (شبه اسیدی) از خود نشان می دهد. فرم آن نمک با فلز است که ساختار کلی آن در زیر نشان داده شده است.

شکل 12.1. ساختار کلی نمک ایمیدازول با فلزات{6}
مهمترین نمک درمیان نمکها، نمک نقره کم محلول است، که زمانی که ایمیدازول در تماس با نقره آمونیاکی محلول قرار می گیرد رسوب می کند. در حضور آمونیاک، نمکهای نامحلول کبالت و روی نیز بدست می آید.
واکنش ایمیدازول با معرف Grignard منجر به تشکیل هالید منیزیم ایمیدازول می شود.
ماهیت شبه اسیدی ایمیدازول بستگی به وجود یک گروه آمین غیر جانشین و ایمیدازول و ایمیدازول ها این ساختار مورد نظر از نمک نقره کم محلول در حضور محلول نقره آمونیاک تشکیل می شود. بسیاری از ایمیدازول ها برای نمک های نامحلول با یون مس در حضور آمونیاک هستند. ایمیدازول محلول در آمونیاک مایع، تشکیل یک محلول روشن می کند که احیاء با تبخیر حلال انجام می شود. با افزودن آمید های فلزی به چنین محلولهایی باعث تشکیل نمک می شوند. نمکهای سدیم، پتاسیم، کلسیم و منیزیم با این روش بدست می آیند. این نمکها در حضور آب ناپایدار هستند و تجزیه شده و به ایمیدازول و هیدروکسیدهای فلزی تبدیل می شوند. مقایسه رسانایی محلول آمونیاک مایع از ایمیدازول و پیرول نشان می دهد که ترکیبات سابق اسید قوی تری هستند. استخلافهای الکترونگاتیوی خاصیت اسیدی ایمیدازول را بوسیله کاهش چگالی الکترون در اطراف نیتروژن پیرول افزایش می دهد. لوفین اسید قویتری نسبت به ایمیدازول است.به مانند ایمیدازول نمک لوفین از آمیدهای فلزی یا فلزات با محلول آمونیاک مایع تهیه می شود. {6}
1-5-3- پایداری شیمیایی و خاصیت آروماتیکی28
پایداری شیمیایی ایمیدازولها عالی است و آنها در مقابل اسید و باز مقاوم هستند. در عمل مواجهه ایمیدازول با هیدروژن یدید در دماهای بالاتر از 300 درجه سانتیگراد تاثیر کمی دارد و حلقه ایمیدازول به میزان قابل توجهی در برابر هیدروژناسیون مقاوم است. تعدادی از بنزی ایمیدازول ها از جمله 2متیل، 2اتیل، و 1و2 دی متیل بنزی ایمیدازول در حضور کاتالیزور آدامز و اسید استیک منجمد، تحت عمل هیدروژناسیون قرار گرفته و در بخش بنزن مشتقات مطابق با تترا هیدرو مربوطه را تشکیل می دهند و بخش ایمیدازول بی تاثیر باقی می ماند. که در شکل زیر نشان داده شده است.

شکل 13.1. هیدروژناسیون حلقه بنزن{6}
Lophine تحت هیدروژناسیون کاتالیزوری با کاتالیزور Willstatter Platinum در استیک اسید منجمد قرار گرفته و به 2و4و5 تری سیکلو هگزیل 2 ایمیدازول تبدیل می شود.
ایمیدازول نسبت به تری اکسید کروم پایدار تر است، اما به راحتی توسط پرمنگنات پتاسیم و هیدروژن بروکسید مورد حمله قرار می گیرد و اکسامید تشکیل می شود. بنزوئیل پراکسید در محلول کلروفرم هم به راحتی به ایمیدازول حمله میکند و تشکیل اوره با آمونیاک می کند. {6}
فصل دوم
مروری بر متون گذشته
2-1- شیمی محاسباتی
شیمی محاسباتی به زبان ساده کاربرد مهارتهای شیمیایی، ریاضی و محاسباتی در جهت حل مسائل شیمیایی است.در این حوزه از کامپیوتر برای تولید اطلاعاتی نظیر ویژگی‌های ملکولها یا نتایج تجربی شبیهسازی شده استفاده میشود. {7}
شیمی محاسباتی به روشی دقیق برای پژوهش و مطالعه پیرامون موادی تبدیل شده است که بسیار کمیاب و یا گران قیمت هستند. همچنین به شیمی دانان کمک میکند که قبل از شروع آزمایشات علمی در آزمایشگاه بتوانند پیشبینیهایی را راجع به مواد مختلف انجام دهند بنابراین آنها می- توانند مشاهدات بهتری داشته باشند.
معادله شرودینگر مبنایی است که بیشتر شیمیدانان محاسباتی از آن استفاده میکنند؛ زیرا این معادله اتمها و ملکولها را به صورت مدل ارائه میدهد و به کاربر اجازه میدهد موارد زیر را محاسبه نماید. {8}
تعیین ساختار الکترونی برای اتمهای هر مولکول
بهینه سازی هندسی مدلهای مولکولی
محاسبات مربوط به فرکانس ارتعاشات اتمها
حالتهای گذار مولکولها در واکنشهای مختلف
محاسبات مربوط به ساختار پروتئین‌ها
توزیع ابر الکترون و بار الکتریکی برای هر مولکول
انرژی پتانسیل سطحی(PES) هر اتم
ثابت سرعت برای واکنشهای شیمیایی (کینتیک واکنشها)
محاسبات ترمودینایکی گرمای واکنشها (انرژی فعالسازی)
2-2- روش های محاسباتی
روشهای محاسباتی به دو دسته کلی تقسیم میشوند که عبارتند از:
روشهای محاسباتی بر اساس مکانیک مولکولی
روشهای محاسباتی بر اساس مکانیک کوانتومی
روشهای محاسباتی بر اساس مکانیک کوانتومی نیز خود به دو روش تقسیم میشوند که عبارتند از:
روشهای آغازین29
روشهای نیمه تجربی30
در حال حاضر عموما سه روش نظری محاسبات (شامل محاسبات مکانیک ملکولی، محاسبات نیمهتجربی و محاسبات کوانتومی آغازین) برای مطالعه خواص ملکولها به کار میرود. روشهای نیمه تجربی موقعیتی بین روشهای مکانیک ملکولی و آغازین دارند. دقت روشهای سطح بالای آغازین برای محاسبه گرمای تشکیل با روشهای تجربی قابل مقایسه است و دست کم ساختار هندسی مولکولها را با دقت موجود در روشهای تجربی محاسبه میکند. این محاسبات به اندازه کافی جامع هستند به طوری که میتوان ویژگیهای حالتهای گذار و حالتهای برانگیخته را با آنها مطالعه کرد. در روشهای نیمه تجربی مانند روشهای مکانیک مولکولی از پارامترهای تجربی استفاده میشود ولی از طرفی هم مانند روشهای آغازین اساس مکانیک کوانتومی دارند. تنها تفاوت اساسی بین روشهای نیمه تجربی و آغازین استفاده گسترده از تقریبها در محاسبات نیمه تجربی است.
این موضوع با اینکه روشهای نیمه تجربی را از محاسبه تعداد زیادی عبارتهای مورد استفاده در آغازین باز میدارد، در عین حال با استفاده از اطلاعات تجربی پارامترهای لازم را برای استفاده در تقریبها مشخص میکند به طوری که دقت لازم در محاسبات حفظ میشود. در ادامه توضیحات لازم راجع به این سه روش بیان میشود.{9}
2-2-1- روش های محاسباتی آغازین
در روشهای محاسباتی آغازین برای سیستمها، عملگر هاملیتونی31 صحیح را به کار میبرند و سعی میشود با استفاده از ثابتهای فیزیکی بنیادی و بدون استفاده از دادههای تجربی معادلات را به دست آورند. روشهای آغازین از تقریب بورن- اپنهایمر32 و حل دقیق معادله شرودینگر بهره میگیرد. این روشها تمامأ بصورت کوانتومی بوده و صحت محاسبات در آنها بسیار بالاست. روشهای آغازین خود شامل روشهای میدان خودسازگاری هارتری- فاک و نظریه اختلال مولر- پلست میباشد که در ادامه بحث خواهد شد. {10}
2-2-1-1- روش میدان خودسازگار هارتری- فاک33
پایینترین سطح و متداولترین محاسبات به روش آغازین، محاسبات هارتری- فاک میباشد. این روش، اولین روش محاسباتی در روشهای محاسباتی آغازین است. اساس روش هارتری- فاک بر اساس نظریهی اوربیتال مولکولی است. بهترین تابع موجی که الکترونها را به اوربیتالها اختصاص میدهد، تابع موج هارتری- فاک است. هر اوربیتال مولکولی هارتری- فاک به صورت یک ترکیب خطی از مجموعهای از توابع پایه نوشته میشود. اگر توابع پایه به تعداد کافی در نظر گرفته شوند، آنگاه میتوان اوربیتالهای مولکولی را که به اندازه ناچیزی با اوربیتالهای مولکولی واقعی هارتری- فاک تفاوت دارند، به دست آورد.
در این روش همچنین از تقریب بورن- اپنهایمر استفاده میشود. این تقریب امکان جدا فرض کردن حرکات الکترونی و هسته را مورد بحث قرار می-دهد. هستهها بخاطر جرم زیادشان نسبت به الکترونها ثابت فرض میشوند. در نتیجه میتوان از انرژی جنبشی هستهها صرف نظر کرد. از آنجا که جرم هسته هزاران برابر جرم الکترون است، این تقریب قابل توجیه است. {11}
2-2-1-2- نظریه اختلال مولر- پلست34
نظریهی اختلال براساس دانستن جواب یک مسئله و استفاده از آن در حل مسائل وابسته به آن است. فرض کنید حل معادله شرودینگر برای یک سیستم را به طور کامل میدانیم در این صورت میتوان معادله شرودینگر را برای سیستم دیگری که نسبتأ به سیستم اول نزدیک است، نیز حل کرد. به این ترتیب که اختلال بین اپراتورهای هامیلتونی دو سیستم را به عنوان اختلال کوچک در حل سیستم اول در نظر میگیریم. میتوان معادله دوم را با بسط حل معادله اول و نیز عامل اختلال حل کرد.
این روش در ابتدا برای حل تابع موج یک اتم در یک میدان الکتریکی کوچک استفاده شد که جمله میدان الکتریکی کوچک ایجاد شده در عملگر هامیلتونی به عنوان عامل اغتشاش فرض شد. یک کاربرد موفق از این نظریه برای مولکولها، به مولر و پلست در سال 1933 میلادی میرسد، که امروزه تحت روشهای MPn شناخته میشوند. {12}

2-2-1-3- روش های نیمه تجربی
روشهای نیمه تجربی یک عملگر هامیلتونی سادهتر از هامیلتون واقعی را برای محاسبات به کار میبرد و از دادههای تجربی برای اختصاص دادن مقادیر به برخی از انتگرال‌هایی که در محاسبه حاصل میشوند استفاده کرده و از برخی انتگرالها صرف نظر میکنند. علت استفاده از روشهای نیمه تجربی آن است که درحال حاضر محاسبات دقیق بر روی مولکولهای نسبتا بزرگ امکانپذیر نیست. روشهای PM3، MNDO، INDO و CNDO در دسته روشهای نیمه تجربی قرار دارند. {13}
2-2-1-4- روش محاسباتی مکانیک مولکولی35
این روش توسط وایبرگ، آینجر و هندیکسون گسترش یافت. روش مکانیک مولکولی برای حالتهای پایهی مولکولها طرحریزی شده است. مولکولها به علت کوچک بودنشان، تحت قوانین مکانیک کوانتومی توصیف میشوند. اما تحت شرایط (برحسب نیاز به محاسبات سریعتر) بهتر است از مکانیک کلاسیک استفاده کنیم. فرآیند محاسبات مکانیک مولکولی را روش میدان- نیرو نیز مینامند.
در شبیهسازیهای مکانیک مولکولی، از قوانین فیزیک کلاسیک برای پیشگویی ساختار و خواص مولکولها استفاده میکنند. طبقهبندی روشهای مکانیک مولکولی، بر اساس نوع میدان- نیرویی است که به کار میبرند. در روشهای میدان مولکولی، الکترونهای سیستم در نظر گرفته نمیشوند و محاسبات بر اساس برهمکنشهای بین هستهای انجام میشود. به همین علت نتایجی که به دست میآید بر اساس مفاهیم شیمی به سادگی قابل تفسیر نیستند و نمیتوان با این روشها خواص شیمیایی یک مولکول، را که به علت نقش مستقیم الکترونها رخ میدهد، بررسی کرد. اما مزیت اصلی روشهای میدان- نیرو، بالا بودن سرعت محاسبات است که امکان مطالعه سیستمهای بزرگ را به ما میدهد این امر میتواند در بهینهسازی و مطالعهی ساختار ماکرومولکولهای زیستی مانند پروتئینها بکار رود. همچنین این روشها تنها برای سیستمهایی بکار میروند که اطلاعات قبلی زیادی از
آنها موجود باشد. از جمله عناصر بکار رفته در این روش می توان به روش هایMMp1,MMx,MM1
و MM2 اشاره کرد. {14}
2-3- نظریه تابعی چگالی36
نظریه تابعی چگالی (DFT) یک روش محاسباتی مکانیک کوانتومی است که در فیزیک و شیمی به منظور بررسی ساختار الکترونی حالت پایه در سیستمهای چندگانه به ویژه اتمها، مولکولها و فازهای چگال استفاده میشود. این نظریه، ویژگیهای سیستمهای چند الکترونی را به وسیله تابعیهای خاصی بیان میکند که در این مورد به چگالی الکترون بستگی دارد. به همین دلیل نام نظریه تابعی چگالی به استفاده از تابعیهای مربوط به چگالی الکترون بر میگردد.
DFT در زمره پرکاربردترین روشهای موجود در فیزیک حالت جامد و فیزیک محاسباتی قرار دارد. استفاده از یک سری تقریب ها در این نظریه موجب افزیش دقت این روش در محاسبه برهمکنشهای تعویضی- همبستگی37 شده است. در بسیاری از موارد نتایج حاصل از محاسبات DFT با نتایج تجربی همخوانی کاملی
دارد. این محاسبات در مقایسه با روشهای سنتی مثل هارتری- فاک بسیار مقرون به صرفهتر هستند. این روش هم به روش محاسباتی آغازین و هم به روش محاسباتی نیمه تجربی نزدیک است، زیرا در آن معادله شرودینگر به طور تضمینی حل میشود و از طرف دیگر، دادههای تجربی در آن بررسی میشوند. محاسبات نظریه تابعی چگالی تا حدود 500 اتم را می تواند بررسی کند.
هر چند قاعده هوهنبرگ-کوهن38 (شکل اولیه نظریه تابعی چگالی) تنها برای حالت های پایه در غیاب میدان مغناطیسی به کار رفت، اما به منظور مطالعه سیستمهای دیگری هم عمومیت یافته است. قاعده هوهنبرگ- کوهن ابتدایی ثابت کرد که ویژگیهای حالت پایه یک سیستم چندین الکترونی را میتوان تنها با یک چگالی الکترونی که در سه بُعد جهتگیری کرده است مشخص کرد. در این صورت با استفاده از تابعیهای چگالی الکترون، مشکلات سیستمهایی با تعداد N الکترون و 3N جهتگیری فضایی کاهش یافته و در مجموع به 3 جهتگیری تقلیل مییابد. قاعده هوهنبرگ- کوهن ثانوی یک تابعی انرژی برای سیستم تعریف کرد و ثابت کرد که چگالی الکترونی صحیح حالت پایهی این تابعی، انرژی را به پایینترین سطح کاهش میدهد.
اساس نظریه تابعی چگالی تعیین کامل انرژی الکترونی حالتهای پایه39 با استفاده از چگالی الکترونی میباشد که توسط کوهن و هوهنبرگ در سال 1964 اثبات شده است. در واقع یک تناظر یک به یک بین چگالی الکترونی یک سیستم و انرژی آن سیستم وجود دارد. آنها نشان دادند که انرژی مولکولی حالت پایهی تابع موج و همه خواص الکترونی و مولکولی دیگر را میتوان با استفاده از چگالی احتمالی الکترون که فقط تابعی از سه متغیر است p(X,Y,Z)، تعیین کرد. مفهوم این موضوع از طریق مقایسه تابع موج با چگالی الکترون بهتر قابل درک است.
بر خلاف پیشرفت های اخیر، هنوز هم مشکلاتی در استفاده از DFT در توصیف مناسب برهمکنشهای بین مولکولی به ویژه نیروهای واندروالس، حالتهای برانگیخته، حالتهای گذار، پتانسیل انرژی سطحی و سایر سیستمهای مربوطه و همچنین در محاسبه سد انرژی نیمه رساناها وجود دارد. پیدایش و توسعه روشهای جدید DFT به منظور چیره شدن بر این مشکلها بوده است. در این روشها در تابعیهای مورد استفاده تغییراتی به وجود آمده است و یا این که عبارتهایی به آنها اضافه گردیده است.
اگر چه اثبات شده که هر چگالی مختلف، انرژی حالت پایهی مختلفی را میدهد ولی تنها مشکل این است که رابطه تابعی بین کمیتها شناخته شده نیست. هدف روشهای DFT طراحی رابطه تابعی بین انرژی و چگالی الکترونی میباشد. از جمله روشهای مورد استفاد در محاسبات به روش نظریه تابعی چگالی میتوان بهPW91, PBE, MPW1, PW91, B3LYP, B3PW91 اشاره کرد.
2-4- سری پایه
بطور کلی سری پایه عبارت است از مجموعهای از بردارها که فضای مسئله مورد بررسی را در بر میگیرند، و مسئله را در فضای سه بعدی از طریق بردارها بیان میکند. در شیمی کوانتومی سری پایه توصیف ریاضی اوربیتالهای یک سیستم است و برای انجام محاسبات کوانتومی استفاده میشود. سریهای پایه بزرگتر، با دقت بیشتری اوربیتالها را مورد تقریب قرار میدهند. بر اساس نظریه مکانیک کوانتوم، حضور الکترونها در فضا محدودیت دارد، یعنی در هر جایی از فضا نمیتوانند قرار بگیرند و مکانهای خاصی از فضا را میتوانند اشغال کنند. هر چه سری پایه بکار رفته بزرگتر باشد محدودیت حضور الکترون در فضا دقیقتر بدست میآید. در اغلب روشهای مکانیک کوانتومی محاسبات با انتخاب یک مجموعه از توابع پایه شروع میشود.
دو نوع تابع پایه در محاسبات ساختار الکترونی وجود دارد:
مجموعهی پایه حداقل
مجموعهی پایه بسط داده شده
با توجه به مجموعهی پایه بکار رفته در انجام محاسبات، اوربیتالهای نوع اسلیتر40 (STO) و اوربیتالهای نوع گوسین41 (GTO) توجیه کننده روند استفاده از تقریبهای کوانتومی در محاسبات هستند.
از رایجترین مجموعههای پایه حداقل، میتوان STO-nG را نام برد. در این نوع تعداد یکسانی از توابع گوسینی برای اوربیتالهای اتمی لایههای داخلی و ظرفیت بکار میرود. مجموعهی پایه بسط داده شده را با نام مجموعهی پایه شکاف ظرفیتی نیز میشناسند. دراین نوع مجموعه، برای اوربیتالهای اتمی لایه داخلی فقط یک نوع تابع گوسینی و برای لایههای ظرفیت چند نوع تابع گوسینی بکار میرود. نمادگذاری در آنها بصورت X-YZg میباشد. X نشاندهنده تعداد توابع گوسینی بکار رفته در اوربیتالهای لایه داخلی و YZ نشاندهنده توابع گوسینی بکار رفته در اوربیتالهای اتمی لایه ظرفیت است. به عنوان مثال میتوان سریهای پایه
6-311g و 3-21g را نام برد.این دو نوع از توابع پایه در کنار هم میتوانند برای تشکیل سری پایه در انجام محاسبات استفاده شوند. از ویژگیهای GTO این است که انجام محاسبات و انتگرالهای پیچیده کوانتومی را راحتتر میکند، هر چند توابع STO توابع موج اوربیتالها را با دقت بیشتری توصیف میکند، ولی از نظر محاسبه انتگرالها، پیچیدهتر عمل میکنند. بنابراین مدت زمان انجام محاسبات در آنها طولانیتر است.
به هر یک از سریهای پایه اشاره شده در فوق، میتوان عوامل قطبشپذیری و عوامل نفوذی42 را اضافه کرد که به ترتیب با علائم * و + مشخص میشوند. به عنوان مثال میتوان 6-311++G** را نام برد. ستاره اول و دوم به ترتیب مربوط به افزودن اوربیتالهای d وf به اتمهای سنگین و اوربیتال p به اتم هیدروژن میباشد. علامت مثبت اول مربوط به افزودن توابع با نفوذ بالا به هر اتم است (بجز هیدروژن) و علامت مثبت دوم مربوط به اتم هیدروژن میباشد. لازم به ذکر است که علامت ستاره سبب میشود محاسبه انرژی با دقت بالاتری انجام شود.
عملیاتهایی که بر روی توابع پایه اعمال میشود (عوامل قطبشپذیری و عوامل نفوذی) را مجموع پاپل43میگویند. این دانشمند برجسته به دلیل فعالیتهایی که در جهت پیشرفت علوم محاسبات کوانتومی انجام داد، در سال 1998 میلادی به طور مشترک با آقای کوهن، موفق به دریافت جایزه نوبل شدند. {13و14و15و20و4و18و3}
2-5- نرم افزارهای مورد استفاده
2-5-1- نرم افزار گوسین44
امروزه سخت افزارها و نرم افزارهایی که در حوزهی علوم کامپیوتر پا به عرصه ی وجود گذاشته اند، بعنوان کنترل محرکهی حوزههای گوناگون پژوهشی در علوم و فنون نانو بویژه حوزهی نانومحاسبات مطرح هستند. یکی از کارآمدترین این نرم افزارها، نرم افزار گوسین است.
شیمی محاسباتی واکنشها و ساختارهای شیمیایی را بر اساس قوانین فیزیکی پایهگذاری میکند. این روش به شیمیدانها اجازه میدهد که پدیدههای شیمیایی را به جای این که از طریق واکنشهای شیمیایی مورد بررسی قرار دهند، بتوانند آنها را از طریق محاسبات کامپیوتری مطالعه کند. این روش نه تنها برای مولکولهای پایدار، بلکه برای مولکولهای با نیمه عمر پایین و حد واسطههای نیمه پایدار و حالتهای گذار نیز مورد استفاده قرار میگیرند. بنابراین شیمی محاسباتی یک دستیار ضروری برای مطالعات آزمایشگاهی است.
نرم افزار گوسین تمامی نظریههای محاسباتی «آغازین»، «نظریه تابعی چگالی» و «نیمه تجربی» را تحت پوشش داشته و قابلیت اضافه کردن موارد جدیدتر را نیز دارد. در واقع گوسین مجموعهای از برنامههای بهم پیوسته است که انواع محاسبات اوربیتال مولکولی را انجام میدهد و قادر به پیشبینی بسیاری از خواص مولکولها و واکنشهاست. از محاسن این نرم افزار، انجام محاسبات در فاز گازی، محلول، حالت پایه و حالت برانگیخته میباشد که این برنامه را به یک ابزار پرقدرت برای کاوش در حیطههای گوناگون مانند مطالعات شیمیایی، سیستمهایی در حوزه نانوفناوری، مکانیسم واکنشها و... تبدیل کرده است.
فایل ورودی به نرم افزار گوسین «GJF»45 نام دارد. این نوع فایل امکان انجام محاسبه ساختارهای مد نظر را توسط گوسین فراهم میکند. در هر فایل ورودی گوسین (GJF) باید هم روش و هم سری پایه مشخص شود.
هر فایل ورودی گوسین از هفت بخش تشکیل شده است. این بخشها به ترتیب بصورت زیر عنوان میشوند:
%section
Rout section
فضای خالی
Title section
فضای خالی
بار الکتریکی و چندگانگی اسپینی46
مشخصات مولکولی
البته لازم به ذکر است که در محیط کاربری نرم افزار گوسین قسمتهای سه و پنج که تحت عنوان فضای خالی بیان شدهاند، دیده نمیشود و در مجموع شامل پنج قسمت است. وجود این فضاهای خالی در فایل ورودی گوسین (GJF) جهت انجام محاسبات الزامی است.
در قسمت %Section میزان استفاده از حافظه و تعداد پردازشگرهای کامپیوتر تعیین میشود. در Rout section روش محاسباتی و سری پایه و کلیدواژه لحاظ میگردد. کلیدواژههایی که در نرم افزار گوسین به کار میروند با توجه به نوع محاسبه مد نظر تعیین میگردند. از جمله کلیدواژههایی که در نرم افزار گوسین بکار میرود میتوان به OPT، FREQ، NMR اشاره کرد که به ترتیب انرژی بهینهی ساختار، انرژی ارتعاشی پیوندها و خصوصیات پوشش شیمیایی ساختار را تعیین میکنند. در قسمتTitle section یک عنوان اختیاری برای محاسبه تعیین میشود. در بخش مربوط به بار الکتریکی و چندگانگی اسپینی، این مقادیر برای ساختار مورد نظر بصورت عددی وارد میشود. در بخش مربوط به مشخصات مولکولی، مختصات هندسی اتمها لحاظ میگردد.

2-5-2- نرم افزارهای هایپرکم و گووسویو47
نرمافزارهایی که در این تحقیق برای مدلسازی بکار رفتهاند، هایپرکم و گووسویو میباشند. هر دو نرم افزار جهت طراحی و ساخت مولکول مورد نظر بکار میروند.این نرم افزارها، امکان رسم اتم به اتم در ساختارها را با انتخاب اتمها از جدول تناوبی را به ما میدهند. همچنین در این نرمافزارها قابلیت حذف اتمها یا بخشی از ساختار، امکان چرخش در دو بعد و سه بعد، جابجایی مولکولها و اتصال ساختارها به یک دیگر نیز وجود دارد. با استفاده از این نرم افزارها میتوان طول پیوند، زاویه پیوندی، چهاروجهی در هر ساختار را بررسی کرده و در صورت نیاز تغییر داد. علاوه بر آن، از نرم افزار گووسویو میتوان نتایج ساختارهای محاسبه شده با نرمافزار گوسین را بررسی کرد. این نتایج شامل سطح انرژی بهینه، گشتاور دوقطبی، بالاترین اوربیتال مولکولی اشغال شده، پایینترین اوربیتال مولکولی اشغال نشده و... میباشد. هایپرکم یک نرم افزار کلاسیک میباشد که دارای قابلیتهای منحصر به فردی است و چون قدرت مانور کمتری نسبت به گووسویو دارد، دقیقتر است.
{10و13و21و2و19}
فصل سوم
روش های پژوهش

.
3-1- توضیحاتی دربارهی روش محاسبات:
برای انجام محاسبات کوانتومی توسط نرمافزار گوسین نسخهی 2009 ، سخت افزار مورد استفاده ما یک دستگاه کامپیوتر دسکتاپ با پردازشگر Corei7 و 2 گیگابایت حافظهی رم است. محاسبات کوانتومی بر اساس نظریه ی تابعی چگالی (DFT ) است که متد B3LYP روش مورد نظر ما برای انجام محاسبات محسوب می شود و سری پایه 6-31G* نیز با توجه به کارهای قبلی, سری پایه ی مطلوبی برای هدف مطالعاتی این تحقیق محسوب می شود.
8 مدل از مولکول 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول عامل دار شده با نانو لوله کربنی متصل به پروپان (به عنوان Linker) با سایز (0-3) ،همچنین مولکولهای 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول و CNT-PR مورد بررسی قرار گرفتند.ودر جدول زیر تمامی مدل ها و موقعیت های مختلفی که استخلافها قرار گرفته اند آمده است.

شکل 1.3. نانو لوله کربن به همراه پروپان و 2و2َ بی 1 هیدروژن ایمیدازول
جدول 1.3. استخلافهای CNT-PR در موقعیت های مختلف در مولکول 2و2َ بی 1 هیدروژن ایمیدازول
R4 R3 R2 R1 #
H H CNT-PR H 1
CNT-PR H H H 2
H H CNT-PR CNT-PR 3
H CNT-PR CNT-PR H 4
CNT-PR H H CNT-PR 5
H CNT-PR CNT-PR CNT-PR 6
CNT-PR CNT-PR H CNT-PR 7
CNT-PR CNT-PR CNT-PR CNT-PR 8
3-2-مولکول 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول

شکل 2.3. مولکول 2و2َ بی 1 هیدروژن ایمیدازول
جدول 1.2.3:مقادیر انرژی مولکول 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول بدون گروه عاملی
Dipole moment, Debye GAP (HOMO,LUMO)
EV LUMO,
EV HOMO,
eV Enthalpy,
a.u Energy,
a.u
0.0001 0.18732 -0.0135 -0.19982 -451.2554 -451.25638
جدول 2.2.3 : بار مولیکن برای تک تک اتم های 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول
Muliken atomic charge اتم ها شماره اتم ها
0.031835
-0.024332
-0.619395
-0.532537
0.499772
0.499780
-0.532539
-0.619402
0.031830
-0.024330
0.136369
0.155931
0.352361
0.352362
0.136367
0.155930 C
C
N
N
C
C
N
N
C
C
H
H
H
H
H
H 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
جدول3.2.3 : مقادیر همسانگرد و ناهمسانگرد برای تک تک اتم های 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول
Anisotropic chemical shielding Isotropic chemical shielding اتم ها شماره اتم ها
100.8972
103.7512
114.6306
368.0466
87.3505
87.3522
368.0388
114.628
100.8958
103.7533
2.8465
2.7674
7.6063
7.6061
2.8466
2.7674 81.5534
66.3671
109.9563
7.8128
58.9677
58.9686
7.8135
109.9589
81.5527
66.3666
25.3698
25.6524
23.7029
23.7026
25.3698
25.6524 C
C
N
N
C
C
N
N
C
C
H
H
H
H
H
H 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
جدول 4.2.3 : مقادیر Cq و δ برای تک تک اتم های مولکول 2و2َ بی هیدروژن ایمیدازول
δ Cq اتم ها شماره اتم ها
108.1135 1.54609 C 1
123.2998 1.11601 C 2
144.9606 2.84387 N 3
247.1041 3.70315 N 4
130.6992 1.26505 C 5
130.6983 1.26507 C 6
247.1034 3.70309 N 7
144.958 2.84392 N 8
108.1142 1.54608 C 9
123.3003 1.11602 C 10
6.8127 0.20745 H 11
6.5301 0.20961 H 12
8.4796 0.255175 H 13
8.4799 0.255171 H 14
6.8127 0.20745 H 15
6.5301 0.20961 H 16
3-3 : مولکول CNT-PR

شکل 3.3. CNT به همراه پروپان
جدول 1.3.3 : مقادیر انرژی مولکول CNT-PR
Dipole moment, Debye GAP(HOMO
,LUMO)
EV LUMO,
EV HOMO,
eV Enthalpy,
a.u Energy,
a.u
1.6365 0.07509 -0.11266 -0.18775 -1035.239 -1035.2409
جدول 2.3.3 : بار مولیکن تک تک اتم های مولکول CNT-PR
Muliken atomic charge اتم ها شماره اتم ها Muliken atomic charge اتم ها شماره اتم ها
-0.023788
0.003128
-0.197905
0.032644
0.178476
0.178476
0.179908
0.179908
0.179752
-0.292029
0.151793
0.151793
-0.262426
0.159708
0.159708
-0.444926
0.147642
0.154945
0.147642 C
C
C
C
H
H
H
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
H 21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39 -0.208062
0.037845
-0.024978
0.002453
-0.023788
0.002977
-0.197905
0.032476
-0.000952
0.018551
-0.029271
0.005912
-0.028060
0.003128
-0.198842
0.032644
-0.208062
0.018551
-0.024978
0.005912 C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
جدول 3.3.3 : مقادیر همسانگرد و ناهمسانگرد برای تک تک اتم های مولکول CNT-PR
Anisotropic chemical shielding Isotropic chemical shielding اتم ها شماره اتم ها Anisotropic chemical shielding Isotropic chemical shielding اتم ها شماره اتم ها
134.234
194.9394
62.4223
95.6304
11.1223
11.1223
12.9403
12.9403
12.9883
31.1881
6.1632
6.1632
23.8093
4.8102
4.8102
26.2259
8.4424
10.6794
8.4424 39.34070
10.2703
107.2900
88.0421
27.9939
27.9939
28.0335
28.0335
28.0440
150.2835 29.8708 29.8708 162.5616 30.2882 30.2882 173.2284 31.1034 30.8515 31.1034 C
C
C
C
H
H
H
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
H 21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39 64.6866
98.8324
131.0271
190.8874
134.2340
196.1997
62.4221
94.6215
83.2180
98.0052
135.2603
192.2777
136.6302
194.9394
62.6030
95.6303
64.6867
98.0051
131.0271
192.2775 101.8549
82.4146
37.0815
11.9548
39.3407
9.9789
107.2902
88.1030
69.7631
82.6254
39.6868
9.4673
37.5058
10.2702
107.7024 88.0422 101.8549 82.6256 37.0816 9.4674
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
جدول 4.3.3: مقادیر Cq و δ برای تک تک اتم های مولکول CNT-PR
δ Cq اتم ها شماره اتم ها δ Cq اتم ها شماره اتم ها
150.326 1.8794 C 21 87.812 3.6935 C 1
179.397 2.9976 C 22 107.252 1.7665 C 2
82.377 3.9172 C 23 152.585 1.9033 C 3
101.625 1.7244 C 24 177.712 2.8877 C 4
4.1886 0.1991 H 25 150.326 1.8794 C 5
4.1886 0.1997 H 26 179.688 3.0111 C 6
4.149 0.19822 H 27 82.3767 3.9171 C 7
4.149 0.19822 H 28 101.566 1.7969 C 8
4.138 0.19823 H 29 119.903 4.3964 C 9
39.383 0.5627 C 30 107.041 1.8102 C 10
2.3117 0.1874 H 31 149.98 1.8786 C 11
2.3117 0.1874 H 32 180.199 2.8992 C 12
27.1053 0.8274 C 33 152.161 1.8830 C 13
1.8943 0.18775 H 34 179.397 2.9976 C 14
1.8943 0.18775 H 35 81.9645 3.9075 C 15
16.4385 0.3950 C 36 101.624 1.7948 C 16
1.0791 0.1925 H 37 87.812 3.6935 C 17
1.331 0.1939 H 38 107.041 1.8102 C 18
1.0791 0.1925 H 39 152.585 1.9033 C 19
180.199 2.8992 C 20
3-4- : مولکول 2و2َ بی هیدروژن ایمیدازول با یک استخلاف CNT-PRدر موقعیت کربن R2

شکل 4.3 : : مولکول 2و2َ بی هیدروژن ایمیدازول با یک استخلاف CNT-PRدر موقعیت کربن R2

جدول 1.4.3 : مقادیر انرژی مولکول 2و2َ بی هیدروژن ایمیدازول با یک استخلاف CNT-PRدر موقعیت کربن R2
Dipole moment, Debye GAP(HOMO,
LUMO)
EV LUMO,
EV HOMO,
eV Enthalpy,
a.u Energy,
a.u
1.8202 0.07505 -0.11132 -0.18637 -1485.301 -1485.302
جدول 2.4.3 : مقادیر بار مولیکن برای تک تک اتمهای مولکول2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با یک استخلاف CNT-PRدر موقعیت کربن R2
Muliken atomic charge اتم ها شماره اتم ها Muliken atomic charge اتم ها شماره اتم ها
-0.028154
0.002883
-0.198572
0.031733
-0.208453
0.018238
-0.025278
0.005600
-0.023657
0.003051
-0.198324
0.031799
0.177860
0.178081
0.179346
0.179246
0.179183
-0.299170
0.150379
0.152810
-0.267887
0.157747
0.177722
-0.342783
0.138010
0.151879 C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
H
H
H
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H 28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53 -0.003441
0.250543
-0.636157
-0.576936
0.515507
0.496826
-0.531557
-0.619992
0.032891
-0.023572
0.137562
0.157494
0.352359
0.352048
0.154526
-0.208055
0.037359
-0.025480
0.002518
-0.023921
0.002609
-0.198054
0.032137
0.001518
0.019990
-0.026984
0.004974 C
C
N
N
C
C
N
N
C
C
H
H
H
H
H
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
جدول 3.4.3 : مقادیر همسانگرد و ناهمسانگرد برای تک تک اتمهای مولکول2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با یک استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR2
Anisotropic chemical shielding Isotropic chemical shielding اتم ها شماره اتم ها Anisotropic chemical shielding Isotropic chemical shielding اتم ها شماره اتم ها
136.1493
195.0736
61.9668
95.3668
64.8639
98.3180
130.9338
191.8578
134.9383
195.4586
62.1192
94.2998
10.9957
10.7578
13.1166
13.1236
12.9153
30.5506
6.0566
5.5977
36.3155
6.2821
7.7949
25.6586
6.3245
4.7173
37.7236
10.4758
107.4883
88.2866
101.6760
82.1269
37.3628
9.8864
39.3713
10.5573
107.8964
88.5790
27.9446
27.9331
28.0062
28.0127
28.0107
151.0921
29.7627
29.6787
155.4321
30.3239
29.6302
157.5469
29.7677
29.4575
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
H
H
H
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H 28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53 88.8198
109.4432
107.1977
350.7507
86.0822
86.4986
370.114
114.7333
100.7395
103.7654
3.0302
3.2233
7.72
9.0142
3.9392
65.1857
98.9251
130.762
190.4659
133.8728
196.0494
61.8626
94.5384
85.5183
99.2029
135.6680
192.0001 83.3751
53.6625
111.2838
8.6119
58.4546
59.2226
7.0334
109.6199
81.2228
66.0851
25.3616
25.6697
23.7068
23.8743
25.7996
101.2766
82.2529
37.1826
12.2623
39.3152
10.4502
107.5663
88.3565
68.8059
81.8357
39.6421
9.8658 C
C
N
N
C
C
N
N
C
C
H
H
H
H
H
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
جدول4.4.3 : مقادیر Cq و δ برای تک تک اتم های مولکول2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با یک استخلاف CNT-PR در موقعیت کربن R2
δ Cq اتم ها شماره اتم ها δ Cq اتم ها شماره اتم ها
151.943 1.88144 C 28 106.291 1.44885 C 1
179.191 3.00478 C 29 136.004 1.09427 C 2
82.1786 3.90887 C 30 143.633 2.87488 N 3
101.380 1.79701 C 31 246.305 3.56591 N 4
89.9909 3.67501 C 32 131.2123 1.30062 C 5
107.54 1.80832 C 33 130.4443 1.24673 C 6
152.304 1.90686 C 34 247.883 3.71512 N 7
179.780 2.89690 C 35 145.297 2.83411 N 8
150.295 1.88011 C 36 108.444 1.56044 C 9
179.109 3.00781 C 37 123.581 1.12492 C 10
81.7705 3.9111 C 38 6.8209 0.20739 H 11
101.0879 1.79940 C 39 6.5128 0.20944 H 12
4.2379 0.19917 H 40 8.4757 0.25523 H 13
4.2494 0.19921 H 41 8.3082 0.25515 H 14
4.1763 0.198241 H 42 6.3829 0.20949 H 15
4.1698 0.198244 H 43 88.3903 3.68499 C 16
4.1718 0.19821 H 44 107.414 1.76532 C 17
38.5748 0.56655 C 45 152.4843 1.90785 C 18
2.4198 0.187192 H 46 177.4046 2.89075 C 19
2.5038 0.18722 H 47 150.351 1.88110 C 20
34.2348 0.87036 C 48 179.216 3.01372 C 21
1.8586 0.18779 H 49 82.1006 3.91176 C 22
2.5523 0.18759 H 50 101.310 1.79707 C 23
32.12 0.40402 C 51 120.861 4.41361 C 24
2.4148 0.18873 H 52 107.831 1.80202 C 25
2.725 0.18673 H 53 150.024 1.87922 C 26
179.801 2.88484 C 27
3-5 : مولکول 2و2َ بی هیدروژن ایمیدازول با یک استخلاف CNT-PRدر موقعیت کربن R4

شکل 5.3 : مولکول 2و2َ بی هیدروژن ایمیدازول با یک استخلاف CNT-PRدر موقعیت کربن R4
جدول 1.5.3 : مقادیر انرژی مولکول 2و2َ بی هیدروژن ایمیدازول با یک استخلاف CNT-PRدر موقعیت کربن R4
Dipole moment, Debye GAP(HOMO ,LUMO) EV LUMO,
EV HOMO,
eV Enthalpy,
a.u Energy,
a.u
1.1326 0.0749 -0.11459 -0.18949 -1485.299 -1485.300
جدول 2.5.3 : مقادیر بار مولیکن برای تک تک اتمهای مولکول2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با یک استخلاف CNT-PRدر موقعیت کربنR4
Muliken atomic charge اتم ها شماره اتم ها Muliken atomic charge اتم ها شماره اتم ها
0.033382
-0.207435
0.018918
-0.024169
0.006027
-0.023072
0.003952
-0.198084
0.033102
0.178366
0.177928
0.180811
0.180818
0.180869
-0.297281
0.154766
0.152328
-0.266634
0.170593
0.157844
-0.359171
0.160487
0.150357
0.137012
0.132390
0.156205 C
C
C
C
C
C
C
C
C
H
H
H
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
H
H
H 28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53 0.032035
-0.023565
-0.620271
-0.532086
0.495303
0.352278
0.350153
-0.075610
-0.680408
-0.537895
0.507054
0.348170
-0.207245
0.038059
-0.024103
0.002580
-0.023624
0.003312
-0.197726
0.033420
-0.003393
0.016990
-0.027490
0.005295
-0.027466
0.003986
-0.198063 C
C
N
N
C
H
C
C
N
N
C
H
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
جدول 3.5.3 : مقادیر همسانگرد و ناهمسانگرد برای تک تک اتمهای مولکول2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با یک استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR4
Anisotropic chemical shielding Isotropic chemical shielding اتم ها شماره اتم ها Anisotropic chemical shielding Isotropic chemical shielding اتم ها شماره اتم ها
96.8398
64.2177
96.2581
131.3936
192.6275
134.606
194.8893
62.8612
95.8388
11.1050
10.8770
13.0186
13.0331
12.819
30.7452
6.0127
5.7872
37.1518
6.3040
7.8776
27.0181
6.3668
4.8739
2.4039
5.3007
3.2250 87.4538
102.2547
83.2952
36.9513
9.6591
39.6539
10.6284
107.6883
87.6670
27.9858
27.9862
27.9783
27.979
27.975
151.4022
29.7606
29.7402
155.0101
30.2031
30.1179
161.2193
29.5118
29.5443
25.3808
25.5537
25.6694 C
C
C
C
C
C
C
C
C
H
H
H
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
H
H
H 28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53 100.1170
103.6260
114.3264
367.1308
87.0376
7.3198
102.4990
91.3172
104.0147
358.2867
85.5735
6.5667
64.8172
97.5777
131.4364
190.9355
133.6326
195.6523
62.5375
96.0296
81.6811
96.4204
136.3405
193.5830
135.8612
194.5994
62.7627 81.2149
66.2956
110.3520
7.3876
59.1113
23.7779
67.6463
67.2827
107.9273
6.2093
58.1431
23.8043
101.4445
83.1175
36.6998
12.2099
39.5723
10.4561
107.3494
87.4572
71.3418
83.5858
39.1335
9.2179
37.9435
10.6242
107.1167 C
C
N
N
C
H
C
C
N
N
C
H
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
جدول 4.5.3 : مقادیر Cq و δ برای تک تک اتم های مولکول2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با یک استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR4
δ Cq اتم ها شماره اتم ها δ Cq اتم ها شماره اتم ها
102.21 1.7897 C 28 108.452 1.5505 C 1
87.412 3.6960 C 29 123.37 1.1207 C 2
106.37 1.8228 C 30 144.564 2.8491 N 3
152.71 1.9043 C 31 247.52 3.7011 N 4
180.007 2.9097 C 32 130.55 1.2653 C 5
150.01 1.8823 C 33 8.4046 0.2552 H 6
179.03 3.0001 C 34 122.02 1.6226 C 7
81.978 3.9168 C 35 122.38 1.007 C 8
101.99 1.7920 C 36 146.98 2.9352 N 9
4.1967 0.1991 H 37 248.7 3.7148 N 10
4.1963 0.19909 H 38 131.52 1.2785 C 11
4.2042 0.19817 H 39 8.3782 0.2544 H 12
4.2035 0.19815 H 40 88.222 3.7045 C 13
4.2075 0.19814 H 41 106.54 1.7668 C 14
38.264 0.5485 C 42 152.96 1.9043 C 15
2.4219 0.18703 H 43 177.45 2.9038 C 16
2.4423 0.18691 H 44 150.09 1.8827 C 17
34.6568 0.7741 C 45 179.21 3.0058 C 18
1.9794 0.18762 H 46 82.317 3.9197 C 19
2.0646 0.18728 H 47 102.2 1.7887 C 20
28.4476 0.48635 C 48 118.32 4.3196 C 21
2.6707 0.18863 H 49 106.08 1.8221 C 22
2.6382 0.18503 H 50 150.53 1.8754 C 23
6.8017 0.20743 H 51 180.44 2.9115 C 24
6.6288 0.20698 H 52 151.72 1.8811 C 25
6.5131 0.20957 H 53 179.04 2.9957 C 26
82.55 3.9202 C 27
3-6 : مولکول 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با دو استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R2

شکل 6.3 : مولکول 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با دو استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R2
جدول 1.6.3 : مقادیر انرژی برای مولکول 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با دو استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R2
Dipole moment, Debye GAP(HOMO,
LUMO) EV LUMO,
EV HOMO,
eV Enthalpy,
a.u Energy,
a.u
1.3815 0.07125 0.11598- 0.18723- 2519.34495- 2519.3459-
Muliken atomic charge اتم ها شماره اتم ها Muliken atomic charge اتم ها شماره اتم ها Muliken atomic charge اتم ها شماره اتم ها
-0.024333
0.005537
-0.023663
0.003678
-0.197905
0.033316
0.178086
0.178494
0.181154
0.181267
0.181138
-0.296845
0.153215
0.153582
-0.266070
0.168832
0.159375
-0.358201
0.158325
0.151605 C
C
C
C
C
C
H
H
H
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H 71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
0.002859
-0.198201
0.031990
0.177717
0.178489
0.179548
0.179533
0.179322
-0.298834
0.148974
0.153607
-0.267437
0.155711
0.180198
-0.345419
0.134136
0.154581
-0.207188
0.038657
-0.023694
0.002666
-0.023442
0.003582
-0.197804
0.034028
-0.003858
0.017079
-0.028200
0.006005
-0.027816
0.004041
-0.198053
0.033799
-0.207476
-0.207476 C
C
C
H
H
H
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C 36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70 0.316796
0.199075
-0.698820
-0.584898
0.519708
0.495216
-0.531212
-0.621115
0.033234
-0.022937
0.138052
0.157776
0.352390
0.352390
-0.208023
0.037924
-0.025238
0.002407
-0.023875
0.002539
-0.198148
0.032637
0.000904
0.020371
-0.027265
0.005341
-0.028599
0.002964
-0.198304
0.032021
-0.208583
0.017339
-0.025644
0.005334
-0.023772 C
C
N
N
C
C
N
N
C
C
H
H
H
H
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
جدول 2.6.3 : مقادیر بار مولیکن برای تک تک اتمهای مولکول2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با دو استخلاف CNT-PRدر موقعیت کربنR1 و R2
جدول 3.6.3 : مقادیر همسانگرد و ناهمسانگرد برای تک تک اتمهای مولکول2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با دو استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R2
Anisotropic chemical shielding Isotropic chemical shielding اتم ها شماره اتم ها Anisotropic chemical shielding Isotropic chemical shielding اتم ها شماره اتم ها
98.4441
131.912
191.5185
133.9549
195.946
61.3861
94.7707
10.8467
10.6422
13.2077
13.2163
12.8866
31.0437
7.0637
5.9439
37.1687
7.4478
7.9094
26.3821
9.5251
4.4360
63.149
98.3846
131.3311
191.1472
133.3412
195.1754
61.8613
96.7625
81.9861
94.9234
82.1702
36.9111
9.3583
39.9904
10.8407
107.8213
89.0636
27.9305
27.9446
27.9818
27.9949
27.9821
151.2105
29.7644
29.6559
155.5088
30.3505
29.5536
159.4331
29.7578
29.5228
102.4313
63.149
36.4593
12.0725
40.302
10.3995
107.6306
86.7024
71.2718
83.4968 C
C
C
C
C
C
C
H
H
H
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C 32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62 93.2045
101.8877
94.7967
343.8917
88.3747
86.4524
369.7769
115.2670
101.2506
103.9169
2.6371
3.5752
7.1833
6.5853
65.2012
99.8085
131.7670
190.7833
133.4933
196.5069
61.5046
94.0447
85.8955
99.4893
136.3663
191.2549
135.9785
194.8718
62.1274
93.6134
64.302 70.2998
56.2738
108.2173
7.5100
59.0547
59.5248
6.7569
109.8846
81.2350
66.1800
25.3556
25.6244
23.7399
23.9457
101.7441
82.0663
36.7877
11.9828
39.5724
10.6169
108.1075
88.7424
68.6006
81.2793
39.3604
9.5155
37.8366
10.5018
107.6063
88.5584
101.9087 C
C
N
N
C
C
N
N
C
C
H
H
H
H
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
Anisotropic chemical shielding Isotropic chemical shielding اتم ها شماره اتم ها Anisotropic chemical shielding Isotropic chemical shielding اتم ها شماره اتم ها
10.8239
13.1142
13.2215
12.7375
30.8998
6.8058
5.6418
39.0307
7.8294
7.9634
27.5876
8.3643
4.8956 28.0491
27.9861
27.8669
27.9257
151.6187
29.8026
29.768
154.8079
30.2766
30.1545
162.1162
29.513
29.6061
H
H
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H 78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90 136.9079
193.4541
134.9719
194.8594
62.749
96.4192
64.0708
95.8216
131.5022
194.2806
132.9678
194.861
61.9369
95.8287
10.8493 39.072
9.0584
37.9951
10.4489
106.9278
87.1475
102.0403
83.6311
36.5499
8.9507
39.968
9.9542
106.953
87.3228
28.0143 C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
H 63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
جدول 4.6.3 : مقادیر Cq و δ برای تک تک اتم های مولکول2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با دو استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R2
δ Cq اتم ها شماره اتم ها δ Cq اتم ها شماره اتم ها
179.16 2.9988 C 28 119.36 1.5006 C 1
82.06 3.9126 C 29 133.39 0.9881 C 2
101.1 1.7945 C 30 145.69 2.9556 N 3
87.75 3.6739 C 31 247.4 3.5816 N 4
107.49 1.8121 C 32 130.61 1.3055 C 5
152.75 1.9054 C 33 130.14 1.2466 C 6
180.3 2.8963 C 34 248.16 3.7129 N 7
149.67 1.8786 C 35 145.03 2.8388 N 8
178.82 3.0019 C 36 108.43 1.5637 C 9
81.84 3.9131 C 37 123.48 1.1281 C 10
100.6 1.7976 C 38 6.8269 0.2073 H 11
4.252 0.19916 H 39 6.5581 0.2094 H 12
4.237 0.19914 H 40 8.4426 0.2552 H 13
4.2007 0.19821 H 41 8.2368 0.2544 H 14
4.1876 0.19824 H 42 87.922 3.6868 C 15
4.2004 0.19818 H 43 107.6 1.7644 C 16
38.45 0.5617 C 44 152.87 1.9068 C 17
2.4181 0.18743 H 45 177.68 2.8829 C 18
2.5266 0.18723 H 46 150.09 1.8818 C 19
34.15 0.8770 C 47 179.05 3.0148 C 20
1.832 0.18783 H 48 81.56 3.9123 C 21
2.628 0.18759 H 49 100.92 1.7956 C 22
30.23 0.3732 C 50 121.06 4.4158 C 23
2.424 0.18937 H 51 108.38 1.8052 C 24
2.659 0.18662 H 52 150.3 1.8785 C 25
87.23 3.7013 C 53 180.15 2.8849 C 26
126.51 1.766 C 54 151.83 1.8816 C 27
δ Cq اتم ها شماره اتم ها δ Cq اتم ها شماره اتم ها
149.69 1.8825 C 73 153.2 1.902 C 55
179.71 2.9950 C 74 177.59 2.8945 C 56
82.71 3.9207 C 75 149.36 1.8813 C 57
102.34 1.7904 C 76 179.26 3.0039 C 58
4.1682 0.19904 H 77 82.03 3.9219 C 59
4.1334 0.19913 H 78 102.96 1.7859 C 60
4.1964 0.19814 H 79 118.39 4.3185 C 61
4.3156 0.19814 H 80 106.17 1.8273 C 62
4.2568 0.19810 H 81 150.59 1.8742 C 63
38.048 0.5475 C 82 180.6 2.9108 C 64
2.3799 0.18708 H 83 151.67 1.8806 C 65
2.4145 0.18713 H 84 179.21 2.9919 C 66
34.859 0.77699 C 85 82.73 3.9218 C 67
1.9059 0.18759 H 86 102.51 1.7891 C 68
2.028 0.18728 H 87 87.62 3.7024 C 69
27.55 0.4747 C 88 106.03 1.8262 C 70
2.6695 0.18924 H 89 153.11 1.9036 C 71
2.5764 0.18527 H 90 180.71 2.9103 C 72
3-7-: مولکول 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با دو استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR2 و R3

شکل 7.3 : مولکول 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با دو استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR2 و R3
جدول 1.7.3 : مقادیر انرژی برای مولکول 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با دو استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR2 و R3
Dipole moment, Debye GAP(HOMO,
LUMO) EV LUMO,
EV HOMO,
eV Enthalpy,
a.u Energy,
a.u
2.3084 0.07497 0.11142- 0.18639- 2519.34695- 2519.3479-
Muliken atomic charge اتم ها شماره اتم ها Muliken atomic charge اتم ها شماره اتم ها Muliken atomic charge اتم ها شماره اتم ها
-0.025058
0.006045
-0.0241
0.003128
-0.198044
0.03232
0.177778
0.177893
0.179409
0.179335
0.179461
-0.299049
0.150568
0.152585
-0.268497
0.158515
0.178263
-0.343034
0.138335
0.152133 C
C
C
C
C
C
H
H
H
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H 71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
0.179462
-0.29905
0.150567
0.152586
-0.268493
0.158514
0.178261
-0.343036
0.138336
0.152132
-0.002644
0.251513
-0.636627
-0.575983
0.512251
0.352046
0.155883
-0.208269
0.037784
-0.025810
0.002005
-0.023914
0.002599
-0.19809
0.032186
0.001297
0.019482
-0.027322
0.005329
-0.027926
0.002741
-0.198376
0.031991
-0.208608
0.018472 H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
C
N
N
C
H
H
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C 36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70 -0.002631
0.251501
-0.636618
-0.575979
0.512245
0.352049
0.155883
-0.208270
0.037783
-0.025811
0.002003
-0.023913
0.0026
-0.198091
0.032185
0.001295
0.019482
-0.027324
0.005331
-0.027926
0.002742
-0.198375
0.031991
-0.208607
0.01847
-0.025056
0.006046
-0.024103
0.003128
-0.198042
0.032320
0.177778
0.177893
0.179409
0.179334 C
C
N
N
C
H
H
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
H
H
H
H 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
جدول 2.7.3 : مقادیر بار مولیکن برای تک تک اتمهای مولکول2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با دو استخلاف CNT-PRدر موقعیت کربن R2 و R3
جدول 3.7.3 : مقادیر همسانگرد و ناهمسانگرد برای تک تک اتمهای مولکول2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با دو استخلاف CNT-PR در موقعیت کربن R2 و R3
Anisotropic chemical shielding Isotropic chemical shielding اتم ها شماره اتم ها Anisotropic chemical shielding Isotropic chemical shielding اتم ها شماره اتم ها
11.0241
10.8425
13.0473
12.9534
12.9746
30.1706
5.8344
5.5076
36.82
6.5179
8.2037
25.4529
6.1013
4.9038
88.635
109.5865
107.259
352.9845
85.1032
9.2069
3.9517
64.403
98.1451
129.9846
190.8925
134.9557
196.3943
62.5351
95.0513
85.3961
99.0417
27.9952
27.9935
28.0384


28.0393
28.0071
151.2266
29.7378
29.6878
155.3324
30.251
29.5665
157.7697
29.7441
29.4123
83.0175
53.2988
110.8663
7.8003
58.6907
23.8657
25.7811
102.0316
83.0699
37.086
12.0695
38.5297
10.202
107.8474
88.1768
68.8818
82.3855 H
H
H
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
C
N
N
C
H
H
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C 32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62 88.6389
109.5843
107.2579
352.9885
85.1016
9.2076
3.9521
64.4014
98.1437
129.9851
190.8943
134.9564
196.3958
62.5359
95.0509
85.3934
99.0413
135.5417
192.7438
137.0893
195.0052
62.0649
93.6684
64.3901
96.9042
130.7759
192.2751
134.1526
195.2738
62.1875
95.6332 83.0174
53.2987
110.863
7.7986
58.6904
23.8653
25.781
102.0334
83.0709
37.0857
12.0682
38.5301
10.2019
107.8481
88.1768
68.881
82.3867
39.8191
9.5244
37.2299
10.2574
107.7317
88.444
102.3181
83.337
37.0718
9.5253
39.0995
10.1707
107.6561
88.3315 C
C
N
N
C
H
H
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
Anisotropic chemical shielding Isotropic chemical shielding اتم ها شماره اتم ها Anisotropic chemical shielding Isotropic chemical shielding اتم ها شماره اتم ها
10.8423
13.0474
12.9533
12.9746
30.1701
5.8343
5.5078
36.8165
6.5174
8.2039
25.4512
6.102
4.904
27.9935
28.0384
28.0393
28.007
151.2269
29.7377
29.6879
155.3342
30.251
29.5662
157.7705
29.7442
29.4122 H
H
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H 78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90 135.5397
192.7426
137.09
195.0032
62.0658
93.6692
64.3904
96.9026
130.7765
192.2734
134.1532
195.276
62.1869
95.632
11.0241 39.8202
9.5257
37.23
10.2579
107.7315
88.4433
102.3172
83.3374
37.0715
9.5264
39.0994
10.1691
107.6571
88.3321
27.9953 C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
H 63
64
65
66
67

–398

1-4-طراحی دارو به وسیله کامپیوتر.............................................................................................................................10
1-4-1-مقدمه...................................................................................................................................................................10
1-4-2-تکنیک های محاسباتی درطراحی و تولید دارو..........................................................................................11
1-4-3-نرم افزارهای مناسب جهت طراحی دارو.....................................................................................................12
1-5- شیمی محاسباتی..................................................................................................................................................13
1-5-1- تعریف شیمی محاسباتی.................................................................................................................................13
1-5-2-روش های محاسباتی........................................................................................................................................13
1-5-3-انواع مدل های مولکولی درشیمی محاسبات...............................................................................................14
1-5-4-مکانیک مولکولی ...............................................................................................................................................14
1-6-حمل دارو(دارورسانی نوین)..................................................................................................................................15
1-6-1-تعریف دارورسانی نوین......................................................................................................................................15
1-6-2-نانوساختارهای حامل دارو.................................................................................................................................15
1-6-3-فلرن‌ها....................................................................................................................................................................16
1-6-4-لیپوزوم‌ها...............................................................................................................................................................17
1-7-آنتی کنسر(ضدسرطان)..........................................................................................................................................18
1-7-1-تاریخچه سرطان...................................................................................................................................................18
1-7-2-تعریف سرطان.......................................................................................................................................................19
1-7-3-نحوه پیدایش سرطان .........................................................................................................................................19
1-7-4-علائم هشدار دهنده سرطان ..............................................................................................................................20
1-7-5-انواع سرطانها ........................................................................................................................................................20
1-7-6-عوامل بروز سرطان...............................................................................................................................................21
1-7-7-روشهای درمان سرطان.......................................................................................................................................21
1-7-8-داروهای ضدسرطان.............................................................................................................................................22
1-8- 5-فلورویوراسیل.......................................................................................................................................................23
1-8-1-معرفی 5-فلورویوراسیل.....................................................................................................................................23
1-8-2-خصوصیات دارویی 5-فلورویوراسیل...............................................................................................................25
1-9-کاپسیتابین................................................................................................................................................................26
1-9-1-معرفی کاپسیتابین.............................................................................................................................................26
1-10-نانوذرات...................................................................................................................................................................27
1-10-1-معرفی نانودرات.................................................................................................................................................27
1-10-2- تاریخچه نانوذرات........................................................................................................................................... 27
1-10-3-خواص نانوذرات.................................................................................................................................................27
1-10-4-روشهای ساخت نانو ذرات................................................................................................................................29
1-10-5-نانوذرات سیلیکون کربید.................................................................................................................................30
1-11 -ضرورت انجام تحقیق............................................................................................................................................31
1-12- اهداف تحقیق.........................................................................................................................................................32
1-13-متغیرهای تحقیق...................................................................................................................................................32
1-14- فرضیه های تحقیق..............................................................................................................................................33
فصل دوم: مروری بر متون گذشته
2-1-مقدمه مروری برپژوهش های پیشین..................................................................................................34
2-2-مطالعه محاسباتی وتجربی برروی یوراسیل و5-فلورویوراسیل..........................................................................35
2-3- بررسی بر همکنش 5-فلورویوراسیل با مونت موریلونیت و ساپونیت در طیف سنجی FT-IR...............36
2-4-مطالعه نظریه تابع چگالی برای بررسی اثرات نانوتیوب های کربن بر خواص داروی ضد سرطان فلورویوراسیل........................................................................................................................................................................37
2-5- مطالعه نظری برهمکنش داروی ضد سرطان فلورویوراسل با سه نانو حامل طلا،تیتانیوم اکسیدو ورقه های گرافن............................................................................................................................................................................38
2-6-گرافن به عنوان پایه ی نانوساختاری جهت سیستم رسانش دارو..................................................................38
2-7-بررسی کاربردگرافن وگرافن اکسیدبه عنوان نانوحامل هایی برای رسانش دارو.........................................40
2-8-رسانش دارو به وسیله ی سطح تیتانیوم با استفاده از نانوساختارهای زیست تخریب پذیر.....................41
2-9-توسعه فرمولاسیون نانوذره لیپوزومی برای 5-فلورویوراسیل،بررسی طراحی فرمولاسیون،فارماکوکینتیک واثربخشی..............................................................................................................................................................................42
2-10- استفاده از گرانرولهای کلسیم فسفات برای سیستم رهایش 5-فلورویوراسیل.......................................43
فصل سوم:روش های پژوهش
3-1-شیمی محاسباتی ............................................................................................................................................45
3-1-1-روشهای محاسباتی ازاساس.....................................................................................................................46
3-1-1-1-روش میدان خودسازگار هارتری- فاک...............................................................................................46
3-1-1-2- نظریه اختلال مولر- پلست...................................................................................................................47
3-1-2-روش های نیمه تجربی.................................................................................................................................47
3-1-3-روش محاسباتی مکانیک مولکولی............................................................................................................48
3-2-نظریه تابعی چگالی............................................................................................................................................49
3-3- سری پایه..........................................................................................................................................................50
3-4- نرم افزارهای مورداستفاده دراین تحقیق.....................................................................................................52
3-4-1-نرم افزار هایپرکم و گووسویو...................................................................................................................52


3-4-2- نرم افزار گوسین..........................................................................................................................................53
3-5-روش انجام تحقیق.............................................................................................................................................54
3-6-نتایج تحقیق.......................................................................................................................................................55
3-6-1-فلورویوراسیل..................................................................................................................................................55
3-6-2-نانوذره سیلیکون کربید.................................................................................................................................63
3-6-3-نانوذره سیلیکون کربید-5-فلورویوراسیل.................................................................................................67
فصل چهارم: تفسیر و بیان نتایج
4-1- تجزیه و تحلیل و بیان نتایج حاصل از محاسبات............................................................................................90
4-1-1-نتایج مربوط به مقادیر پوشش شیمیایی و بار مولیکن برای مولکولهای 5-فلورویوراسیل و نانوذره سیلیکون کربید بر حسب ppm..................................................................................................................................91
4-1-2-مقادیر خصوصیات بهینهی مولکولهای 5-فلوئورواوراسیل و نانوذره سیلیکون کربید............................................................................................................................................................93
4-1-3-نتایج محاسبات بهینه سازی وپوشش شیمیایی و بار مولیکن ساختاراتصالی(برهمکنش)بین 5-فلورویوراسیل با نانو ذره سیلیکون کرید برحسب ppm..........................................................................................93
4-1-4- مقادیر خصوصیات بهینه ی ساختار اتصالی مولکولهای 5-فلوئورواوراسیل با نانوذره سیلیکون کربید....................................................................................................................................................................................96
4-1-5- نتایج حاصل از انرژی اتصال ساختار های 5-فلورویوراسیل با نانو ذره سیلیکون کربید....................98
فصل پنجم: بحث و پیشنهادات
5-1-بحث و نتیجه گیری...............................................................................................................................................100
5-2- پیشنهادات..............................................................................................................................................................102
منابع...................................................................................................................................................................................104
چکیده انگلیسی ......................................................................................................................................................... 109
پیوستها....................................................................................................................................................................... 111
فهرست جداول
عنوان صفحه
جدول3- 1: مشخصات NMR و بار مولیکن برای ساختار 5-FU-00.............................................................59
جدول3- 2: مشخصات NMR و بار مولیکن برای ساختار 5-FU-01.............................................................59
جدول3- 3: مشخصات NMR و بار مولیکن برای ساختار 5-FU-02.............................................................60
جدول3- 4: مشخصات NMR و بار مولیکن برای ساختار 5-FU-03..............................................................61
جدول3- 5: مشخصات NMR و بار مولیکن برای ساختار 5-FU-04.............................................................62
جدول 3-6: مشخصات NMR و بار مولیکن برای ساختار 5-FU-05.............................................................62
جدول3-7-نتایج مربوط به انرژی،هومو ، لومو ،ممان دوقطبی وانرژی گاف برای شش مدل مولکولی فلورویوراسیل...................................................................................................................................................................63
جدول3- 8: مشخصات NMR و بار مولیکن برای ساختار NP1-.......................................................................65
جدول3- 9: مشخصات NMR و بار مولیکن برای ساختار NP2-......................................................................66
جدول3-10-نتایج مربوط به انرژی،هومو ، لومو ،ممان دوقطبی وانرژی گاف برای دو مدل نانوذره ی سیلیکون کربید...............................................................................................................................................................67
جدول3- 11: مشخصات NMR و بار مولیکن برای ساختار NP1-FU-00......................................................74
جدول3-12: مشخصات NMR و بار مولیکن برای ساختار NP1-FU-01........................................................75
جدول 3-13: مشخصات NMR و بار مولیکن برای ساختار02 NP1-FU-......................................................76
جدول3-14: مشخصات NMR و بار مولیکن برای ساختار NP1-FU-03.......................................................77
جدول3-15: مشخصات NMR و بار مولیکن برای ساختار NP1-FU-04.....................................................79
جدول3-16 : مشخصات NMR و بار مولیکن برای ساختار NP1-FU-05....................................................80
جدول 3-17: مشخصات NMR و بار مولیکن برای ساختار00 NP2-FU-...................................................81
جدول3-18: مشخصات NMR و بار مولیکن برای ساختار NP2-FU-01......................................................82
جدول 3-19: مشخصات NMR و بار مولیکن برای ساختار NP2-FU-02.....................................................84
جدول 3-20: مشخصات NMR و بار مولیکن برای ساختار NP2-FU-03.....................................................85
جدول 3-21: مشخصات NMR و بار مولیکن برای ساختار NP2-FU-04.....................................................86
جدول 3-22: مشخصات NMR و بار مولیکن برای ساختار NP2-FU-05......................................................87
جدول3-23-نتایج مربوط به انرژی،هومو ، لومو ،ممان دوقطبی وانرژی گاف برای شش مدل ساختار نانوذره ی سیلیکون کربید1-فلورویوراسیل(NP1-FU)......................................................................................................89
جدول3-24-نتایج مربوط به انرژی،هومو ، لومو ،ممان دوقطبی وانرژی گاف برای شش مدل ساختار نانوذره ی سیلیکون کربید2-فلورویوراسیل(NP2-FU)......................................................................................................89
جدول3-25-نتایج انرژی اتصال برای شش مدل ساختار نانوذره ی سیلیکون کربید1-فلورویوراسیل(NP1-FU)...................................................................................................................................................................................90
جدول3-26-نتایج انرژی اتصال برای شش مدل ساختار نانوذره ی سیلیکون کربید2-فلورویوراسیل(NP2-FU)...................................................................................................................................................................................91
فهرست اشکال
عنوان صفحه
شکل1-1-ساختارفلرن......................................................................................................................................................17
شکل1-3- الف)یوراسیل..................................................................................................................................................24
شکل1-3-ب) 5-فلورویوراسیل.......................................................................................................................................24
شکل 3-1-الف)ساختار5-فلورویوراسیل،ساختار:5-FU-00....................................................................................56
شکل 3-1-الف)ساختار5-فلورویوراسیل،ساختار:5-FU-00....................................................................................56
شکل 3-1-پ)ساختار5-فلورویوراسیل،ساختار: 5-FU-02.....................................................................................57
شکل 3-1-ت)ساختار5-فلورویوراسیل،ساختار: 5-FU-03.....................................................................................57
شکل 3-1-ث)ساختار5-فلورویوراسیل،ساختار:04-5-FU......................................................................................58
شکل 3-1-ج)ساختار5-فلورویوراسیل،ساختار:5-FU-05......................................................................................58
شکل 3-2-الف)ساختارنانوذره سیلیکون کربیدباتعداد12اتم Siو8اتم C،ساختار:NP1....................................64
شکل 3-2-ب)ساختارنانوذره سیلیکون کربیدباتعداد12اتم Cوتعداد8اتم Si،ساختار:NP2.............................64
شکل3-3-1-ساختاربهینه شده ی نانوذره سیلیکون کربید(1)- فلورویوراسیل(NP1-FU-00)..............................................................................................................................68
شکل3-3-2- ساختاربهینه شده ی نانوذره سیلیکون کربید(1)- فلورویوراسیل(NP1-FU-01)................................................................................................................................68
شکل3-3-3- ساختاربهینه شده ی نانوذره سیلیکون کربید(1)- فلورویوراسیل(NP1-FU-02)......................69
شکل3-3-4- ساختاربهینه شده ی نانوذره سیلیکون کربید(1)- فلورویوراسیل(NP1-FU-03)...................................................................................................................................................................................69
شکل3-3-5- ساختاربهینه شده ی نانوذره سیلیکون کربید(1)- فلورویوراسیل(NP1-FU-04)...............70
شکل3-3-6- ساختاربهینه شده ی نانوذره سیلیکون کربید(1)- فلورویوراسیل(NP1-FU-05)..................................................................................................................................................................................70
شکل3-3-7- ساختاربهینه شده ی نانوذره سیلیکون کربید(2)- فلورویوراسیل(.NP2-FU-00).................................................................................................................................................................................71
شکل3-3-8- ساختاربهینه شده ی نانوذره سیلیکون کربید(2)- فلورویوراسیل(.NP2-FU-01)..................................................................................................................................................................................71
شکل3-3-9- ساختاربهینه شده ی نانوذره سیلیکون کربید(2)- فلورویوراسیل(.NP2-FU-02)...................................................................................................................................................................................72
شکل3-3-10- ساختاربهینه شده ی نانوذره سیلیکون کربید(2)- فلورویوراسیل(NP2-FU-03).............72
شکل 3-3-11- ساختاربهینه شده ی نانوذره سیلیکون کربید(2)- فلورویوراسیل(.NP2-FU-04)...................................................................................................................................................................................73
شکل3-3-12- ساختاربهینه شده ی نانوذره سیلیکون کربید(2)- فلورویوراسیل(NP2-FU-05)...........73
چکیده :
نانوساختارها که با پیشگامی فولرن و نانو لوله های کربنی معرفی شده اند افق های تازه ای در حوزه های مختلف علم و فناوری گشودند که از جمله مهمترین آن ها بهره گیری نانوساختارها در علوم زیستی است.نانوساختارهای سیلیکون کربید از جمله نانوساختارهای هترواتم محسوب می شوندکه تا حدودی خاصیت یونی نیزپیدامی کنند.دراین پژوهش محاسبات تئوری تابعی چگالی، جهت بررسی اثرات جذب داروی ضد سرطان 5-فلورویوراسیل بر روی نانو ذره سیلیکون کربید با استفاده ازنرم افزارگوسین مورد بررسی قرار گرفت. به منظور دستیابی به این هدف، مدلهای مولکولی شامل هر دو نوع ساختارشامل شش ساختار مختلف مولکول فلورویوراسیل و دونوع ساختار منفرد نانوذره سیلیکون کربیدبا استفاده از نرم افزار گوسین ویو و هایپرکم طراحی گردید.شش نوع ساختار متفاوت فلورویوراسیل هم به صورت منفرد و هم در اتصال و برهمکنش با نانو ذره سیلیکون کربیدی مطالعه شد.سپس با بررسی مقادیر خصوصیات بهینه، مشخص شد که ترکیب اتصالی ، خصوصیات متفاوتی را نسبت به حالات منفرد هر یک از مولکولها نشان میدهد. همچنین بابررسی مقادیر پوشش شیمیایی و بار مولیکن به دست آمده، که خصوصیات الکترونیکی اتمها را نشان میدهد،تغییراتی درحالت اتصال نسبت به حالت مجزامشاهده شدکه نشان می دهد اتمهای فلورویوراسیل تحت تاثیرنانوذره قرارگرفته اند. همچنین سایر پارامتر های دیگر از جمله مقادیرانرژی اتصال و ممان دوقطبی. HOMO و LUMO که تفاضل جبری این دو که انرژی گاف نامیده می شود محاسبه گردید که نتایج آن قابل بحث و تفسیر است ودرنهایت پایدارترین ساختار اتصالی بین مولکول فلورویوراسیل ونانوذره سیلیکون کربید باتوجه به بیشترین انرژی اتصال مشخص گردید.
کلمات کلیدی: نانو تکنولوژی، نانو ساختارها. تئوری تابعی چگالی، 5- فلورویوراسیل، نانو ذره سیلیکون کربید
مقدمه:
امروزه باگسترش روزافزون تکنولوژی وزندگی ماشینی،علاوه براینکه بیماری های جدیدی پا به عرصه ظهور نهاده اند،بیماری های قبلی نیز جنبه های پیچیده تری ازخود بروز می دهند.یکی از این بیماری های کشنده ومهلک که بشریت ازگذشته های دور با آن درگیربوده است سرطان یا کنسرمی باشد.متخصصان حوزه سلامت سرطان را تقسیم غیرطبیعی سلولهای بدن تعریف کرده اند.یکی از راههای درمان این بیماری استفاده از داروها یا شیمی درمانی می باشد.5-فلورویوراسیل یکی از دارو های مورد استفاده درشیمی درمانی جهت درمان انواع سرطان می باشد.این دارو علیه طیف گسترده ای از تومرهای توپر نظیر سرطانهای پستان.معده،لوزالمعده،مری،کبد،سروگردن ومقعد فعال است. این دارو همانند بیشتر داروهای مورد استفاده در درمان سرطان دارای عوارض جانبی است که عبارت است ازسرکوب مغزواستخوان و سمیت موکوزیت واسهال سمیت جلدی به صورت سندرم دست- پا وسمیت عصبی میباشد. باتوجه به عوارض یاد شده و نیزاهمیت دارویی نانوساختارها در نگهداری و حمل داروها، تحقیق حاضر برآن است تا با استفاده از نانو ساختارها یک طرح نوینی از داروی مذکور را جهت ارسال هدفمند وکاهش عوارض دارو طراحی وپیشنهاد کندکه قدم اول دراین راه بررسی امکان جذب دارو برروی نانوساختار مورد نظرکه نانو ساختار سیلیکون کربید است، می باشد.

فصل اول : کلیات تحقیق
1-1- بیان مسأله
نانوساختارها که با پیشگامی فولرن و نانو لوله های کربنی معرفی شده اند افق های تازه ای در حوزه های مختلف علم و فناوری گشودند که از جمله مهمترین آن ها بهره گیری نانوساختارها در علوم زیستی است.نانوساختارهای سیلیکون کربید از جمله نانوساختارهای هترواتم محسوب می شوندکه تا حدودی خاصیت یونی نیز پیدا می کنند اهمیت دارویی نانوساختارها در نگهداری و حمل آن ها در نظر گرفته می شود که در تحقیق حاضر به مطالعه ی مدلی از نانو ذره ی سیلیکون کربید در نگهداری داروی ضد سرطان فلورویوراسیل پرداخته می شود این دارو علیرغم این که کارآمدی خوبی دارد اما عوارض جانبی نامطلوب نیز به همراه دارد که نانوتکنولوژی امیدهایی را در جهت کاهش آن ها ایجاد کرده است.در تحقیق حاضر مطالعه بر اساس محاسبات کوانتومی در سطح اتمی-مولکولی انجام می شود.
1-2 - نانوفناوری
1-2-1-تاریخچه فناوری نانو
مقوله نانوفناوری نامی است که از اوایل سالهای 1980میلادی بر پروژه ای که بیست سال قبل از آن تاریخ، یعنی در سال 1959 توسط استادریچارد فایمن، در کالیفرنیا مطرح شد، بنا نهاده شد. فناوری نانو توسط فیزیکدان و برنده جایزه نوبل، ریچارد فاینمن در سخنرانی نیمه نهایی خود در سال 1959پیش بینی شد: "درپایین دست فضای زیادی وجوددارد.". فناوری نانو، که در سال 1974 ابداع شده، اشاره به مدیریت و یا مهندسی نانو اشیاء در مقیاس مولکولی دارد .هاینریش روهرر، پیشگام سوئیسی عرصه نانوفناوری می باشددر ساخت میکروسکوپ تونل‌زنی اسکن‌کننده برای مشاهده و دستکاری اتم‌های منفرد همکاری داشت.روهرر و همکارش گرد بینیگ، نسخه پیشرفته‌ای از اولین میکروسکوپ الکترونی متعلق به دهه 1930، را طراحی و آن را «میکروسکوپ تونل‌زنی اسکن‌کننده» نام نهادند.وی زمانی که در لابراتوار آی بی ام کار می‌کرد، به همراه بینیگ جایزه نوبل سال 1986 فیزیک را به خود اختصاص دادند و آن را با ارنست روسکا، طراح اولین میکروسکوپ الکترونی، به اشتراک گذاشتند.روهرر و بینیگ پدران نانوفناوری شناخته شده‌اند.طراحی میکروسکوپ مزبور نقطه عطفی در تاریخ فناوری علم و اطلاعات به شمار می‌آید. ] 6و7 [
1-2-2-معرفی نانو فناوری
نانو ریشه یونانی "نانس" به معنی کوتوله می‌باشد.فناوری نانو موج چهارم انقلاب صنعتی، پدیده‌ای عظیم می‌باشد که در تمامی گرایشات علمی راه یافته است تا جایی که در یک دهه آینده برتری فراینده‌ها، وابسته به این تحول خواهد بود. نانومتر معادل یک میلیاردم متر یا تقریبا یک هشتاد هزارم قطر مو و یا معادل اندازه ده اتم هیدروژن است که در کناریکدیگر قرار گرفته اند.حیطه تخصصی فناوری نانو ساختارها و دستگاههائی است که در ابعاد فضایی 1 تا 100 نانومتر قرار داشته و فعالیتهای این ساختارها در بازه های زمانی فمتو ثانیه (یک میلیونیوم نانوثانیه) بوقوع می پیوندد. ظهورنانوفناوری برپایه پروژه فایمن بودکه می توان آن رادر چند بند اساسی خلاصه نمود:
1-تولید ماشینها (روباتها) در مقیاس نانو (یک تا صد نانومتر )که خود این ماشینها قادرند ماشینهای دیگر و یا مواد مفیدجدید، را از طریق چیدمان اتمها در کناریکدیگر، از پائین به بالا، تولید کنند.این نوع فعالیت را اسمبلرنام نهادند.
2-یک اسمبلر می تواند حامل تمام دستورات و اطلاعات لازم جهت ساختن همانند خود باشد که در این صورت به آن خودسامان ده می گویند. از دیدگاه پروژه فاینمن، فناوری نانو در حقیقت فناوری ناظربرایجاد و کنترل این اسمبلرها و رپلیکیتورها است که خود آنها قادرند انبوهی از نانوماشینها و یا نانورو باتها را تعبیه کنند و ازطریق این انبوه سازی، یک فعالیت در مقیاسهای ملکولی راایجاد کنند. این درک از مقوله نانوفناوری بسیار بنیادی است وبا الهام از نانوفناوری موجود در دستگاههای زیستی طبیعی ارائه شده است که فناوری نانو را خلق دستگاهها و مواد ودستکاری در نظم و عملکرد آنها از پائین به بالا، یعنی درمقیاسهای ملکولی و اتمی در نظر می گیرد.از این دور نما،مقیاس نانو صرفا یک مقیاس فوق ریزو یا یک مرحله درکوچک سازی نیست، بلکه اساسی ترین مقیاسی است که ماده در انواع کیفی خود در آن مقیاس شکل می گیرد و قوانین حاکم بر عملکرد آن تشکیل می شود. درک ساده تری از مقوله فناوری نانو نیز در دست است که در برنامه ملی آمریکا برای(US National Nanotechnology Initiative) توسعه نانو فناوری ارائه شده است و هدف نانوفناوری را چنین تعریف می کند:" پژوهش و برپاسازی فناوری در سطوح اتمی، ملکولی وماکروملکولی در بازه طولی تقریبا یک تا 100 نانومتر به منظورارائه شناختی بنیادی از پدیده ها و مواد در مقیاس نانو و خلق و استفاده از ساختارها، ادوات و دستگاههائی که به خاطر اندازه فوق ریز و یا متوسط خود از خواص و عملکردهای نوظهوری برخوردار هستند".
به بیان دقیق ترفناوری نانو یا نانوتکنولوژی رشته‌ای از دانش کاربردی و فناوری است که موضوعات گسترده‌ای را پوشش می‌دهد. موضوع اصلی آن نیز مهار ماده یا دستگاه‌های در ابعاد کمتر از یک میکرومتر، معمولاً حدود ۱ تا ۱۰۰ نانو متر است. در واقع نانو تکنولوژی فهم و به کارگیری خواص جدیدی از مواد و سیستمهایی در این ابعاد است که اثرات فیزیکی جدیدی عمدتا متاثر از غلبه خواص کوانتومی بر خواص کلاسیک از خود نشان می‌دهند. نانوفناوری یک دانش به شدت میان‌رشته‌ای است و به رشته‌هایی چون پزشکی، دامپزشکی، زیست شناسی، فیزیک کاربردی، مهندسی مواد، ابزارهای نیم رسانا، شیمی ابرمولکول و حتی مهندسی مکانیک، مهندسی برق و مهندسی شیمی نیز مربوط می‌شود.]5و6و7و8[
1-3- نانوپزشکی
1-3-1-تعریف نانوپزشکی
نانوپزشکی چیزی بیش از یک نظریه است، با این حال امکان ندارد تعریف دقیقی برای آن ارایه داد. درباره تعریف نانوپزشکی دو نظریه وجود دارد: 1- یک فناوری که از ابزارهای مولکولی و اطلاعات بدن انسان برای تشخیص و درمان استفاده می کند 2- به کارگیری خواص فیزیکی نانومتری اجسامی که حدفاصل اندازه های مولکولی و بزرگتر قرار دارند. ( مکانیک کوانتومی) .درحقیقت درمان و پیشگیری بیماری ها از قابلیت های خوب فناوری نانو به شمار می رود. این فناوری با استفاده از نانوابزارها و نانوساختارهای مهندسی شده، اعمالِ ساخت، کنترل، دیدن و ترمیم سیستم زیستی انسان در مقیاس مولکولی را انجام می دهد. ابزارهای بسیار ابتدایی نانوپزشکی می توانند برای شناسایی بیماری و توزیع دارو، و همچنین توزیع هورمون در بیماری های مزمن و نقص های سیستم بدن به کار روند. ابزارهای بسیار پیشرفته تر، از قبیل نانوروبات ها هستند که به عنوان جراحان کوچک داخل بدن عمل می کنند. در مقالات علمی نیز نانوپزشکی این گونه تعریف شده است : به کارگیری نانومواد یا موادی با ساختارهای نانو در پزشکی که به خاصر ساختارشان ، دارای خواص ویژه ای در زمینه پزشکی مثل توانایی عبور از غشاهای زیستی و یا هدف قرار دادن بافت ها هستند. کنترل مواد در اندازه های نانو نیازمند روش های شیمیایی و ساخت جدید منحصر به فرد است.] 10و11و12[
1-2-2-خلاصه ای از کاربردهای نانوپزشکی
1- داروها: مولکول های نانومتری چون ساختار خاصی دارند اثرات درمانی منحصر به فردی نیز دارند که در سایر داروها وجود ندارد. مثلا : داروهای مبتنی بر فولرین ها و یا درخت سان ها ( دندریمترها)
2- تصویر برداری درون تنی: حسگر های جدید بر مبنای این موارد ساخته می شوند :
برمبنای نانولوله ها، نانوسیم ها، کانتیلورها و میکروسکوپ های نیروی اتمی ، این حسگر ها در وسایل تشخیصی پزشکی استفاده می شوند.
3- زیست مواد: موادی که در این گروه قرار می گیرند عبارتند از: مواد خودتجمع ( خودآرا) و نانوموادی که خواص مکانیکی مواد دیگر را که در ابزارهای کاشتنی وجود دارند ، بهبود می بخشند. مثلا مواد نانوکامپوزیتی در دندانپزشکی که برای پر کردن به کار می روند. نانوهیدروکسی آپاتیت ←روکش کردن کاشتنی ها و یا ساخت موادی که جایگزین استخوان می شوند. مواد زیستی بر روی کاشتنی ها ← رشد سلولی و تمایز سلولی
4- کاشتنی های فعال: این موارد سطوح الکترود ها و سازگاری زیستی ابزارهای کاشتنی را بهبود می دهند. 5-سیستم تحویل دارو به بافت‌های بدن: در این بخش محققان به دسترسی بیولوژیکی بافت‌ها به انواع داروها توجه می‌کنند. منظور از دسترسی بیولوژیکی در اینجا میزان حضور مولکول‌های خاصی از دارو است، با توجه به اینکه آیا آنها در بافت‌های خاص بدن مورد نیاز هستند و اینکه دقیقا در کجا بیشترین کارایی را خواهند داشت. این اهداف با استفاده از هدف‌یابی مولکولی به وسیله اجزایی که مهندسی نانو در آنها وجود دارد، قابل تحقق است.
6-سرطان: قابلیت‌های اجزای نانو در بخش تومورشناسی یکی از رؤیاهایی است که سال‌های سال محققان در آرزوی آن بوده‌اند. استفاده از این اجزا در تصویر‌برداری‌های پیشرفته می‌تواند تصاویری استثنایی از مناطقی که تومور در آنها ایجاد شده است، ارائه دهد. سایز این اجزا همچنین به محققان این امکان را داده است که آنها را تا حد امکان به تومورها نزدیک کنند و اطلاعات کافی از آنها به دست آورند. در تازه‌ترین تحقیقات محققان روی نانوذراتی کار می‌کنند که علاوه بر استفاده در عکسبرداری، از آنها می‌توان برای درمان مستقیم تومورها استفاده کرد] 11و12و13و14و26[
1-3- نانودارو
نانو دارو یکی از شاخه های نانوتکنولوژی است که با استفاده از آن می توان ابزار قدرتمند و پراستفاده ای در زمینه پزشکی و تحقیقاتی ساخت. علاوه بر ساخت ابزار، علم نانودارو به ساختارهای مواد و دارو ها هم مربوط می شود و در زیر شاخه های خود به درمان بیماری های خاص و جراحی های حساس و حرفه ای نیز می پردازد. البته استفاده نانو دارو به این شکل نیست که این علم به صورت مستقیم در تولید و ساخت خود دارو نقش داشته باشد؛ بلکه در نحوه پخش شدن آن در بدن تاثیر دارد و این کارایی دارو ها را افزایش می دهد. بر اساس این عمل پزشکان می توانند دارو را به نقطه ای برسانند که بدن به آن نیاز دارد نه این که از راههای دیگر مثل معده قسمتی از آن را به بخش آسیب دیده برسانند. از همین قابلیت برای درمان بیشتر سرطان ها استفاده شده است. به وسیله دانش نانودارو محققین می توانند با یک روش خاص انواع سرطان را درمان کنند. این روش خاص بدون جزئیات کامل به این صورت است که با تزریق دارو به بدن، داروها سلول های سرطانی را در یک نقطه جمع می کنند و مانع از انتشار آن به نقاط دیگر می شوند و بعد از مدتی سلول های سرطانی در همان محل کشته می شوند و بدون این که سرطان به محل دیگری سرایت کند، از بین می رود. در حال حاضر از این روش برای درمان تومورهای مختلف استفاده می شود. صنعت داروسازی از نقطه نظر دارو رسانی تاکنون از طریق فناوری نانو به دست آوردهای چشمگیری رسیده است. به علاوه از دیدگاه صنعت داروسازی در بخش دارورسانی این عنوان که فناوری نانو قابلیت در دسترس قرار دادن مواد را در مقیاس بسیار کوچک فراهم می کند بسیار حائز اهمیت می باشد. در سیستم دارویی قدیم به علت غیر واقعی بودن دز دارویی از لحاظ مقدار نیاز برای درمان، بسیاری از آن در دستگاه گوارش، گردش خون و بافت های واسط به هدر می رفت تا مقدار مورد نظر به سلول ها یا بافت های مورد نظر برسد که این داروهای جذب شده در طول مسیر ایجاد عوارض جانبی می کنند که اگر در حد خواب آلودگی باشد مزاحمتی برای بیمار ایجاد نمی کند حال آنکه در بیماری هایی چون سرطان و دیابت باعث ریزش مو و عوارض بسیاری خواهد شد یا تزریق های مکرر باعث دردناک شدن بافت ها می شود که برای بیمار غیر قابل تحمل می باشد. اما در سیستم دارورسانی نوین (نانو) راه حلی برای تمامی این مشکلات خواهد بود. سیستم دارورسانی نوین (نانو) عبارت است از رساندن دارو در یک زمان معین و با دز کنترل شده به اهداف دارویی خاص، این کار به نحو چشمگیری ایمن تر و بسیار مؤثر تر از پخش دارو در تمام بدن است. یکی از مشکلاتی که وجود دارد این است که اهداف در بدن بسیار کوچک و پراکنده می باشند. دارورسانی نوین عوارض ناخواسته را کاهش می دهد و دزهای کمتری را مصرف می کند.سیستم های دارورسانی برای اینکه قادر به رساندن دز مورد نیاز دارو در زمان معین به سطح هدف باشند از سیستم هایی طراحی شده نانومتری فعال یا غیرفعال استفاده می کنند، پس باید این گونه گفت گه گذر از گذرگاه نانوتکنولوژی برای رسیدن به اهداف نهایی دارورسانی الزامی است]9و10و16[
1-4-طراحی دارو به وسیله کامپیوتر
1-4-1-مقدمه
در روش طراحی دارو با کمک کامپیوتر در واقع از کامپیوتر به عنوان ابزاری کمکی برای رسیدن به درک بهتری از شیمی و بیولوژی مساله موجود و انجام فرایند طراحی دارو استفاده می شود.در بیشتر موارد از این روش برای پیدا کردن لیگاندی که اینترکشن مناسب با رسپتوری که جایگاه هدف می باشد، استفاده می شود. اتصال این لیگاند به رسپتور می تواند از طریق اینترکشن های هیدروفوبیک، الکتروستاتیک و پیوندهای هیدروژنی باشد.
1-4-2-تکنیک های محاسباتی درطراحی و تولید دارو
دریک همکاری تحقیقاتی بین المللی که بوسیله ی دانشمندان دانشکده پزشکی دانشگاه کارولینای شمالی و دانشگاه دانده در انگلستان انجام شد، روشی برای طراحی و ساخت داروهایی با بازده و تأثیر بیشتر ابداع گردید که در آن داروها می توانند همزمان چندین پروتئین را هدف قرار دهند.این روش می تواند در تولید داروهایی فوق العاده گرانبها که برای درمان بیماریهای بسیار شایع مانند دیابت، فشارخون، چاقی، سرطان، شیزوفرنی و اختلال شخصیت دو بعدی بکار می روند، موثر باشد. این بیماریها که به نام بیماریهای پیچیده معروف هستند دارای علل ژنتیکی و غیر ژنتیکی می باشند که تعیین کننده ی میزان استعداد فرد برای ابتلا به این بیماریها است.به گفته ی نویسندگان پروژه - ریسرچدر مورد ژنتیک بیماری شیزوفرنی ، صدها ژن مختلف می تواند بروی خطر ابتلا به این بیماری تأثیر داشته باشد به همین علت تنها یک دارو نمی تواند برای هدف قرار دادن علت این بیماری مفید باشد این موضوع درمورد سایر بیماریهای شایع و پیچیده صادق است.دکتر روتزمی گوید: برای بیماریهای عصبی روانی و بیماریهای عفونی و سرطان، در طی 20 سال گذشته طراحی داروها بطور انتخابی بر اساس هدف قرار دادن یک مولکول تکی صورت می گرفت اما از آنجائیکه این بیماریها بسیار پیچیده اند و علل چند گانه دارند ،داروها غالباً غیر موثر بوده و بسیاری از آنها حتی به بازار هم ارائه نمی شدند.از سوی دیگر دارویی که برای تأثیر گذاری بروی یک پروتئین هدف طراحی شده است ممکن است با تعداد بسیاری از پروتئین های دیگر برهمکنش کند، این برهمکنش های ناخواسته غالباً سبب بروز سمیت وتأثیرات جانبی داروها می گردد و بنابراین تصور اینکه شاید راهی برای ساختن داروهایی وجود داشته باشد که تعدادی از اهداف داروهای مختلف را در یک زمان مورد هدف قرار دهد ، یک راه حل اساسی محسوب شود.درروش جدید داروهای اتوماتیکی با کامپیوتر بر اساس پایگاه اطلاعاتی بزرگ دارویی، برهمکنش های دارو و هدف طراحی می شوند. دانشمندان از قدرت شیمی محاسباتی برای طراحی ترکیبات دارویی استفاده می کنند و سپس این داروها توسط متخصصین علم شیمی ساخته، آزمایش و در مطالعات بروی مدلهای حیوانی که به بیماریهای انسانی مبتلا هستند، بکار می رود.
1-4-3-نرم افزارهای مناسب جهت طراحی دارو
غربالگری مجازی، به کمک روش های کامپیوتری یک آنالوگ برای غربالگری با قابلیت بالا در محیط آزمایشگاهی (HTS) می باشد، که روشی جهت بررسی سیستماتیک کتابخانه های شیمیایی بزرگ فراهم می آورد.از این تکنیک برای شناسایی ترکیبات رهبر قوی که میتوانند سنتز شده و مورد بررسی و تست های بیولوژیکی قرار گیرند استفاده های شایان توجهی می گردد.این پیشرفت ها به میزان زیادی میزان موفقیت در مسیر توسعه ترکیبات جدید داروئی را امکانپذیر نموده اند. هسته مرکزی این دانش را کاربرد تکنیک های کامپیوتری جهت تسهیل کشف ترکیبات جدید داروئی تشکیل میدهد. طراحی دارو به کمک کامپیوتر،مدلسازی ملکولی توسط کامپیوتر،طراحی منطقی دارو به کـمـک کامپیوترو در نهایت کشف و توسعه دارو به کـمـک کـامـپـیـوتـر ، تکنیک های پیشرفته ای هستند که امروزه به منظور بهینه سازی مسیر کشف و توسعه ترکیبات داروئی موثر به کار گرفته می شوند و معرف کاربرد گسترده ابـزارهـای کـامـپـیـوتـری و پایـگاه های اطلاعاتی متنوع به منظور انجام فعالیت های ذخیره سازی، طبقه بندی، آنالیز، مدل سازی و طراحی ترکیبات داروئی می باشند.توسعه کاربرد تکنیک های کامپیوتری در مراحل کشف و توسعه ترکیبات دارویی به خصوص به کارگیری این تکنولوژی ها در کارخانه های معتبر داروئی دنیا.
1-5- شیمی محاسباتی
1-5-1- تعریف شیمی محاسباتی
شیمی محاسباتی شاخه ای از دانش شیمی است که سعی در حل مسائل شیمی با کمک رایانه ها دارد دراین رشته از رایانه ها برای پیش بینی ساختار مولکولی خواص مولکولی و واکنشهای شیمیایی استفاده می شود دراین رشته از نتایج شیمی محض که در قالب برنامه های موثر کامپیوتری درآمده اند برای محاسبه ساختار و خواص مولکولها و جامدات استفاده می شود در حالیکه نتایج آن معمولا کامل کننده اطلاعات بدست آمده از آزمایشهای شیمایی هستند اما در برخی موارد می تواند منجر به پیش بینی پدیده های مشاهده نشده شیمیایی شود بنابراین شیمی محاسباتی می تواند به شیمی آزمایشگاهی کمک کرده و در یافتن موضوعات جدید شیمیایی با شیمی تجربی رقابت نماید سیمای شیمی محاسباتی شامل مدلسازی مولکولی روشهای محاسباتی و طراحی مولکول به کمک کامپیوتر و همچنین داده های شیمیایی و طراحی سنتزهای الی می باشد همچنین از این رشته به گستردگی برای طراحی داروها کاتالیستها و مواد نو استفاده می شود.]4[
1-5-2-روش های محاسباتی
تاکنون روش های محاسباتی بسیاری برای حل مسائل شیمی ابداع شده است. این روش ها از قوانین مکانیک کوانتوم، مکانیک کلاسیک و یا ترکیبی از آنها برای حل مسائل استفاده می کنند. انتخاب روش مناسب برای انجام محاسبات به نوع و بزرگی ساختار مورد مطالعه و همچنین نوع اطلاعاتی که مورد نیاز است بستگی دارد. اغلب این روش ها را می توان به صورت زیر طبقه بندی کرد:]4و35و36[
1- روش های شیمی محاسباتی
2- روش های مکانیک مولکولی
3- روش های ساختار الکترونی
3-1-روش های نیمه تجربی
3-2-روش های از آغاز
3-3-روش های نظریه تابع چگالی
4- روش های شبیه سازی دینامیک مولکولی
4-1- شبیه سازی دینامیک مولکولی کلاسیک
4-2- شبیه سازی دینامیک مولکولی کوانتومی
4-3- روش بورن اپنهایمر
4-4- روش کار-پارینلو
1-5-3-انواع مدل های مولکولی درشیمی محاسبات
مدل های مولکولی با هدف مدلسازی ساختار مولکولی، خواص و واکنش پذیری، بوجود آمده اند.
1-دامنه تغییرات آنها از توصیفات کیفی ساده تا دقیق، مبتنی بر نتایج کمی است.
2-دامنه تغییرات هزینه آنها از سطح ابتدائی تا زمان محاسباتی معادل ماهها برای ابر رایانه های موازی شده است که مصالحه بین دامنه تغییرات هزینه و هدف مبتنی بر اهداف محاسبات است]17[
1-5-4-مکانیک مولکولی
مبتنی بر مدل توصیفی توپ و فنر است،معرف بهتری برای تعادل هندسی نسبت به مدل های پلاستیک است. قادر است تا روابط همبستگی با انرژی کرنشی را لحاظ کند، محاسبات آن کم هزینه است، پارامترهای تجربی فراوانی وجود دارد که می بایستی به دقت آزمایش و کالیبره شود،این مدل به تعادل هندسی محدود شده است، برهم کنش های الکترونی و ساختار الکترونی را لحاظ نمی کند، اطلاعاتی مبنی بر «خواص» و «واکنش پذیری» نمی دهد، قادر به لحاظ کردن و درک برهم کنش های ایجاد و شکست پیوندها نمی باشد.]17[
1-6-حمل دارو(دارورسانی نوین)
1-6-1-تعریف دارورسانی نوین
دارورسانی نوین عبارتند از: رساندن دارو در یک زمان و با دز کنترل شده به اهداف دارویی خاص ، این کار به نحو چشمگیری ، ایمن تر و بسیار مؤثرتر از پخش دارویی در تمام بدن است که سبب می‌شود عوارض جانبی و دز مصرفی کاهش یابد.در واقع رساندن دارو در یک زمان معین با دز کنترل شده به اهداف خاص که باعث کاهش عوارض جانبی ، درمان سریع تر و اختصاصی برای هر یک از افراد است. این شیوه دزهای مصرفی را کاهش می‌دهد و می‌تواند باعث دل گرمی بیماران برای ادامه رژیم مصرف دارویی صحیح شود. استفاده بهتر از دارورسانی ، اجازه استفاده از روش‌های درمانی جدید را می‌دهد. این فناوری جدید ، امکان استفاده از داروهای بسیار سمی را نیز می‌دهد. سیستم‌های دارورسانی نوین برای این‌که قادر به رساندن دز مورد نیاز دارو در زمان معین به سطح هدف باشند از سیستم‌های طراحی شده نانومتری فعال یا غیر فعال استفاده می‌کنند ، پس باید این گونه گفت که گذر از گذرگاه نانوتکنولوژی برای رسیدن به اهداف نهایی دارورسانی الزامی است. شاید بتوان گفت دارورسانی نوین انقلاب علمی-تجاری داروسازی و پزشکی بوده است که نسیم نوید بخش بیشتر و بهترزندگی کردن را به انسان می‌دهد.]9و10[
1-6-2-نانوساختارهای حامل دارومهم‌ترین نانو ساختارها و نانو داروهایی که در دارورسانی نوین کاربرد دارند عبارتنداز :]9[ 1- لیپوزوم‌ها برای نفوذ بهتر2- کپسوئید و ویروس‌ها برای انتقال دارو3-نانو ذرات مورد استفاده برای انتقال دارو4- نانوکپسول ها5- نانوسرنگ‌های سلولی6- دارورسانی با نانوسوسپانسیون7-استفاده از ماکرومولکول‌های خود تجمع دهنده برای حمل دارو‌
1-6-3-فلرن‌ها نوع دیگری از ذرات که در دارورسانی می‌توانند مورد استفاده قرارگیرند ، فلرن‌ها هستند که یکی از آلوتروپ‌های کربن بوده  و شامل حلقه‌های 5 ضلعی و 6 ضلعی از اتم کـربـن هستنـد. ایـن تـرکیبـات بـه عنـوان حـامل‌های دارویی بسیار موثرواقع می‌شوند. باکی‌بال شناخته شده ترین فلرن است که شبیه توپ فوتبال است و از 20 شش ضلعی و 12 پنج ضلعی ساخته شده است. محققان مؤسسه سی سیکستی‌از ماکرو مولکول‌های درمانی به صورت فلورن‌ها استفاده می‌کنند. فلرن‌ها از نظر ساختاری شبیه توپ فوتبال هستند و به عنوان آنتی اکسیدان و دارای قدرت جذب رادیکال‌های آزادی هستند که در طی بیماری هائی مانند بیماری‌های اعصاب ، حملات قلبی و دیابت افزایش می‌یابند. انواعی از مـواد ، دارای اکسیـژن فعـال و راد یکال‌های آزاد هستند که می‌توانند الکترون‌های غیرمزدوج خود را در تماس با مولکول‌های حیاتی مانند اسیدهای نوکلئیک قرار ‌دهند و بــه ایــن وسـیـلــه سـبــب تـخـریـب سلـولـی و مـرگ سلـول شـونـد. محققـان سیسیکستی معتقدند که فلرن‌ها به صورت یک "اسفنج رادیکالی"‌ عمل  کرده و می‌توانند که الکترون‌های تخریب شده را در میان بگیرند. در عمل ، فلرن‌ها در آب نامحلول هستند لذا لازم است تا به نوعی محلولیت آن‌ها افزایش یابد] 9،16[
شکل1-1-ساختارفلرن
‌1-6-4-لیپوزوم‌ها لیپوزوم‌ها در دارورسانی با استقبال زیادی روبرو شده‌اند. این مواد می‌توانند به طور کروی مواد داروئی را در بر گرفته و احاطه کنند. تاکنون بسیاری از ترکیبات از جمله ضدسرطان‌ها و آنتی بیوتیک‌ها توسط لیپوزوم‌ها مورد استفاده قرار گرفته اند. در مقابل نـیـز شـرکـت‌هـائـی مانند انوسایزوجود دارند که توانسته‌اند از لیپوزوم‌ها به صورت حامل‌های دارویی استفاده کنند. اغلب سلول‌ها برای انتقال پیام و سیگنال مهم خود به سلول دیگر از حامل‌هایی به نام دکسوزوم ها استفاده می‌کنند. در سیستم ایمنی ، این سلول‌های دندانه‌دار ، عوامل ویروسی و عفونت زا را حس می‌کنند. در حقیقت این شرکت توانسته است دکسوزوم های مصنوعی برای هدف قراردادن سرطان را بسازد. محققان انوسایز به کمک این روش خواهند توانست نوعی ایمنی اکتسابی بر علیه انواعی از سرطان‌ها ایجاد کنند] 9،16[
1-7-آنتی کنسر(ضدسرطان)
1-7-1-تاریخچه سرطان
بقراط که به‌عنوان پدر علم پزشکی شناخته می‌شود بین سال‌های 460 تا 370 قبل از میلاد مسیح زندگی می‌کرد،سرطان‌های پوست و بینی و پستان را دیده بود و ظاهر آنها را به خرچنگ تشبیه کرده بود. او برای نامیدن بیماری سرطان از کلمه خرچنگ (کارکونوس-کارسینوما) استفاده کرد. بعدها سلسیوس، پزشک رومی‌ از مترادف لاتین این کلمه به نام کانسر استفاده کرد. پزشکان مسلمان هم از مترادف این کلمه یعنی سرطان (به معنی خرچنگ) استفاده کردند. حدود 150 سال بعد از میلاد گالن ، پزشک رومی از واژه Oncos ( معادل یونانی بلعیدن ) برای توصیف تومورها استفاده نمود و اصطلاح وی امروزه بعنوان قسمتی از نام متخصصین سرطان بکار می رود .اولین تشخیص علمی علت سرطان در سال 1775 میلادی به وسیله ی دکتر"پرسیوال پات"پزشک بریتانیایی انجام شد.وی متوجه شد سرطان بیضه بین لوله ی بخاری پاک کن های لندن شیوع بیشتری دارد.با اختراع میکروسکوپ و تلاش پزشکان مختلف به تدریج رمز و راز سرطان آشکار شد و بسیاری از سرطان ها شناخته شدند. در قرن هجدهم اولین بار"متاستاز"یا گسترش سلول های سرطانی با کمک میکروسکوپ برای پزشکان آشکار شد.رادولف ویرشودر سال 1863 برای اولین باربه ارتباط بین التهاب و سرطان پی برد و کشف وی باعث شد تا توجه به بیماری سرطان ، که تا آن زمان نسبت به وجودش نیز شک وجود داشت معطوف گردد .در 1873 اولین جراحی موفقیت آمیز کانسر توسط تؤدور بیلروت روی یک بیمار مبتلا به کانسر لارنکس انجام شد.امااساس ژنتیک سرطان اولین بار در سال 1902 و به وسیله ی جانورشناس آلمانی پروفسور"تئودور بووری"شناخته شد.او کشف کردکروموزوم ها در تقسیم سلول های سرطانی نقش دارند و احتمالاً موتاسیون در ژن این سلول ها باعث به وجود آمدن سرطان می شود موفقیت او در این موضوع کمک کرد متوجه شود پرتوهای ایکس.عوامل شیمیایی و فیزیکی مانند سموم و زخمها میتوانند باعث"موتاسیون"و بعد سرطان شوند.با کشف رادیوم به وسیله ی"ماری کوری"و همسرش درمان سرطان وارد مرحله ی جدیدی شد و پزشکان دیگر به تنهایی بیماران را درمان نمیکردند و رادیولوژیست ها هم وارد وادی شدند.در سال 1907 میلادی The American Association for Cancer Researchبرای تحقیق و جمع آوری اطلاعات در مورد این بیماری جدید (کانسر ) تشکیل گردید. در سال 1964 گروه کوچکی از پزشکان انکولوژیست را جهت درمان بهتر و اختصاصی بیماران سرطانی پایه گذاری کردند.] 1و2و13و14[
1-7-2-تعریف سرطان
سرطان یعنی رشد ، تکثیر و گاهی انتشار غیر طبیعی سلولهای بدن. تمامی سرطانها دارای الگوی رشد مهارگسیخته و تمایل به جدا شدن از منشا اصلی و متاستاز هستند.اغلب سلولهای طبیعی بدن در پاسخ به تحریکاتی که از داخل و خارج بدن به آنها وارد می‌شود، رشد و تولیدمثل می‌کنند و در نهایت می‌میرند. اگر این فرآیند در مسیر تعادل و صحیح خود اتفاق بیفتد ، بدن سالم می‌ماند و عملکرد طبیعی خود را حفظ می‌کند. اما مشکلات ، زمانی شروع می‌شود که یک سلول طبیعی دچار " جهش " و یا تغییر شده و به سلول سرطانی تبدیل می‌شود.] 1و2[
1-7-3-نحوه پیدایش سرطان
یک سلول طبیعی ممکن است بدون هیچ دلیل واضحی به یک سلول سرطانی تبدیل شود، ولی در اغلب موارد ، تبدیل در اثر مواجهه مکرر با مواد سرطانزا مانند الکل و دخانیات صورت می‌گیرد. شکل ظاهری و نیز عملکرد سلولهای سرطانی شده با سلولهای طبیعی تفاوت دارد. جهش یا تغییر ایجاد شده در DNA یا ماده ژنتیکی سلول اتفاق می‌افتد. DNA همان مسئول کنترل شکل ظاهری و عملکرد سلول است. وقتی DNA یک سلول تغییر می‌کند، آن سلول با سلولهای سالم کنار خود تفاوت می‌یابد و دیگر کار سلولهای طبیعی بدن را انجام نمی‌دهد. این سلول تغییر یافته از سلولهای همسایه‌اش جدا می‌شود و نمی‌داند چه زمانی رشدش باید به پایان برسد و بمیرد. به عبارت دیگر سلول تغییر یافته از دستورها و علائم داخلی که سلولهای دیگر در کنترل آنها هستند، پیروی نمی‌کند و به جای هماهنگی با سلولهای دیگر خودسرانه عمل می‌کند.] 1و2و18[
1-7-4-علائم هشدار دهنده سرطان
الف)خونریزی غیر طبیعی در هر نقطه از بدن.
ب)پیدایش هرگونه توده سفت سلولی در زیر پوست، مثلا در سینه یا نقاط دیگر.
ج) پیدایش زخمی که به آسانی بهبود نمی‌یابد (بویژه در اطراف زبان ، دهان و لبها).
د) سوء هاضمه دائمی
ه) تغییراتی در وضع خالها یا زگیل از قبیل تغییر رنگ ، بزرگ شدن ، خارش ، دردناک شدن و یا خونریزی از آنها که به مدت طولانی ادامه یابد.
و) پیدایش آشفتگی در اعمال روده‌ها یا مثانه که با درمانهای عادی بهبودی نیابد.
ی) سرفه ، گرفتگی صدا و یا مشکل شدن عمل بلع به مدت طولانی. ]1و2و13[
1-7-5-انواع سرطانها
اغلب سرطانها به سه دسته عمده تقسیم می‌شوند:
1- کارسینوم : شامل سرطانهایی می‌شود که از سلولهایی که سازنده پوست هستند (مثل سرطان پوست) و یا لایه داخلی اعضا را می‌پوشانند (مثل سرطان ریه) و یا سازنده غدد هستند (مثل سرطان سینه) منشا می‌گیرد.
2-سارکوم : این دسته سرطانهایی هستند که از بافت همبند مثل غضروف ، استخوان و ماهیچه منشاء می‌گیرند. از اینرو سرطان استخوان یا سرطان ماهیچه را در هر نقطه از بدن سارکوم می‌گویند.
3-لوسمی و لنفوم‌ها : شامل سرطانهایی است که از سلولهای تشکیل دهنده خون و سلولهای ایمنی منشاء می‌گیرند.
در کشورهای غربی ، سرطان پوست شایعترین سرطان است و پس از آن سرطان سینه ، ریه ، پروستات ، روده بزرگ ، مثانه و رحم قرار دارد. ]1و2و13و18[
1-7-6-عوامل بروز سرطان
به طور کلی باید گفت ۵ عامل اساسی در بروز سرطان نقش دارد.اولین عامل شیوه نادرست زندگی است که شامل رژیم غذایی نادرست و نداشتن فعالیت بدنی می شود.دومین عامل سیگار کشیدن و سپس بروز عفونت هاست و بعد از آن عوامل شغلی و آلودگی های محیطی قرار می گیرد.بی گمان در تمام بیماری های شناخته شده ژن ها تاثیر دارد. در واقع هر ۵ عامل ذکر شده همراه با تغییرات ژنتیکی باعث بروز سرطان در انسان می شود اما نکته این جاست که ژنتیک به تنهایی و در موارد نادری علت اصلی بروز سرطان قلمداد می شود.از این رو آن را جزو عوامل اصلی افزایش خطر ابتلا به سرطان ذکر نمی کنیم.از سوی دیگر طبق آمارهای سازمان جهانی بهداشت از ۱۰ میلیون مورد ابتلا به سرطان ۴۴ درصد سرطان ها به دلیل رژیم غذایی نامناسب و عفونت ها بروز پیدا کرده است. همچنین عوامل عفونی در کشورهای شرق مدیترانه عامل ۷۰ درصد تمام سرطان ها ذکر شده است.از سوی دیگر نقش عوامل عفونی در بروز سرطان در کشورهای در حال توسعه و توسعه یافته متفاوت است. در کشورهای توسعه یافته عفونت ۷ درصد علل بروز سرطان را تشکیل می دهد اما در کشورهای در حال توسعه نقش آن ۲۶ درصد است. ]1و2و18[
1-7-7-روشهای درمان سرطان
امروزه اکثر سرطانها درمان قطعی ندارند اما برای جلوگیری از رشد و پیشرفت آنها از روشهای جراحی ، پرتو درمانی ، شیمی درمانی ، هورمون درمانی ، پیوند مغز استخوان و ... استفاده می‌شود. البته یافته‌های جدید زیست شناسی سلولی تومور در روشهای درمانی ترکیبی طی یک برنامه هماهنگ مورد بهره برداری قرار می‌گیرند.روشهای اصلی درمان سرطان عبارتند از: شیمی درمانی، پرتو درمانی، جراحی، ژن درمانی، آنتی‌انجیوجنسیس، تفکر مثبت، هایپرترمیا، رمان بیولوژیکی یا ایمونولوژیک: که مشتمل بر بازسازی، تحریک، هدایت و تقویت سیستم طبیعی دفاعی بدن بیمار است و با بکارگیری آنتی بادی و هدایت سیستم دفاعی خود بیمار جهت مبارزه با سرطان روی می‌دهد. بکارگیری عواملی مانند اینترفرون، سلول‌هایی که فعالیت ضدتوموری مستقیم دارند، و پادتن‌های تک‌تیره رشد سرطان را کاهش می‌دهد.
درمان فوتودینامیک (بکارگیری رنگ و نور): در این شیوه رنگ به داخل یک رگ تزریق و سپس در تمام بدن منتشر می‌شود. پس از چند روز، این رنگ تنها در سلولهای بدخیم باقی می‌ماند. سپس نور قرمز رنگ لیزری به سلول تابانده می‌شود و رنگ درون سلول سرطانی این نور را جذب می‌کند. این امر منجر به واکنش فوتوشیمیایی که ویرانگر سلول‌ها است می‌شود.
سوزاندن ضایعه بدخیم با اشعه لیزر: در برخی موارد ضایعه بدخیم سرطان ریه منجر به مسدود شدن خشکنای می‌شود. در چنین موردی پزشک با سوزاندن ضایعه بدخیم با اشعه لیزر راه عبور هوا را برای بیمار باز می‌کند. این روش به گونه کامل نمی‌تواند منجر به ازبین بردن ضایعه بدخیم شود ولی کمکی است جهت آسان شدن تنفس در بیمار.]1و2و13و18[
1-7-8-داروهای ضدسرطان
ترکیبات شیمیایی بکار رفته در شیمی درمانی سرطان عبارتند از:
الف)عوامل آلکیله کننده ، نیتروژن مستارد و ترکیبات وابسته آن :نیتروژن مستارد ، عاملی موثر بر ضد سرطان است و اثر ضد سرطانی ترکیبات نیتروژن مستارد را بعلت حلقوی شدن آن درآب و تشکیل یونهای خیلی فعال اتیلین اسیونسیوم می‌دانند، که با ترکیباتی که دارای هیدروژن قابل تعویض هستند.
ب)آنتی‌مابولیت‌ها ، آنالوگهای اسید فولیک و پورین ،آنالوگهای پورین و پیریمیدین
ج)هورمونها ، ACTH و کورتیزون و همجنس‌های آن ، استروژنها و آنرژنهای متعدد
د)گروه متفرقه که شامل اورتان و آلکالوئیدها می‌باشد :اورتان کریستالهایی است بسیار محلول در آب و با اسیدها و قلیاها ناسازگار می‌باشد. اثر سمی آن روی سلولها در بسیاری موارد شبیه اثر نیتروژن مستارد است، ولی اورتان داروی بسیار ضعیفتری است.
1-8-فلورویوراسیل(5-فلورویوراسیل)
1-8-1-معرفی 5-فلورویوراسیل
5-فلورویوراسیل ابتدادرسال 1957میلادی توسط کارلس هیدلبرگرطراحی وسنتز شد.دارای فرمول C4H3FN2O2ونام عمومی این مولکول درسیستم آیوپاک 5-فلورو4.3.2.1-تتراهیدروپیریمیدین-4.2-دیون است.این مولکول در زمره مولکولهای کوچک قرار دارد.5-فلوریوراسیل یک داروی ضد سرطان از دسته فلورو پریمیدین هاست.در واقع یک پیش داروست که تحت تغییر شکل زیستی به متابولیت های نوکلئوتیدی ریبوزیل و داکسی ریبوزیل تبدیل میشود.یکی از این متابولیتها” 5-فلورو-2-داکسی یوریدین -5’-فسفات “با آنزیم تیمیدیلات سنتتازوکوفاکتور آن N5.10-متیلن تتراهیدروفولات یک کمپلکس سه تایی با اتصال از نوع کووالانسی ایجاد میکند.این واکنش جهت ساخت نوکلئوفیلهای تیمین اهمیت خاصی دارد.این امر موجب به مهار ساخت DNAبه واسطه مرگ ناشی از وجود تیمین میشود.5-فلورویوراسیل به طور معمول از طریق داخل وریدی مصرف میشودونیمه عمر10 تا 20 دقیقه دارد.این دارو به صورت خوراکی تجویز نمیشود.این دارو پرمصرف ترین دارو در درمان سرطان کولورکتال به حساب می آید. همچنین این دارو علیه طیف گسترده ای از تومرهای توپر نظیر سرطانهای پستان.معده،لوزالمعده،مری،کبد،سروگردن ومقعد فعال است.سمیتهای اصلی ان عبارت است ازسرکوب مغزواستخوان و سمیت موکوزیت واسهال سمیت جلدی به صورت سندرم دست- پا وسمیت عصبی میباشد.]1و2و19و20[

ساختمان فلورویوراسیل

شکل1-3- الف)یوراسیل شکل1-3-ب) 5-فلورویوراسیل
1-8-2-خصوصیات دارویی 5-فلورویوراسیل
گروه دارویی:ضد سرطان ازدسته آنتی نئوپلاستیک
اسامی تجاری معروف: فلوروپلکس ،افودکس، آدروسیل
اشکال دارویی: محلول تزریقی 50میلی گرم برمیلی لیتر و کرم موضعی 5درصد
موارد مصرف تزریقی:سرطانهای کولورکتال، پستان، تخمدان، سرویکس، معده، مری، مثانه، کبد، پانکراس و سرطانهای غیرمشخص اولیه
موارد مصرف پماد موضعی:اکتینیک کراتوزیس و سولار کراتوزیس وکارسینومای سلولهای بازال نوع سطحی
موراد منع مصرف:سوءتغذیه ، دپرسیون عملکرد مغز استخوان ، عمل جراحی بزرگ ، عفونتهای خطرناک.
عوارض جانبی :سندرم مخچه‌ای حاد، خواب‌آلودگی، سرخوشی،آنژین خفیف، تغییرات ECG،راش ماکولوپاپولار، خشکی، اریتم، هیپرپیگمانتاسیون، تغییرات ناخن، خارش، سوزش، تورم، بی‌اشتهایی، پروکتیت، ایلئوس پارالیتیک، استوماتیت، اسهال، تهوع، استفراغ.دپرسیون مغز استخوان، لکوپنی، آنمی،حساسیت به نور، لاکریماسیون، آلوپسی برگشت‌پذیر، ضعف و بی‌حالی
مکانیسم اثر: اثر ضدنئوپلاسم : این دارو باعث مهار سنتز DNA و RNA می‌شود.
فارماکوکینتیک:فلورویوراسیل از سد خونی – مغزی عبور می کند. متابولیسم دارو کبدی و سریع است. نیمه عمر تزریق وریدی در فاز آلفا 20-10 دقیقه و در فاز بتا 20 ساعت می باشد. دفع آن عمدتاً از طریق ریه ها ( 80-60 درصد ) و کلیه ها ( 20-7 درصد ) می باشد].1و2و19و20[
1-9-کاپسیتابین
1-9-1-معرفی کاپسیتابین
کاپسیتابین با نام تجاری اکسلودا (زلودا) یک آنتی متابولیت و یک داروی ضد سرطان است که با تداخل در تولید پروتئین های لازم برای رشد سلول های سرطانی از تکثیر و گسترش آنها در بدن جلوگیری می کند.دارای نام آیوپاک 5'_دئوکسی-5-فلورو-N-(پنتیلوکسی کربونیل)سیتیدین ودارای فرمول شیمیایی C15FN3O6H22 است.کاپسیتابین درواقع یک پیش دارواست که دربدن به فلورویوراسیل تغییرساختارمی دهد. دارو در 3 مرحله آنزیمی به فرم فعال 5 -فلورویوراسیل تبدیل میشود 5- فلورویوراسیل از دارو در سلول های تومور به واسطه فاکتور آنژیوژنیک وابسته به تومور کاتالیز میشود.کاپسیتابین برای درمان سرطان پستان و کولون یا رکتوم سرطان که به سایر نقاط بدن گسترش یافته است استفاده می شود.این دارو در درمان انواع خاصی از سرطان های سینه، روده بزرگ، یا سرطان روده بزرگ در بعضی از بیماران مورد استفاده قرار می گیرد؛ این ممکن است به تنهایی یا در ترکیب با سایر داروهای ضد سرطان و یا پرتو درمانی استفاده می شود.]1و2و19و20[
1-10-نانوذرات
1-10-1-معرفی نانوذرات
نانو ذرات دارای قطری بین 1 تا 100 نانومتر می باشند به عبارتی آنها در حوزهای مابین اثرات کوانتومی اتمها، مولکولها و خواص مواد توده ای قرار می گیرند. مواد مختلف در این مقیاس از خود خواص متفاوت و جالبی را بروز می دهند.نانوذرات به قدری کوچک هستند که میتوان گفت بینظمی چندانی در آنها وجود نداشته و لذا فلزات پر قدرت و بسیار سخت را میتوان از آنها تولید کردمساحت سطحی بالای آنها نیز سبب تولید کاتالیزور کاراتر و مواد پر انرژی می گردد.نانوذرات از زمانھای بسیار دور مورد استفاده قرار می گرفته است. شاید اولین استفاده آنھا در لعاب ھای چینی و سرامیک ھای تزئینی سلسله ھای ابتدایی چین بوده است. در یک جام رومی موسوم به جام لیکرگوس از نانو ذرات طلا استفاده شده است تا رنگھای متفاوتی از جام بر حسب نحوه تابش نور از جلو یا عقب پدید آید، البته علت چنین اثراتی برای سازندگان آنھا ناشناخته بوده است]5،3[
1-10-2- تاریخچه نانوذرات
از آن در دهه 1930 برای اولین بار روش ها ی فرآوری بخار جهت تولید نانو ذرات بلوری مورد استفاده قرار گرفته شد. در اولین تولید صنعتی نانو ذرات در قرن بیستم با تولید دوده و پس از آن در 1940 با تولید سیلیس فومی رخ داد.سال ها ی اخیر پیشرفت ها ی بسیار بزرگی در زمینه امکان ساخت نانوذرات از مواد گوناگون وکنترل شدید بر روی اندازه،ترکیب و یکنواختی آن ها صورت گرفته است.]3و5[
1-10-3-خواص نانوذرات
با گذر از میکرو ذرات به نانوذرات، با تغییر بر خی از خواص فیزیکی روبه رو می شویم که دو مورد مهم از آنها عبارتند از:افزایش نسبت مساحت سطحی به حجم و ورود اندازه ذره به قلمرو اثرات کوانتومی.
افزایش نسبت مساحت سطحی به حجم که به تدریج با کاھش اندازهء ذره رخ می دهد، باعث غلبه یافتن رفتار اتم ھای واقع در سطح ذره به رفتار اتمهای درونی می شود. این پدیده بر خصوصیات ذره در حالت انزوا و بر تعاملات آن با دیگر مواد اثر میگذارد. افزایش سطح، واکنش پذیری نانوذرات را به شدت افزایش می دهدزیرا تعداد مولکولها یا اتمهای موجود در سطح درمقایسه با تعداد اتمهای یا مولکولهای موجود در تودهء نمونه بسیار زیاد است، به گونه ای که این ذرات به شدت تمایل به آگلومره یا کلوخه ای شدن دارند.. علاوه بر این، افزایش سطح ذرات، فشار سطحی را کاهش داده و منجر بهتغییر فاصله بین ذرات یا فاصله بین اتم های ذرات می شود. تغییر در فاصله بین اتم های ذرات و نسبت سطح به حجم بالا درنانوذرات، تأثیر متقابلی در خواص ماده دارد. تغییر در انرژی آزاد سطح، پتانسیل شیمیایی را تغییر می دھد. این امر در خواص ترمودینامیکی ماده (مثل نقطه ذوب) تأثیر گذار است.به محض آنکه ذرات به اندازه کافی کوچک شوند، شروع به رفتار مکانیک کوانتومی می کنند. خواص نقاط کوانتومی مثالی ازاین دست است. نقاط کوانتومی کریستال هایی در اندازه نانو می باشد که از خود نور ساطع می کنند. انتشار نور توسط ایننقاط در تشخیص پزشکی کاربرد های فراوانی دارد. این نقاط گاهی اتم های مصنوعی نامیده می شوند؛ چون الکترونهای آزاد آنها مشابه الکترونهای محبوس در اتمها، حالات گسسته و مجازی از انرژی را اشغال می کنند.علاوه بر این، کوچک تر بودن ابعاد نانوذرات از طول موج بحرانی نور، آنها را نامرئی و شفاف می نماید. این خاصیت باعث شدهاست تا نانوذرات برای مصارفی چون بسته بندی، مواد آرایشی و روکشها مناسب باشند.مواد در مقیاس نانو، رفتار کاملًا متفاوت، نامنظم و کنترل نشده ای از خود بروز می دهند. با کوچکتر شدن ذرات خواص نیزتغییر خواھد کرد. مثلًا فلزات، سخت تر و سرامیک نرم تر می شود.
مثال خصوصیات :
کاتالیستی:اثر کاتالیستی بهتر، به دلیل نسبت سطح به حجم بالاتر
الکتریکی:افزایش هداایت الکتریکی در سرامیک هاو نانو کامپوزیت های مغناطیسی،افزایش مقاومت الکتریکی در فلزات
مغناطیسی:افزایش مغناطیسیته با اندازه بحرانی دانه ها،رفتار سوپر پارامعناطیسیته ذرات نوری
خصوصیات فلوئورسنتی: افزایش اثر کوانتومی کریستال های نیمه هادی
بیولوژیکی: غشاء و خونی-مغزی و غیره و بهبودزیست سازگاری.]3و5و24و25[
1-10-4-روشهای ساخت نانو ذرات
روشهای مختلفی برای تهیه وساخت نانوذرات وجود دارند که برخی از آنها عبارتند از روش سل-ژل،مکانیزم های تبخیر- چگالش، واکنش های فاز گازی ایجاد شده به وسیله لیزر یا پلاسما و یا روشهایی که در گروه شیمیایی مرطوب قرار میگیرند. اما اصلیترین روشهای ساخت نانو ذرات را میتوان بصورت زیربیان کرد.]20[
الف) روش بالا به پایین
در رویکرد بالا به پایین برای تولید محصول، داشته یک ماده تودهای را شکلدهی و اصلاح میکنند. درحقیقت در این روش، یک ماده بزرگ را بر داشته و با کاهش ابعاد و شکلدهی آن، به یک محصول با ابعادنانو تبدیل میشود. به عبارت دیگر، اگر اندازه یک ماده تودهای به طور متناوب کاهش داده شود تا به یک ماده با ابعاد نانومتری برسد، از رویکرد بالا به پایین استفاده شده است.]21و22[
ب)روش پایین به بالا
در روشهای پایین به بالا محصول از مواد ساده تر به وجود می آید، مانند ساخت یک موتور از قطعات آن. در حقیقت کاری که در این روش انجام میشود، کنار هم قرار دادن اتمها و مولکولها (که ابعاد کوچکتر از مقیاس نانو دارند) برای ساخت یک محصول نانومتری است. تصور کنید که قادر هستید اتمها ومولکول ها را به طور واقعی ببینید و آنها را به طور دلخواه کنار هم قرار دهید تا شکل مورد نظر حاصل شود.] 21و22[
1-10-5-نانوذرات سیلیکون کربید
پودرهای سیلیکون کاربید، به‌علت خواص فیزیکی مناسب ، در موارد بسیاری از جمله ؛ ساینده‌ها ، دیرگدازها و المنت‌های حرارتی، کاربردهای الکترونیکی و نوری، درزگیرهای مکانیکی ، قطعات پمپ ، ساخت توربین ‌های گازی ، مبدل‌های حرارتی و پره‌های سرامیکی ، کاربرد دارند.سنتز پودر سیلیکون کاربید با روش‌های مختلفی از جمله سنتز این ماده غیراکسیدی با مواد اولیه‌ای همچون سیلیس و ترکیبات سیلیسی ، پوسته برنج همراه با ترکیبات مختلف حاوی کربن (شامل کربن سیاه ، کربن فعال ، گرافیت ، قیر و پلیمرها) ، در کوره‌های الکتریکی و گازی متداول انجام شده‌است. در سنتز سیلیکون کاربید نانومتری با استفاده از امواج مایکروویو به واسطه سرعت بالای حرارت‌دهی در کوره مایکروویو و عدم امکان رشد ذرات، موجب سنتز نانو متری این ماده شد.کاربید سیلیسیم یکی از مهمترین سرامیک‌های غیراکسیدی است که به دلیل برخورداری از خواص ویژه از جمله: حفظ استحکام در دماهای بالا، ضریب انبساط پایین، هدایت حرارتی و الکتریکی بالا، مقاومت اکسیداسیون عالی و پایداری شیمیایی دارای کاربرد وسیعی در صنایع مختلف از جمله هسته‌ای، الکترونیک، هوا و فضا و خودروسازی می‌باشد و به صورت‌های گوناگون از جمله فرم پودری، قطعات شکل یافته و فیلم‌های نازک تولید و عرضه می‌گردد. شناخته شده‌ترین روش برای تولید کاربیدسیلیسیم روش اچسون است که براساس احیاء حرارتی سیلیس توسط کربن گسترش یافته است. در این روش مخلوطی از سنگ سیلیس و کک در کوره‌های الکتریکی تا دماهای بالا (حدود K2900) حرارت داده می‌شوند که محصول واکنش کریستال‌های درشت α–SiC خواهد بود. کریستال‌های α–SiC دارای ساختمان شش وجهی شبیه ورتزیت بوده واز خصوصیات آن این است که از استحکام خوبی در دماهای بالا برخوردارمی‌باشد. در صورتیکه بتوان دما را در محدوده K 2100 – 1800 تنظیم کرد با استفاده از روش اچسون می‌توان β – SiC تولید نمود. این ماده دارای ساختمان کریستالی شبیه زینک بلند بوده و از سختی بالایی برخوردار می‌باشد.به غیر از روش اچسون روش‌های دیگری از جمله سل- ژل، پلاسمای حرارتی، احیاء کربوترمی، ریزموج و رسوب شیمیایی بخار نیز گسترش یافته‌اند. روش انتخابی به ساختار ماده مورد نظر، فرم و شکل محصول نهایی و کاربرد آن بستگی دارد. با این حال بیشتر روش‌های بالا ازنظر زمان، مواد و انرژی مصرفی روش‌های گرانی هستند.از طرفی در اکثر فرآیندهای تولید به دلیل بالابودن دما و زمان، اندازه دانه‌ محصول نهایی درشت خواهد بود. همانگونه که می‌دانیم ریز شدن ساختار مواد باعث ایجاد خواص مطلوب از جمله افزایش استحکام، چقرمگی، مقاومت سایش و مقاومت خستگی بدون تغییر در خواص ظاهری فیزیکی خواهد شد. بنابراین تولید کاربید سیلیسیم با اندازه ذرات نانو از دیگر چالش‌های مطرح می‌باشد. کاربید سیلیسیم نانو پودر به صورت بالقوه دارای کاربرد ویژه‌ای در نانوالکترونیک، تجهیزات گسیل میدانی و نانوکامپوزیت‌ها است. اخیرا روش سنتز احتراقی برای تولید برخی نانو مواد‌ها و در مقیاس وسیع مطرح شده است] 23و24و25[
1-11 -ضرورت انجام تحقیق
صــنــعـــت داروســـازی از نــقـطــه نـظــر دارورسـانـی ، تـاکـنـون از طـریـق فـنـاوری نانو به دسـتــاوردهــای چـشـمـگـیــری رسـیـده اسـت. در سیستم دارویی قدیم به علت غیرواقعی بودن دز دارویی ، از لحاظ مقدار نیاز برای درمان ، بسیاری از آن در دســتــگــــاه گــــوارش ، گـــردش خـــون و بافت‌های واسط به هدر می‌رفت تا مقدار مورد نظر به سلول‌های هدف برسد که می‌تواند این داروهـــای جـــذب شــده در طــول مـسـیــر ایـجــاد عـوارض جانبی کند که در بیماری‌های دیابتی و سـرطان ، باعث ریزش مو و عوارض بسیاری خواهد شد یا تزریق مکرر باعث دردناک شدن بافت‌ها می‌شود که برای بیمار غیر قابل تحمل اســت و همچنین بسیاری از داروها نه تنها خواص درمانی مناسبی ندارند بلکه عوارض جانبی نیز از خود نشان میدهند زیرا علاوه بر نقطه اثر ویژه خودشان در نواحی دیگر بدن نیز اثر گذار هستند .برای اینکه یک دارو از لحاظ درمانی موثر بماند لازم است تا رسیدن به محل اثر محافظت شود و ویژگی های زیستی و شیمیایی آن حفظ شود که فــنــاوری نــانـو در دارورسـانـی  راه حل‌هایی اندیشیده است که یکی ازاین راهها استفاده از نانوتکنولوژی در جهت کاهش اثرات جانبی داروهای ضد سرطان (فلورو یوراسیل) مبتنی بر استفاده از نانوذره سیلیکون کربید،اهمیت تحقیق حاضر محسوب می شود.
1-12- اهداف تحقیق
هدف اصلی در این تحقیق مطالعه کوانتمی جذب داروی ضد سرطان فلورویوراسیل روی نانو ذره سیلیکون کربید، توسعه مرزهای دانش در حوزه های استفاده های دارویی از نانوذره ی سیلیکون کربید وپیدا کردن کاربرد نانوذرات سیلیکون کربید در نگهداری داروی فلورویوراسیل با استفاده از روش های نظری و بدون انجام آزمایش است. (هرچند در برخی از روش ها از نتایج آزمایش های تجربی استفاده می شود). با استفاده ازشیمی محاسباتی شاخه‌ای از دانش شیمی است که از روش های شیمی و محاسباتی برای حل مسائل شیمی استفاده میکند اغلب محاسبات در این رشته پیچیده و سنگین هستند و انجام آنها بدون کمک رایانه امکان پذیر نیست. از این رشته به‌گستردگی در تمامی شاخه های شیمی، بیو شیمی و داروسازی استفاده می‌شود.
1-13-متغیرهای تحقیق
در این تحقیق سعی بر آن است که با استفاده از نرم افزارهای هایپرکم، گوسین وگووس ویوکه از نرم افزار های مهم در شیمی محاسباتی هستند به مدلسازی و شبیه سازی و پیشگویی و رسم ساختار بهینه و بدست آوردن انرژی پیوند و حالت گذار اوربیتال مولکولی و ممان دوقطبی،گپ انرژی وخصوصیات پوشش شیمیایی همسانگردوناهمسانگرد ونیزبارمولیکن در حالت اتصالی نانوذره سیلیکون کربید-فلورویوراسیل نسبت به حالت فلورویوراسیل بررسی شودوپایدارترین ساختارممکن معرفی گردد..
1-14- فرضیه های تحقیق
الف) فلورویوراسیل روی نانوذره ی سیلیکون کربید جذب می شود.
ب) هیبرید فلورویوراسیل-نانوذره ی سیلیکون کربید پایدار است.
فصل دوم : مروری بر متون گذشته
2-1-مقدمه
همانطورکه دربخش قبلی نیزاشاره شددر این تحقیق هدف مطالعه کوانتمی جذب داروی ضد سرطان فلورویوراسیل روی نانوذره سیلیکون کربیدی است بطوریکه بتوان از نانو ساختار های سیلیکون کربیدی در نگه داری داروی فلورو یوراسیل وپیدا کردن کاربرد های نانو ساختار سیلیکون کربید در نگه داری داروها با استفاده از روش های نظری استفاده کرد. سعی بر آن است با استفاده از نرم افزار گوسین که یکی از نرم افزار های مهم در شیمی محاسباتی است به مدلسازی و شبیه سازی و پیشگویی و رسم ساختار بهینه و بدست اوردن انرژی پیوند و حالت گذار اوربیتال مولکولی و ممان دوقطبی،گپ انرژی وخصوصیات پوشش شیمیایی همسانگردوناهمسانگرد در حالت اتصالی نانوذره سیلیکون کربید–فلورویوراسیل ورسیدن به ساختار های بهینه متناسب با انرژی کمینه دست یافت.ازهمین رواولین قدم مدلسازی ساختارها و سپس محاسبات خصوصیات الکترونی ساختار های بهینه شده از جمله پارامتر های NMR وانجام مراحل بعدی برای پاسخ به سوال تحقیق حاضراست.دراین بخش مروری به پژوهش های صورت گرفته درزمینه داروی ضدسرطان فلورویوراسیل و نانوذره سیلیکون کربید ونیزدارورسانی بااستفاده ازنانوساختارها براساس مطالعات کوانتمی وهمچنین آزمایش های تجربی ارائه می شود.
2-2-مطالعه محاسباتی وتجربی برروی یوراسیل و5-فلورویوراسیل
درسال 2002میلادی ،بلیچارسکا وکوپکا مطالعه ای را به صورت تجربی ومحاسبات نظریه تابع چگالی بر روی یوراسیل و 5-فلورویوراسیل انجام دادند در این مطالعه پارامترهای NMR به صورت تجربی و محاسباتی جمع آوری گردید.آنها به منظور استخراج نتایج NMRحاصل از محاسبات از روش B3PW91استفاده نمودند.واین نتایج را با اطلاعات NMR حاصل از روش آغازین محاسبات،که با روش هارتری فاک انجام شده بود مقایسه کردند آنها همچنین از دو سری پایه 6-31G*و 6-31++Gکه یک سری با کیفیت و قدرتمند است استفاده نمودند بعد از مقایسه ی نتایج بدست آمده از روشهای محاسباتی و تجربی یک همبستگی خطی بین پوشش پروتون وکربن در یوراسیل و5-فلورویوراسیل با نتایج تجربی دیده شد.علاوه بر آن دراین تحقیق مشخص شد طول پیوند ها ،گشتاور دو قطبی وارتعاشات کشش هارمونیک پیش بینی شده یک هماهنگی عالی با نتایج تجربی قابل دسترسی را نشان می دهند. چنین محاسباتی باید ویژگی های طیف سنجی این مولکول ها را در محلول با اطمینان بالاتر حوزه حلالپوشی اولیه مواد و با شمول بیشتر مدل دی الکتریک محلول پیشگویی نموده و بتواند نگرشی بیشتر را در مورد ویژگی های درون تن بیان کند.]27[
2-3- بررسی بر همکنش 5-فلورویوراسیل با مونت موریلونیت و ساپونیت در طیف سنجی FT-IR
آکالین وهمکارانش درتحقیقی جذب سطحی 5-فلورویوراسیل در مونت موریلونیت و ساپونیت با استفاده از طیف سنجی FT-IR را بررسی کردند. پوشش 5-فلورویوراسیل را در مونت موریلونیت یا ساپونیت با انتشار اشعه ی ایکس برای افزایش فاصله ی لایه ی داخلی موردتحقیق قراردادند.به منظور بررسی برهمکنش5-فلورویوراسیل با رس، تعداد امواج ارتعاشی هارمونیک وغیر هارمونیک 5-فلورویوراسیل آزاد و 5-فلورویوراسیل پیوندی باآلومینیوم هیدروکسید بامحاسبات نظریه تابع چگالی به روش B3LYP با سری پایه 6-31++G(d.p) با استفاده از برنامه گوسین98 محاسبه شد.نتایج آزمایشی و محاسباتی نشان داد که 5-فلورویوراسیل با کوئوردینه شدن مستقیم و غیر مستقیم از طریق مولکول های آب در وسط اسید لویس در تعامل و ارتباط با رس قرار می گیرد. آنهاباتفسیر تغییرات طیفی IR مواد جذب شده روی رس ، اطلاعاتی را در مورد ماهیت و ویژگی های ترکیبات آلی رس بدست آوردند.برهمکنش یا پوشش 5-فلورویوراسیل در موریلونیت و ساپونیت با انتشار اشعه ایکس نشان داده شد تا فاصله های بین لایه های داخلی را افزایش دهند.بامحاسبه حرکت امواج ارتعاشی 5-فلورویوراسیل آزاد و 5-فلورویوراسیل پیوندی باآلومینیوم هیدروکسید توانستندمختصات را از طریق حالت های ارتعاشی =O10 C4 تعیین کنند. ]28[
2-4-مطالعه نظریه تابع چگالی برای بررسی اثرات نانوتیوب های کربن بر خواص داروی ضد سرطان فلورویوراسیل
درسال 2012میلادی درمطالعه ای که توسط میرزایی صورت گرفت اثرات اتصال داروی 5-فلورویوراسیل برروی نانولوله های کربنی ومطالعه خصوصیات آن بامطالعات محاسباتی تئوری تابع چگالی برروی ترکیب متشکل از5-فلورویوراسیل ونانولوله کربنی مورد بررسی قرارگرفت.دراین تحقیق DFT به روش B3LYPو باسری پایه ی 6-31G* توسط نرم افزار محاسباتی گوسین98 انجام شد.درابتدا ساختاربهینه شده ی ترکیب نانولوله کربنی –فلورویوراسیل بدست آمد.سپس ازمدل بدست آمده خصوصیات پوشش شیمیایی با استفاده از کلید واژه NMR درهمان نرم افزارانجام شد.خصوصیات بهینه شده وخصوصیات پوشش شیمیایی ساختاراستخراج گردید.درنهایت مشخص شدکه تمام خصوصیات بهینه شده شامل انرژی بهینه،گشتاوردوقطبی،انرژی بالاترین اوربیتال مولکولی اشغال شده وانرژِی پایین ترین اوربیتال مولکولی اشغال نشده، گپ انرژی وخصوصیات پوشش شیمیایی همسانگردوناهمسانگرد در حالت اتصالی نانولوله های کربنی – فلورویوراسیل نسبت به حالت فلورویوراسیل به صورت منفردتغییراتی رانشان می دهدکه کاربردهای جدیدی رابرای این دارو متصورمی شود. ]29[
2-5- مطالعه نظری برهمکنش داروی ضد سرطان فلورویوراسل با سه نانو حامل طلا،تیتانیوم اکسیدو ورقه های گرافن
درسال2013ساندوال وسه تن ازهکارانش به بررسی نظری دارورسانی داروی فلورویوراسیل به وسیله سه نانوساختارطلا ،گرافن وتیتانیوم اکسید پرداختندکه درزیراین تحقیق آنها توضیح داده شده است.
داروی ضد سرطان فلورویوراسیل ممکل است دارای عوارض جانبی شدیدی باشد که به سلول های سرطانی و سالم آسیب میزند به منظور به حداقل رساندن این عوارض جانبی محققان در تلاش برای ارسال دارو در نواحی مورد هدف با شیوه ای مدرن از طریق نانو حامل های داروی هستند.در این مطالعه برهمکنش داروی ضد سرطان فلورویوراسل را با سه نانو حامل طلا،تیتانیوم اکسیدو ورقه های گرافن بررسی شد. همه ملکول ها در گوسین09 بهینه شد و همه محاسبات در DFT به روش B3LYP باسری پایه LAN2DZ صورت گرفت. نتایج نشان میدهد که این سطوح میتوانند در پیوند با عناصر مختلف فلورویوراسیل باشند.اما پایداریشان به خاطر تشکیل این کمپکلس ها یکسان است.مطالعه نظری برهمکنش فلورویوراسیل با ورقه های تیتانیوم اکسیدوطلا و گرافن نشان می دهد که طلا-فلورویوراسیل دارای انرژی کمتری است و بیشترین پایداری به کمپلکس فلورو یوراسیل-تیتانیوم اکسید است. ]30[
2-6-گرافن به عنوان پایه ی نانوساختاری جهت سیستم رسانش دارو
گوئنکا وهمکارانش در سال 2014 به بررسی نانوذرات، خواص بیولوژیکی وفیزیکوشیمیایی جالبی که برای طرح ریزی های پزشکی (دارورسانی)فراهم میکنندپرداختند.آنها دلیل این امر را اندازه کوچک وسطح زیاد آنها وتوانایی میانجی گری (عملکردمقابل)آنها باسلولها یابافت ها توجیه نمودند.درادامه تحقیق بیان کردندنانوذرات برمبنای گرافن به سرعت به صورت مواد دوبعدی شگفت انگیزی ظاهرگشتندواین به علت ساختارسطح یگانه آنها وخواص مکانیکی عالی،خواص نوری والکتریکی واستفاده شدن این مواد درالکترونیک وسایرزمینه ها می باشد.تمایلات ظاهری نشان می دهد که خواص استثنایی آنهامی تواندبرای برنامه های پزشکی به خصوص برای دارورسانی ومهندسی بافت مورداستفاده قرارگیرد.دراین پروژه - ریسرچاطلاعات جامعی درمورد نانوذرات گرافن ارایه شده است.ماکه درزیرآن دسته ازخواص راکه می تواند برای مهندسی بافت ودارورسانی مورداستفاده گردد آورده شده است.
چگالی:سلول واحد شش وجهی گرافن دو اتم کربن دارد و سطح مقطعی برابر 0/052 نانومتر مربع دارد. بر اساس محاسبات چگالی آن 0/77 میلیگرم بر متر مربع است. تختخواب توری شکلی را تصور کنید که مساحت آن یک متر مربع است و 0/77 میلی گرم وزن دارد.
شفافیت نوری:گرافن تقریباً شفاف است. فقط 3/2درصد از شدت نور را مستقل از طول موج در دامنه اپتیکی جذب می کند.
مقاومت مکانیکی:مقاومت شکست گرافن 42 نیوتن بر متر مربع است. برای یک فیلم نازک فرضی از فولاد با ضخامت مشابه گرافن، (ضخامت لایه ای 3/35 آنگستروم از گرافیت) مقاومت شکست در حدود 0/42- 0/084 نیوتن بر متر مربع خواهد بود و نشانگر آن است که استحکام گرافن 100 برابر فولاد است.
رسانایی الکتریکی:مقاومت ورقه دو بعدی گرافن که مقاومت بر واحد سطح نیز گفته می شود، 31 اهم است. رسانایی الکتریکی گرافن در مقایسه با مس کمتر می باشد و هادی بهتری خواهد بود.
رسانایی گرمایی:رسانایی گرمایی گرافن تقریباً 5000 وات بر متر درجه کلوین اندازه گرفته شده است. رسانایی گرمایی مس در دمای اتاق 401 وات بر متر درجه کلوین است. یعنی گرافن 10 برابر بهتر از مس است. ] 31[
2-7-بررسی کاربردگرافن وگرافن اکسیدبه عنوان نانوحامل هایی برای رسانش دارو
درهمان سال لیو ودوتن ازهمکارانش تحقیق خودراروی گرافن وگرافن اکسید به عنوان نانوحامل های جدید متمرکزساختند وگزارش خودرابیان نمودندکه خلاصه آن به شرح زیرمی باشد:
برنامه های دارویی برمبنای موادپایه ی گرافن شامل دارورسانی به سرعت دراین چندسال اخیررشدکرده اند.گرافن وگرافن اکسید برای برنامه های دارویی به عنوان یکی از عناصرامیدبخش دراین شاخه موردبررسی قرارگرفته اندکه این به دلیل خواص خاص آن ازجمله ساختارمسطح دوبعدی،مساحت سطحی گسترده،پایداری شیمیایی ودارویی،رسانش بسیار عالی وساختار زیست سازگارپذیرمی باشد.دراین تحقیق به خواص امیدبخش آنها برای طراحی سیستم های پیشرفته دارورسانی ورسانش طیف وسیعی از داروها می پردازد.به طورخلاصه روش های معمول برای اصلاح سطح نانوذرات برپایه گرافن وزیست سازگاری وسمیت آنها بادنبال کردن خلاصه ای ازنمونه های اجراشده واثبات شده برای رسانش ژنها وداروهای ضدسرطان موردبررسی قرارگرفته است.مواردی از جمله زیست سازگار انها با بدن و سمیت مواد نانو مواد حامل دارو مبتنی بر گرافن تا حدی نگران کننده بود.تعامل گرافن در مکانیسم جذب سلولی که با عامل دار کردن نانو حامل گرافن. تا حد زیادی نگرانی ها بهبود پیدا کرد .و با مطالعات سمیت انها با استفاده از مدل در داخل بدن حیوانات در تحقیقات بالینی نتایج امیدوار کننده ای در مورد پیشرفت آنها درنانو پزشکی حاصل شده است.به علاوه نگرش جدید رسانش دارمبنی بررسانش کنترل شده شامل هدفمندوتحریک شونده باpH،آزمایش های شیمیایی،گرمایی-نور-میدان مغناطیسی نیز نتایج امیدوارکننده رانمایان نموده اند. گرافن، ساختاری دوبعدی از یک لایه‌ی منفرد شبکه‌ای لانه زنبوری کربنی می‌باشد. این کشف ،نقطه‌ی عطفى در فناورى نانو از آغاز تاکنون بود که مفهوم اجزاى تک‌اتمى را به واقعیت نزدیک‌تر کرد.]32[
2-8-رسانش دارو به وسیله ی سطح تیتانیوم با استفاده از نانوساختارهای زیست تخریب پذیر
درسال 2012جان سیک سون وهمکارانش درکره درپژوهشی یک مدل ساده وبسیارموثربرای رسانش دارو به وسیله ی سطح تیتانیوم با استفاده از نانوساختارهای زیست تخریب پذیرتوسعه دادند..واسط قالب گیری جذب شونده اعمال شده به سطح تیتانیوم توسط قطعات قابل بازجذب هیدروکسی آپاتایت که به صورت یک امپلنت فلزی کاشته شده به همراه یک ساختاررسانش دارو جداسازی شده درآن قالبگیری می شود.نانوذرات آلبومین سرم خونی انسان که باونکومایسین لودشده است به عنوان یک مدل داروکه به وسیله روش حل کردن ساخته شده است.نانوذرات وانکومایسین لودشده با آلبومین سرم خونی انسان باپلی اتیلن ایمین باشارژ مثبت پیش پوشش می شود وبرروی سطح دیسک تیتانیوم باردارمنفی بابرهمکنش الکتریکی تثبیت می گردد.نتایج نشان می دهد که نانوذرات آلبومین سرم خونی انسان پیش پوشیده شده باپلی اتیلن ایمین ولودشده با نانوذرات وانکومایسین باموفقیت تشکیل شده است وبه خوبی برروی سطح تیتانیوم پراکنده می شوندزبری سطح تیتانیوم باتثبیت نانوذرات آلبومین سرم خونی انسان تغییرپیدانمیکند واجازه جایگیری سیستم رسانش داروبرروی سطح دیسک رامی دهد.به علاوه نتایج مطالعات قبلی نشان می دهندکه داروهای ارتقادهنده پاسخ بافت ها می توانند به طورموثری توسط نانوذرات آلبومین سرم خونی انسان برروی سطح دیسک تیتانیوم تثبیت شوند].33[
2-9-توسعه فرمولاسیون نانوذره لیپوزومی برای 5-فلورویوراسیل،بررسی طراحی فرمولاسیون،فارماکوکینتیک واثربخشی
درسال 2010توماس وهمکارانش فرمولاسیون جدیدی برمنای حمل دارو بانانوساختارلیپوزومی برای داروی 5-فلورویوراسیل به سرانجام رساندندکه پژوهش آنهادرچندبنددرادامه توضیح داده شده است.
5-فلورو یوراسیل یک داروی کوچک وبسیار نفوز پذیر از غشای سلولی میباشد که به مقدار بسیار کم در داخل مایعات نانو ذرات لیپوزوم نگه داشته میشود به منظور نشان دادن راهی نوین برای این مشکل یک روش نوین براساس فرمولاسیون کمپلکس سه گانه شامل مس و پلی اتیلن ایمین کم وزن و5-فلورویوراسیل گسترش یافت.به طورخاص درحضورمس به دام انداخته شده و پلی اتیلن ایمین و5-فلورویوراسیل که به صورت خارجی اضافه می شودمی تواند به نحومؤثری درداخل لیپوزوم های DSP/Chol کپسوله شود)بالای 95%).
مطالعات رهایش دارو بااستفاده از فرمول مایعات نانو ذرات لیپوزوم این 5-فلورویوراسیل نشان دهنده بهبود نگه داری دارو دربافت زنده و بافت بیرون ازبدن بود.غلظت خونی برای 5-فلورویوراسیل در فرمولاسیون مایعات نانو ذرات لیپوزوم-5-فلورویوراسیل در مقایسه با 5-فلورویوراسیل آزاد درموشهای موردآزمایش 7به 23 بود.اثردرمانی فرمولاسیون مایعات نانو ذرات لیپوزوم-5-فلورویوراسیل برای یک مدل سرطان زیرجلدی -29- HTبادستورالعمل داده شده QDX5بسیاربیشترازاثردرمانی 5-فلورویوراسیل بادوز مساوی بود.درزمان اولیه یک روش بارگذاری فعال برای 5-فلورویوراسیل استفاده از استراتژی مدل کمپلکس سه گانه به منظور کپسوله کردن عامل درمانیود. ممکن است بیش از یک روش برای آماده کردن فرمول مایعات نانو ذرات لیپوزوم باشد. ]34[
2-10- استفاده از گرانرولهای کلسیم فسفات برای سیستم رهایش 5-فلورویوراسیل
درسال 2009سانتوس وهمکارانش درتحقیق خود امکان استفاده ازگرانول های آپاتیت به عنوان یک مدل سیستم رهایش کنترل شده برای داروی 5-فلورویوراسیل را موردآزمایش قراردادند. گرانولهای آپاتیت با اسپری کردن و خشک کردن سوسپانسیون نانو ذرات هیدروکسی آپاتایت پیش تر از محلول سیترات تهیه شده اند. گرانولهای آپاتیت سطح بسیار مشبک دارد وسطح ویژه آن بسیار زیاد است که خبر از سطح بسیار متخلخل آن میدهد(150مترمربع برگرم ) گرانولهای آپاتیت به صورت بلورهای خالص وجود دارد اما به صورت گرانولهای دو فازی در می آید (HSDG).با کریستالهای 3 کلسیم فسفات و گرما دادن تا 800 درجه سیلسیوس در حالی که مساحت سطح آنها به m2/g6 کاهش میابد.SDG و HSDG به مدت چندین روز در محلول5-فلورویوراسیل ودر =pH 5.2در دمای اتاق خیسانده شدند ودر محلول بافر شده با فسفاتبا =pH 4.7و دمای دمای 37درجه سانتی گرادانتقال داده شدند تا 5-فلورویوراسیل را آزاد کنند.مقایسه بین مقادیر جذب شده و رها شده توسطSDG.HSDGنشان میدهد که مهندسی مشخصات گرانولها من جمله سطح ویژه، سطح تشکیل ترکیب شیمیایی ،تخلخل وتشکیل فاز کریستال به فلورویوراسیل اجازه میدهد که کنترل شده رهایش یابد. ]35[
فصل سوم
روش های پژوهش
3-1-شیمی محاسباتی
همانگونکه درفصل اول اشاره شدروشهای محاسباتی به دو دسته کلی تقسیم میشوند که عبارتند از:
الف)روشهای محاسباتی بر اساس مکانیک مولکولی
ب)روشهای محاسباتی بر اساس مکانیک کوانتومی

user6-712

افزایش ترشح انسولین.
همه این تغییرات، «نتیجه مقاومت به انسولین» ناشی از هورمون رشد است که اثرات انسولین در تحریک برداشت و مصرف گلوکز در عضله اسکلتی و بافت چربی و مهار گلوکونئوژنز در کبد را تضعیف می‌کند. مکانیسم مقاومت به انسولین و کاهش مصرف گلوکز توسط سلول‌ها، بر اثر هورمون رشد هنوز معلوم نیست. به هر حال، هورمون رشد با افزایش غلظت اسیدهای چرب در خون ممکن است سبب اختلال در اثر انسولین بر مصرف گلوکز در بافت‌ها شود (سپهری، 1385).
2-6 ژن هورمون رشداین ژن به طور مستقیم و غیر مستقیم نقش مهمی در فرایندهای رشد سلول‌های بدنی، رشد اسکلت و تقسیم سلولی و سنتز پروتئین بعد از تولد را دارا می‌باشد، علاوه بر آن هورمون رشد میزان اکسیداسیون چربی و نقل و انتقال گلوکز به بافت پیرامونی و تنظیم فعالیت ترجمه ریبوزومی که در سنتز پروتئین مرتبط است دخالت دارد (دی سانتیس و جری، 2007). مطالعاتی که روی حیوانات انجام شد دلالت بر این دارد که ژن هورمون رشد می‌تواند یک ژن کاندید باشد که برای صفات تولیدی همانند رشد (تامباسو و همکاران،2003) مقاومت در برابر بیماری و تولید تخم (دان کانمینگ، 1997) میزان چربی (کنور و همکاران،2003) اثر به سزایی داشته باشد. پروتئین اصلی این هورمون از تحول تدریجی در طی زمان و تکامل محفوظ مانده است و اطلاعات بسیار ارزشمندی را در زمینه تغییرات پروتئینی و عملکرد هورمون رشد به ما می‌دهد (دین و همکاران، 2008).
بر اساس مطالعاتی که روی ژن هورمون رشد در ماهیان صورت گرفته مشخص شد که ژن هورمون رشد در ماهیان به صورت محافظت شده نمی‌باشد. به عنوان مثال ژن هورمون رشد کپور ماهیان همانند پستانداران دارای 4 اینترون و 5 اگزون می‌باشد (هو،1991) ولی در اکثر ماهیان دیگر دارای یک اگزون اضافی (6 اگزون و 5 اینترون) می‌باشد (آگلون و همکاران، 1988 و بر و دانیال، 1993) اندازه اگزون‌ها در همه ماهیان تقریبا برابر است به جزء اگزون 5 که در طول تکامل به دو قسمت تبدیل شده است (آلمولی و همکاران،2000). فرض بر این است که اضافه شدن اینترون 5 به اگزون 5 و تبدیل اگزون 5 به دو قسمت منجر به واگرایی بین کپور ماهی شکلان و دیگر ماهیان استخوانی شده باشد.
با بررسی تکامل اینترون 5، ماهیان را به سه گروه متفاوت تقسیم بندی کرده‌اند. گروه اول ماهیانی که فاقد اینترون 5 می‌باشند و ساختار این ژن مانند پستانداران و پرندگان می‌باشد مانند کپورماهیان و گربه ماهیان. گروه دوم ماهیانی که اینترون 5 آن‌ها به طول 100-70 جفت باز است مانند تیلاپیا، کفشک ماهی و جراح ماهی دم زرد و گروه سوم که طول اینترون 5 در ژن هورمون رشد 200 تا 600 جفت باز می‌باشد که در برگیرنده خانواده آزادماهیان می‌باشد (یانگ و همکاران، 1997). محققین بر این باورند که دو نسخه‌ای شدن کل ژنوم ماهیان در طول دوره تکامل ماهیان استخوانی اتفاق افتاده است (کریستوفل و همکاران، 2004). اما فقط در آزاد ماهیان و کپور معمولی و تیلاپیا ژن هورمون رشد به صورت دو نسخه‌ای تا به حال گزارش شده است (آگلون و همکاران، 1988). که ماهی سفید و کپور معمولی دارای دو ژن هورمون رشد GH-1 و GH-2 می‌باشد.
2-7 نشانگرهای ژنتیکیهر آنچه که در میان افراد، لاین‌ها، جمعیت‌ها، گونه‌ها، نژادها و یا سویه‌های مختلف به لحاظ ژنتیکی تفاوت داشته و سبب تمایز آن‌ها از یکدیگر گردد به عنوان نشانگر ژنتیکی شناخته می‌شود (بنابازی، 1381). چند شکلی بودن و توارث پذیری از جمله شرایط لازم برای یک نشانگر ژنتیکی می‌باشند.
از مهم‌ترین ویژگی‌های یک نشانگر برتر می‌توان به این موارد اشاره نمود (نقوی، 1388) :
تشخیص آسان همه فنوتیپ‌های ممکن (افراد هتروزیگوت و افراد هموزیگوت).
نداشتن تاثیر روی آلل های موجود در سایر جایگاه‌های ژنی نشانگر (نداشتن اپیستازی).
تظاهر در مراحل اولیه نمو.
حداقل بودن یا عدم اثر متقابل با نشانگرهای دیگری که می‌توانند به طور هم زمان در یک جمعیت در حال تفرق مورد استفاده قرار گیرند.
پیوستگی بسیار نزدیک با ژن‌های مورد نظر.
توارث پذیری کامل.
آسان بودن اندازه گیری.
2-7-1 نشانگرهای ریخت شناسیبه علائمی گفته می‌شوند که به طور مستقیم در فنوتیپ فرد قابل تشخیص بوده و توارث پذیرند، مانند تعداد فلس‌ها روی خط جانبی، اتولیت ها و شکل زوائد پیلوریک و از این دست پارامترها که به راحتی قابل ردیابی هستند. این نشانگرها غالبا تحت تاثیر محیط قرار داشته و متاثر از سن هستند. اگرچه نشانگرهای ریخت شناسی در علوم زیستی مورد استفاده قرار گرفته‌اند، ولی دارای محدودیت‌های اساسی هستند و به همین دلیل توجه محققین به انواع دیگری از نشانگرها جلب شده است (مردانی، 1372).
2-7-2 نشانگرهای فیزیولوژیکیمطالعات مربوط به تولید شیر نشان می‌دهند که افزایش تولید شیر با افزایش سطح برخی از هورمون‌ها در پلاسما همراه است. پس میزان این هورمون‌ها می‌تواند به عنوان یک نشانگر فیزیولوژیک محسوب شود. اشکال نشانگرهای فیزیولوژیک این است که این نشانگرها (از جمله سطح هورمون‌ها در پلاسمای خون) علاوه بر ژن‌ها به شدت تحت تاثیر محیط داخلی، سن و جنس حیوان هستند (مردانی، 1372).
2-7-3 نشانگرهای سیتوژنتیکیدر بسیاری از موجودات زنده تفاوت‌های گسترده کروموزمی مشاهده می‌شوند که می‌توانند به عنوان نشانگر به کار روند. تلوسنتریک ها، ایزوکروموزوم ها، جابجائی ها و الگوهای نواربندی از جمله این نشانگرها می‌باشند (مردانی، 1372).
2-7-4 نشانگرهای پروتئینی برآورد شده است که 20 تا 50 درصد ژن‌های یک موجود حاوی اطلاعات کدکننده پروتئین‌ها می‌باشند. تنوع و گوناگونی یک پروتئین معین حاصل جابجایی و یا جایگزینی اسیدهای آمینه زنجیره پلی پپتیدی است. این تفاوت‌ها بار الکتریکی و در نتیجه حرکت پروتئین بر حسب نوع و تعداد اسیدهای آمینه جابه جا شده را تغییر می‌دهند. وجود پروتئین‌های چند شکل یا تغییر در اسید آمینه یک پروتئین نشان دهنده جابجایی و یا جایگزینی نوکلئوتیدها در زنجیره DNA بر اثر جهش می‌باشد. این تغییر در اسیدهای آمینه پروتئین و نوکلئوتیدهای یک ژن، نقش اساسی فرآورده ژن را تغییر نمی‌دهد بلکه محصولی را به وجود می‌آورد که با محصول ژن جهش نیافته متفاوت نبوده و این تغییر نشان دهنده جهش در زنجیره DNA است. از معایب نشانگرهای پروتئینی این است که تعداد نشانگرهای پروتئینی محدود است. چند شکلی در این نشانگرها چندان زیاد نیست. فنوتیپ‌های الکتروفورزی در آن‌ها پیچیده است (بنابازی، 1381). تحت تاثیر تغییرات پس از ترجمه هستند و تظاهر کمی، برخی از آنزیم‌ها و پروتئین‌ها تحت تاثیر مرحله رشد قرار می‌گیرد (نقوی، 1388).
2-7-5 نشانگرهای DNA یا نشانگرهای مولکولیبا مقایسه ردیف بازهای مولکول DNA در کروموزوم‌های دو فرد هم گونه در می‌یابیم که اکثر جفت بازها یکسان می‌باشند. مناطق معینی که تفاوت‌های ردیفی در آنها به وقوع می‌پیوندند را تحت عنوان نشانگرهای DNA یا نشانگرهای مولکولی می‌شناسیم. به عبارت دیگر این نوع تغییرات انعکاس دهنده مستقیم تنوع در ساختار ژنتیکی (ساختمان DNA) هستند. وقتی تغییرات DNA در درون ژن‌ها رخ می‌دهند، توانایی تاثیر روی عمل ژن‌ها و در نتیجه فنوتیپ فرد را دارا می‌باشند ولی اکثر نشانگرهای مولکولی با یک فنوتیپ قابل مشاهده همراه نیستند و بایستی این تغییرات را از طریق آنالیز مستقیم DNA مطالعه نمود (امتیازی و کریمی، 1384).
نشانگرهای مولکولی به دو دسته تقسیم می‌شوند:نشانگرهای مولکولی مبتنی بر PCR.نشانگرهای مولکولی غیرمبتنی بر PCR.
2-8 نشانگرهای DNA مبتنی بر واکنش زنجیره‌ای پلیمرازواکنش زنجیره‌ای پلیمراز که معمولا به طور اختصار PCR خوانده می‌شود روشی بسیار قوی است که تکثیر ردیف منتخبی از مولکول یک ژنوم را تا چندین میلیون برابر در کمتر از نیم روز امکان پذیر می‌کند. اما این فرایند هنگامی امکان پذیر است که دست کم ردیف کوتاهی از دو انتهای قطعه دی. ان. ای مورد نظر معلوم باشد (نقوی، 1388). در این فرایند که تقلیدی از فرایند همانند سازی دی. ان. ای در طبیعت است، الیگونوکلئوتیدهای مصنوعی که مکمل ردیف شناخته شده دو انتهای قطعه مورد نظر DNA هستند، به عنوان آغازگر مورد استفاده قرار می‌گیرند تا واکنش آنزیمی همانند سازی دی. ان. ای در درون لوله آزمایش امکان پذیر شود. این همانندسازی فرایندی آنزیمی است و توسط انواع مختلفی از آنزیم‌های پلیمراز صورت می‌گیرد. امروزه تعداد زیادی از این نوع آنزیم‌ها به صورت تجاری در دسترساند (نقوی، 1388).
این واکنش از آن روی ارزشمند است که عمل آن بسیار اختصاصی است و به سادگی ماشینی شده و قادر است عمل تکثیر را از مقادیر فوق العاده کم DNA الگو آغاز کند. به کمک این روش می‌توان نزدیک به 5 کیلو باز از ژنوم را بدون هیچ مشکلی تکثیر نمود. از روش PCR بیشتر در نقشه یابی DNA، انتخاب به کمک شناساگرها و همچنین در فیلوژنیک مولکولی استفاده می‌شود. همچنین از PCR می‌توان برای تکثیر DNA‌های به وجود آمده از RNA ها نیز استفاده نمود. نشانگرهای DNA تفاوت قابل ملاحظه‌ای با نشانگرهای پروتئینی و مورفولوژیک داشته و دارای مزایای به شرح زیر می‌باشد:
دقت و سهولت تعقیب آن‌ها.
امکان به کارگیری آن‌ها در مراحل اولیه زندگی.
فراوانی فوق العاده این نشانگرها.
امکان استفاده برنامه‌های کامپیوتری برای تجزیه و تحلیل نتایج.
عدم تاثیرپذیری از شرایط داخلی و خارجی موجود (نقوی، 1388).
2-9 واکنش رنجیره ای پلیمراز (PCR)بی تردید ابداع و معرفی واکنش زنجیره‌ای پلیمراز بیشترین نقش را در توسعه و تکامل نشانگرهای DNA داشته است. این تکنیک در سال 1985 به وسیله کری مولیس و همکارانش ابداع شد و اکنون کاربردهای نامحدودی در تمامی حوزه‌ها یافته است (امتیازی و کریمی، 1384). این تکنیک ساده امکان ایجاد رونوشت‌هایی نامحدود از قطعات خاصی از DNA را فراهم می‌نماید. DNA ی الگو که PCR روی آن انجام می‌گیرد، می‌تواند DNA ی ژنومی (که از گلبول‌های سفید خون یا نمونه‌ای از طحال یا هر بافت دیگری استخراج گردیده است) و یا قطعه‌ای از DNA (از هر منبعی) باشد. PCR تقریبا یک میلیون رونوشت از قطعه‌ای کوچک از DNA ی الگو ایجاد می‌نماید که این مقدار برای استفاده در هر نوع مطالعه ژنتیکی (ردیف یابی، انتقال ژن، هضم آنزیمی و غیره) کافی است. قبل از انجام PCR لازم است ردیف قطعه‌ای که باید تکثیر شود و یا حداقل ردیف هر دو انتهای آن شناسایی گردد. با استفاده از این ردیف‌ها دو قطعه چند نوکلئوتیدی که هر یک حدود 20 باز طول دارند، طراحی و ساخته می‌شود که یکی از آن‌ها مکمل پایانه '3 یکی از رشته‌های قطعه‌ای است که تکثیر خواهد شد و دیگری نیز مکمل پایانه '3 رشته دیگر می‌باشد. وجود این دو قطعه چند نوکلئوتیدی برای شروع سنتز رشته‌های جدید DNA لازم است و آن‌ها را آغازگر می‌نامند. DNA الگو، آغازگرها، مقداری دئوکسی نوکلئوتیدها شامل گوانین (G)، سیتوزین (C)، تیمین (T) و آدنین (A) در داخل تیوپ کوچکی ریخته می‌شود برای اینکه DNA الگو واسرشته شود، مخلوط واکنش را در دمای 95  درجه سانتی گراد قرار می‌دهند. آنزیم DNA پلیمراز می‌تواند دمای بالا را تحمل کند. شکل رایج این آنزیم، Taq پلیمراز است که از باکتری گرمادوست به دست می‌آید. پس از مرحله واسرشته سازی، دما به حدود 60-50 درجه سانتی گراد کاهش پیدا می‌کند تا آغازگرها به ردیف‌های مکمل مربوطه متصل شوند. این مرحله را جفت شدن می‌گویند. به محض اتصال آغازگرها، دما به حدود 70 درجه سانتی گراد افزایش می‌یابد. این دما برای فعالیت آنزیم DNA پلیمراز مناسب است. این مرحله بسط نامیده می‌شود. آنزیم از انتهای '3 هر آغازگر ساخت و بسط رشته جدید را آغاز می‌نماید. پس از طی زمان کافی برای ساخت رشته‌های جدید، مجددا دما به 95 درجه سانتی گراد افزایش می‌یابد و به‌این‌ترتیب چرخه‌ای جدید از واکنش آغاز می‌گردد و سه مرحله قبلی این بار روی DNA دو رشته‌ای جدید صورت می‌گیرد و این رشته‌ها خود به عنوان الگو برای چرخه‌های بعدی عمل خواهند کرد (امتیازی و کریمی، 1384). طول هر چرخه تکثیر حدود 5 دقیقه است (15 ثانیه برای واسرشته سازی، 30 ثانیه برای جفت شدن و 90 ثانیه برای بسط به علاوه حداقل زمان مورد نیاز برای تغییر دماها در بین مراحل که حدود 30 تا 60 ثانیه برای هر تغییر لازم است) (امتیازی و کریمی، 1384).
چرخه‌های تکثیر معمولا در ماشین‌های PCR که از نظر طول و دمای هر مرحله در هر چرخه دقیقا قابل برنامه ریزی و کنترل هستند، انجام می‌گردد. تعداد چرخه‌ها 30 تا 35 بار می‌باشد. نتیجه این تعداد چرخه بین 230 تا 235 رونوشت از قطعه مورد نظر است که معادل حدود یک میلیون قطعه مشابه می‌باشد (این مقدار فراورده PCR نامیده می‌شود). در عمل، این تکثیر نمایی کامل نیست ولی احتمال رسیدن به حداقل یک میلیون بار تکثیر و در نتیجه به دست آوردن یک میکروگرم فراورده PCR بسیار زیاد است (امتیازی و کریمی، 1384).
2-9-1 بافر RCRاین بافر معمولا شامل Tris با 8/8-3/8 pH = و یک نمک مثل کلرید پتاسیم (KCl) یا سولفات آمونیوم می‌باشد. این بافر می‌تواند حاوی افزودنی‌هایی مانند Tween 20، Triton X-100، DMSO (دی متیل سولفوکساید) و ژلاتین باشد که کارایی RCP را افزایش می‌دهند (فرسون و همکاران، 2000 ). این بافر معمولا به صورت 10x تهیه و همراه با آنزیم نک پلیمراز ارائه می‌گردد. غلظت مناسب آن در واکنش معمولا 1X می‌باشد. KCl به اتصال آغازگر به DNA الگو کمک می‌کند اگرچه در غلظت‌های بالا این عمل ممکن است بیش از حد مطلوب گردد و باعث پایداری اتصال غیر اختصاصی آغازگر به DNA الگو و ایجاد محصولات ناخواسته شود (فرسون و همکاران، 2000 ).
2-9-2 کلرید منیزیم (Mgcl2)از اجزا به سیر مهم PCR است و غلظت بهینه آن در کارایی واکنش نقش مهمی دارد. با افزایش غلظت یون منیزیم (Mg+2) قدرت اتصال آغازگرها افزایش می‌یابد و به دمای اتصال بالاتری نیاز است و احتمال تشکیل پرایمر-دایمر اقزایش می‌یابد و این امر موجب اتصال آغازگرها به صورت دوتایی با یکدیگر یا به صورت حلقوی با خودشان شده و در اثر تکثیر غیر اختصاصی آن‌ها، تجمعی از قطعات کوچک به وجود می‌آید. مقداری از آغازگرها نیز بدین ترتیب از واکنش خارج می‌شوند. افزایش غلظت یون منیزیم موجب افزایش دمای مرحله واسرشته سازی و افزایش فعالیت پلیمرازی آنزیم تک پلیمراز (این آنزیم برای فعالیت پلیمرازی خود به یون آزاد Mg+ نیاز دارد) می‌شود. همچنین یون منیزیم با نوکلئوتیدها ترکیب می‌شود و کمپلکس محلولی را به وجود می‌آورد که برای ورود و جایگزین شدن آن‌ها در زنجیره DNA بسیار لازم است. در صورتی که در غلظت‌های بسیار پایین بازده واکنش کم خواهد شد. غلظت منیزیوم آزاد تحت تاثیر غلظت dNTP ها، پیروفسفات آزاد (PPi) و EDTA می‌باشد (فرسون و همکاران، 2000 ).
2-9-3 دی اکسی نوکلئوتیدها (dNTPs)نوکلئوتیدها واحدهای سازنده DNA هستند و از مواد مهم مورد نیاز واکنش PCR می‌باشند. آنزیم‌های DNA پلیمراز ساخت زنجیره پلی نوکلئوتیدی را از این مونومرها یا واحدها کاتالیز می‌کنند. در واکنش PCR نیز همانند سنتز طبیعی DNA از چهار نوع نوکلئوتید به فرم دی اکسی (dTTP، dGTP، dCTP، dATP) استفاده می‌شود. این نوکلئوتیدها معمولا به طور جداگانه یا مخلوط به صورت تجاری در دسترس هستند. باید از غلظت برابر نوکلئوتیدها استفاده شود در غیر این صورت اشتباه جایگزینی رخ می‌دهد و ممکن است باعث تفاوت توالی فرآورده PCR با توالی الگو شود. کیفیت و مقدار dNTP مورد استفاده در کارایی و اختصاصی بودن PCR موثر است. چنانچه مقدار dNTP بیشتر از نیاز واکنش باشد امکان تشکیل نقاط آغازین اشتباه و تشکیل قطعات غیر اختصاصی وجود دارد (فرسون و همکاران، 2000 ).
2-9-4 آنزیم تک پلیمرازاین آنزیم به شکل طبیعی یا نوترکیب تولید می‌شود و از سایر انواع DNA پلیمرازها معروف‌تر است و بیشتر از آن‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. این آنزیم با شناسایی انتهای آزاد هیدروکسیل '3 آغازگر، نوکلئوتیدها را به ترتیب ارائه شده از روی زنجیره مکمل به آن متصل می‌کنند و یک رشته DNA مکمل رشته الگو می‌سازد. سرعت اتصال نوکلئوتیدها و حرکت آنزیم پلیمراز در انواع مختلف این آنزیم متفاوت بوده و بین 5 الی 80 نوکلئوتید در ثانیه می‌باشد. اگر غلظت آنزیم زیاد باشد قطعات غیراختصاصی در فراورده PCR دیده خواهد شد که گاهی به صورت کشیدگی مشاهده می‌شود و در صورتی که مقدار آنزیم کمتر از حد مورد نیاز واکنش باشد، فرآورده مورد نظر به اندازه کافی تولید نمی‌شود و به ویژه در موارد تشخیصی نتایج منفی کاذب را به وجود می‌آورد (فرسون و همکاران، 2000 ).
2-9-5 آغازگرهادر طی واکنش PCR، آغازگرها به دو طرف توالی هدف اتصال یافته و امکان آغاز فعالیت پلیمرازی آنزیم DNA پلیمراز را فراهم می‌آورند. مهم‌ترین ویژگی آغازگر، توالی صحیح آن برای مکان مورد تکثیر می‌باشد. با در اختیار داشتن توالی هدف امکان تعیین توالی آغازگرها به وجود می‌آید. طول آغازگر نیز مهم است و طول مناسب از اتصال آغازگر به مناطق غیر هدف می‌کاهد. طویل بودن پرایمر (پرایمرهای با بیش از 30 جفت باز) امکان اتصال آن‌ها به خود و به یکدیگر را تشدید می‌کند و زمان اتصال را نیز افزایش می‌دهد. در طراحی آغازگرها نکات متعددی مانند طول آغازگر، ترکیب نوکلئوتیدی (محتوای GC)، دمای ذوب (Tm) و غیره را باید در نظر داشت (فرسون و همکاران، 2000 ). برای طراحی آغازگرها نرم افزارهای متعددی وجود دارد که می‌توان به DNA MAN، DNASIS و Oligo tech اشاره نمود.
2-10 چند شکلی فضایی رشته‌های منفردSSCP) )این روش در سال 1989 ابداع شد. در الکتروفورز SSCP، ابتدا از یک ماده واسرشته ساز مانند اوره استفاده می‌شود تا DNA ی دو رشته به DNA ی تک رشته‌ای تبدیل شود. به هنگام راندن DNA ی تک رشته‌ای روی ژل اثرات متقابل درون مولکولی روی می‌دهد. به عبارت دیگر بین بخش‌هایی از این DNA پیوند ایجاد می‌شود و ساختمان ثانویه‌ای تشکیل می‌دهد. بنابراین حرکت مولکول‌های DNA در این حالت به جای اینکه تابع اندازه مولکول باشد به ساختمان ثانویه DNA ی تک رشته‌ای بستگی دارد. در طی الکتروفورز، این ساختمان‌ها که به توالی رشته مورد نظر بستگی دارد به وسیله برودت حفظ می‌شود. اگر در این توالی جهشی رخ داده باشد، نوع پیوندهایی که تشکیل می‌شوند متفاوت بوده و باند مربوطه روی ژل نیز متفاوت خواهد بود. در صورتی که چند شکلی در قسمت ابتدائی محصول PCR باشد، تشخیص آن از طریق SSCP آسان‌تر است. عواملی مثل دمای ژل (نباید بالا باشد)، درصد ژل اکریل آمید (5 تا 6 درصد مناسب است) و اندازه قطعه DNA مورد بررسی (معمولا بین 100 تا 250 جفت باز و ایده آل 155 جفت باز) در موفقیت SSCP نقش دارد (رضوانی، 1997).
2-11 مروری بر برخی پژوهش‌های انجام شده:طبق مطالعات انجام شده مشخص شد که ساختار ژن هورمون رشد در بین ماهیان استخوانی یکسان نیست. به طور مثال، در کپور ماهیان همانند پستانداران، این ژن دارای پنج اگزون و چهار اینترون است اما در دیگر ماهیان متفاوت بوده و دارای یک اگزون اضافی است (اهکوبو و همکاران، 1996). جهش‌های موجود در نواحی مختلف ژن‌ها همواره مورد توجه بسیاری از متخصصان علم اصلاح نژاد بوده است. ارتباط چند شکلی این ژن‌ها با خصوصات فنوتیپی برای مثال رشد به طور وسیعی در دیگر حیوانات مورد بررسی قرار گرفته و مطالعاتی محدود نیز در مورد ماهی انجام شده است (گروس و نیلسون، 1999).
طبق پژوهش‌های گروس و نیلسون (1999) تنوع ژن GH-1 در ماهی قزل آلای رنگین کمان مورد بررسی قرار گرفت. تعداد نمونه‌های مورد بررسی در این پژوهش 579 ماهی از 22 جمعیت مختلف بود که از شمال اروپا تهیه و به روش PCR-RFLP و با استفاده از 10 نوع آنزیم تنوع این ژن مورد مطالعه قرار گرفت که سه نوع هاپلوتیپ مختلف در جمعیت‌های مورد مطالعه مشاهده شد.
اندازه‌های چهار اگزون در طول دوره تکامل بدون تغییر باقی مانده‌اند به جز اگزون 5 که به دو قسمت تبدیل شده است به طوری که دو نوع ساختار ژن هورمون رشد را در ماهیان استخوانی به وجود آورده است. برای مثال، خانواده کپور ماهیان دارای پنج اگزون و گونه‌های دیگر همانند آزاد ماهیان و سوف ماهیان دارای شش اگزون می‌باشند (آلمولی و همکاران، 2000). در ضمن، در ماهیان دو نوع متفاوت از ژن هورمون رشد شامل GH-1 و GH-2 برای مثال در ماهیانی نظیر آزاد اطلس نیز گزارش شده است (تائو و بولدینگ، 2003).
این ژن به صورت موفقیت آمیزی در گونه سیم دریایی (کالدوچ گینر و همکاران، 2003) و ماهی تیلاپیا (کاجیمورا و همکاران، 2004) و چندین گونه دیگر کلون شده است. ولی در خصوص چندشکلی این ژن و ارتباط آن با میزان رشد در ماهیان گزارشی مشاهده نشده است. در حیوانات دیگر پژوهش‌های زیادی به عمل آمده است که ارتباط بسیار زیاد این ژن با میزان رشد فنوتیپی را نشان می‌دهد.
پریمر و رینانن (2004) در پژوهشی تنوع ژن GH-1 در ماهی قزل آلای رنگین کمان را به روش PCR-RFLP بررسی و SNP را شناسایی کردند. از تعداد 9 جمعیت مختلف شامل 2 جمعیت از شمال آمریکا و 7 جمعیت در اروپا نمونه برداری شده بود. چند شکلی مشاهده شده در مناطق بالا دست و پایین دست ژن هورمون رشد، اینترون 3 و اینترون 4 نشان دهنده اختلاف بین جمعیت‌های آمریکای شمالی و اروپا بود.
مو و همکاران (2004) در هفت جمعیت کپور وحشی، هفت نوع الگو (A، B، C، D، E، F و G) در ناحیه اینترون 2 ژن GH-1 به روش PCR-SSCP شناسایی کردند که طول آن‌ها به ترتیب 189، 196، 204، 205، 206، 207 و bp 209 بود.
کوخر و کهلمن (2011) چندشکلی‌های ژن هورمون رشد در لای ماهی از خانواده کپور ماهیان را بررسی کردند. پژوهش‌های آن‌ها نشان داد این ماهی مانند همه کپور ماهیان دارای چهار اینترون و پنج اگزون می‌باشد و با دو روش PCR-RFLP و تعیین توالی، اختلاف موجود در ساختار ژنتیکی ژن هورمون رشد در تعداد 17 نمونه از دو جمعیت مختلف مورد بررسی قرار دادند. از 14 چندشکلی مشاهده شده از 12 جایگاه در منطقه اینترون و 2 جایگاه در منطقه اگزون، در مجموع 13 هاپلوتیپ مختلف در جمعیت‌های مورد مطالعه مشاهده شد که کل جمعیت را به دو کلاس اروپای شرقی و اروپای غربی تقسیم نمود.
نی و همکاران (2012) در یک جمعیت از ماهی کراکر زرد، نتایج PCR-SSCP دو هاپلوتیپ از اینترون 1 را به نام ژنوتیپ های AA و AB نشان دادند. در AB، یک چند شکلی تک نوکلئوتیدی (SNP) در موقعیت 196 (G→A) مشاهده شد که با وزن بدن همبستگی منفی و با طول/ ارتفاع استاندارد بدن همبستگی مثبت داشت. در جمعیت دیگر، دو ژنوتیپ مختلف CC و CD در اینترون 2 شناسایی شدند که در CD یک SNP در موقعیت 692 (T→C) مشخص شد. ژنوتیپ CD همبستگی مثبت قابل توجهی با وزن کل و طول بدن داشت.
تیان و همکاران (2014) چندشکلی ژن GH و ارتباط آن با صفات رشد را در 282 نمونه ماهی سوف چینی مورد بررسی قرار دادند. با استفاده از توالی‌یابی، چهار SNP در ژن GH شناسایی شد که دو جهش در اینترون 4، یک جهش در اگزون 5 و یک جهش در اینترون 5 رخ داده بود که سه جهش از آن‌ها ارتباط مثبت معنی داری را با رشد نشان دادند.

فصل سوممواد و روش‌ها3-1 نمونه بردارینمونه برداری از 150 قطعه ماهی سفید از کارگاه شهید رجایی و 150 قطعه ماهی کپور معمولی از کارگاه پرورش ماهی نصر ساری انجام شد. ماهی سفید از دوره هچری به سالن تکثیر منتقل و تا 3 ماهگی نگهداری شدند. سپس از آن‌ها نمونه گیری شد و تمامی آن‌ها در سن 3 ماهگی بودند ولی در ماهی کپور 84 قطعه از آن‌ها در سن 4 ماهگی، 54 قطعه در سن 12 ماهگی، 5 قطعه ماهی در سن 24 ماهگی و 7 قطعه ماهی در سن 6 ماهگی بودند. نمونه گیری به میزان 3-2 گرم از بافت باله دمی ماهی سفید و کپور معمولی انجام شد. نمونه‌های باله دمی در الکل 96 درصد فیکس شده و سپس تا زمان استخراج DNA در دمای 20- درجه سانتیگراد قرار داده شدند. نمونه‌های جمع آوری شده به آزمایشگاه ژنتیک مولکولی و بیوتکنولوژی دام دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری منتقل شده و DNA ژنومی استخراج گردید.
3-2 بررسی فاکتور وضعیتیکی از شاخص‌های رشد فاکتور وضعیت است که ضریب چاقی نیز نامیده می‌شود. برای به دست آوردن آن طول کل که فاصله پوزه تا انتهای باله دمی است؛ بر حسب سانتی متر اندازه گیری شد. وزن ماهی نیز به وسیله ترازو دیجیتالی بر حسب گرم اندازه گیری شد. فاکتور وضعیت یا ضریب چاقی برابر است با:
CF= W/L3 *100
W: وزن و L: طول بدن می‌باشد.
3-3 استخراج DNA به روش نمکی بهینه یافتهاستخراج DNA به روش نمکی بهینه یافته (میلر و همکاران، 1988) انجام شد. قبل از شروع استخراج تمام بافرها تهیه و مواد و وسایل مورد نیاز برای استخراج آماده و جهت ضدعفونی اتوکلاو شد.
3-3-1 طرز تهیه بافرهای استخراج DNA برای تهیه بافر STE 7/0 گرم تریس، 2/0 گرم نمک 07/0 مولار را با cc50 آب مقطر حل کرده، سپس 100 میکرولیتر محلول EDTA 5/0 مولار به آن اضافه می‌شود. برای تهیه EDTA 5/0 مولار، 3/9 گرم پودر EDTA را با cc50 آب مقطر حل کرده و pH آن به 8 می‌رسد، برای تنظیم pH از دستگاه pH متر، برای کاهش pH از HCl و برای افزایش pH از NaoH استفاده می‌شود. برای تهیه SDS و استات آمونیوم 10% بایستی به نسبت 1 به 10 پودر آن با آب مقطر حل شود. برای تهیه استات سدیم 3 مولار، بایستی 3/12 گرم پودر آن با cc 50 آب حل شود.
سی میلی گرم از باله را جدا کرده و در محیط بیرون قرار داده تا الکل آن تبخیر شود، سپس آن را خرد نموده و در تیوپ‌های 5/1 میلی لیتری ریخته و به آن 500 میکرولیتر بافر STE برای انفجار سلولی، 50 میکرولیتر بافر SDS 10% برای هضم چربی‌های موجود در بافت و 6-5 میکرولیتر پروتئیناز K برای هضم پروتئین‌ها اضافه شد. سپس نمونه‌ها را به خوبی ورتکس کرده و به مدت یک ساعت روی دستگاه شیکر با سرعت 90 قرار داده تا این مواد به طور کامل با هم مخلوط گردد و در نهایت به مدت 16 ساعت در بن ماری با دمای 58 درجه سانتی گراد گذاشته تا بافرها بهتر عمل کرده و عمل لیز شدن و هضم آنزیمی به خوبی انجام شود. پس از بیرون آوردن آن‌ها از بن ماری 160 میکرولیتر استات آمونیوم 10% به نمونه‌ها اضافه نموده و به مدت یک ساعت روی شیکر با سرعت 90 قرار داده شد تا خوب مخلوط شود و بعد به مدت 10 دقیقه با دور 13000 سانتریفیوژ شد. پس از پایان سانتریفیوژ دو فاز درون تیوپ تشکیل می‌شود، فاز زیرین حاوی بافت خرد شده باله و چربی و پروتئین بافت است و فاز بالایی حاوی DNA می‌باشد. به آرامی فاز بالایی را جدا کرده و درون تیوپ‌های جدید ریخته شد. به مایع درون تیوپ‌های جدید 600 میکرولیتر الکل ایزوپروپانول یا الکل مطلق سرد و 30 میکرولیتر استات سدیم اضافه شده (در این حالت کلاف شفافی در تیوپ قابل مشاهده است که همان DNA می‌باشد). سپس نمونه‌ها به مدت 40-30 دقیقه در یخچال C°20- نگهداری شده، بعد به مدت چند دقیقه از یخچال بیرون آورده تا یخ آن آب شود. نمونه‌ها را به مدت 15 دقیقه با دور 13000 سانتریفیوژ کرده، سپس محلول را دور ریخته و تیوپ حاوی DNA را با 100 میکرولیتر الکل 70% شستشو داده و به مدت 2 دقیقه با دور 13000 سانتریفیوژ شد. مجددا محلول رویی را دور ریخته و تیوپ‌ها در دمای آزمایشگاه کاملا خشک شده و سپس 50 میکرولیتر آب مقطر یا بافر TE به تیوپ حاوی DNA اضافه نموده و در یخچال C°20- تا زمان ازمایش نگهداری شدند.
3-4 تعیین ویژگی‌های کمی و کیفی DNA استخراج شده:به منظور تعیین کیفیت و کمیت DNA استخراج شده دو روش استفاده می‌شود:
الف) ژل آگارز.
ب) دستگاه اسپکتروفتومتر.
در این پژوهش به منظور بررسی کیفیت و کمیت DNA استخراج شده از ژل آگارز استفاده شد.
3-4-1 ژل آگارز آگارز یک پلیمر خطی است و از زیر واحدهای L ,D گالاکتوز که با پیوندهای گلیکوزیدی 3→1α و 4→1β به یکدیگر پیوسته‌اند، درست شده است. برخی از آگارزها دارای اندکی ناخالصی آنیونی همچون سولفات و پیروات هستند. هر چه ناخالصی ژل کمتر باشد توان آن برای جداسازی DNA بیشتر می‌شود. اندازه روزنه‌ها در زمینه ژل به غلظت آگارز وابسته است. به گونه‌ای که در غلظت زیاد آگارز، روزنه‌ها کوچک می‌شوند. با توجه به غلظت‌های آگارز می‌توان تکه‌هایی از 5/0 تا 50 کیلو باز جدا سازی کرد. اندازه مولکول‌های DNA، غلظت آگارز، ساختار فضایی DNA، ولتاژ بکار رفته شده، نوع آگارز و توان یونی بافر الکتروفورزی که به کار گرفته می‌شود، از سازه‌های کارآمد برای جدا سازی DNA در ژل آگارز هستند (لی و همکاران، 2012).
شکل 3-1 دستگاه الکتروفورز افقی3-4-2 رنگ آمیزی ژل آگارز در این پژوهش رنگ آمیزی ژل آگارز با اتیدیوم بروماید انجام پذیرفت. اتیدیوم بروماید یک رنگ فلورسانت است که دارای یک گروه سه حلقه‌ای بوده که می‌تواند در بین بازهای DNA جای گیرد. روش کار به‌این گونه است که پرتو فرابنفش به وسیله اسید نوکلئیک گرفته شده و به اتیدیوم بروماید می‌رسد. این پرتو در طول موج 302 تا 366 نانومتر به وسیله اتیدیوم بروماید پیوسته به اسیدنوکلئیک دریافت شده و دوباره به وسیله اتیدیوم بروماید در طول موج 590 نانومتر بازتاب می‌یابد. این طول موج در گستره روشنایی سرخ نارنجی پرتویی آشکار می‌باشد که می‌توان آن را دید. برای انجام این کار مقدار 3 میکرو لیتر دیانای و 2 میکرولیتر بافر بارگذاری را روی کاغذ پارافیلم با هم مخلوط کرده و داخل چاهک ژل آگارز قرار داده شد. بعد از بار گذاری تانک الکتروفورز را به یک منبع الکتریکی وصل کرده و ولتاژ دستگاه را روی 85 ولت تنظیم شد. نمونه‌ها به مدت 60 تا 90 دقیقه درون ژل آگارز موجود در تانک در حرکت بودند. سپس ژل را از داخل تانک الکتروفورز برداشته و به مدت 5 دقیقه در محلول اتیدیوم بروماید قرار داده و جهت مشاهده باندها و تعیین کیفیت دیانای، از دستگاه ژل داک استفاده شد. اجزای تشکیل دهنده بافر بارگذاری در جدول 3-1 نشان داده شد (لی و همکاران، 2012).
جدول 3-1 اجزای تشکیل دهنده بافر بارگذاریمواد استفاده شده مقدار مواد (میکرولیتر)
گلیسرول
برموفنول آبی (10 درصد)
فرمامید
EDTA(5/0 مولار) 190
10
800
2
3-5 تعیین غلظت DNA استخراج شده با استفاده از اسپکتوفتومتربرای بررسی غلظت DNA استخراج شده از دستگاه اسپکتوفتومتر استفاده شد. برای این منظور ابتدا میزان رقت DNA مشخص شد (مثلاً 100 برابر یا بیشتر). دستگاه برای دو طول موج 260 و 280 نانومتر تنظیم و به تعداد نمونه لوله استریل در آماده شد. با توجه به حجم کووت دستگاه و میزان رقت در لوله‌ها از بافر TE یا آب مقطر استفاده و DNA مورد نیاز به لوله‌ها اضافه شد (با توجه به ضریب رقت). ابتدا دستگاه با بافر TE یا آب مقطر کالیبره شد. لوله حاوی DNA رقیق شده چند بار وارونه شد. کووت دستگاه که برای بررسی غلظت DNA از آن استفاده می‌شود با بافر TE یا آب مقطر شسته می‌شود. DNA رقیق شده موجود در لوله را در کووت دستگاه قرار داده و OD های 260 و 280 نانومتر به اضافه نسبت دو طول موج یاداشت شد (OD260 مربوط به جذب DNA و OD280 مربوط به جذب پروتئین می‌باشد). اگر این نسبت کمتر از 8/1 باشد نشان دهنده آلودگی با پروتئین و یا دیگر ناخالصی‌ها می‌باشد و اگر این نسبت بیشتر از 2 باشد نشان دهنده آلودگی DNA با RNA است. برای به‌دست آوردن غلظت DNA مورد نظر از فرمول زیر استفاده شد.
ضریب رقت
*عدد بدست آمده غلظت DNA استخراج شده بر حسب نانو گرم بر میکرو لیتر می‌باشد که بسته به مقدار نیاز در واکنش PCR از آن استفاده می‌شود.
3-6 واکنش زنجیره‌ای پلیمراز (PCR)3-6-1 پروتکل و مواد استفاده شده در PCR
مواد مورد نیاز برای انجام واکنش زنجیره‌ای پلی مراز برای نشانگر استفاده شده در این تحقیق در جدول 3-2 نشان داده شد:
جدول 3-2 مواد استفاده شده در واکنش زنجیره‌ای پلیمرازمواد غلظت مواد مقدار در حجم 20 میکرولیتر
دیانای الگو
آغازگر (*F)
آغازگر (**R)
مستر میکس***
آب مقطر 120 نانوگرم
20 پیکومول
20 پیکومول
-
- 5/1
1
1
10
5/6
*Forward **Backward ***Master Mix


3-6-2 مراحل PCRقبل از انجام پی سی آر، آغازگرها با توجه به دستور العمل شرکت سازنده آن‌ها با میزان آب مقطر مشخص شده بر حسب میکرولیتر رقیق شدند تا غلظت آن‌ها به 100 پیکومول برسد. سپس به مدت 24 ساعت در شرایط یخچال نگهداری شدند تا کاملا حل شوند. سپس تیوب‌های مورد استفاده بعد از استریل کردن، شماره خورده و به منظور جلوگیری از پاک شدن شماره‌ها برچسب نصب شدند. تمام اجزای واکنش (به غیر از DNA که در تیوپ‌های جداگانه ریخته شدند) با توجه به تعداد نمونه‌های استفاده شده برای پی سی آر به صورت مخلوط در تیوب جدا گانه ریخته شدند. لازم به ذکر است که در تهیه مخلوط اصلی واکنش، با توجه به تعداد نمونه‌های استفاده شده در پی سی آر یک ضریب خطا در نظر گرفته شد. بعد از تهیه مخلوط اصلی، مقدار 5/18 میکرولیتر از آن، به هر یک از تیوپ‌های حاوی 5/1 میکرو لیتر DNA افزوده شده تا حجم کل مخلوط واکنش در هر تیوب به 20 میکرو لیتر برسد. به منظور مخلوط شدن اجزای تشکیل دهنده واکنش، تیوب‌ها به مدت 15 ثانیه و با سرعت 3000 دور در دقیقه سانتریفوژ شدند. بعد از سانتریفوژ تیوپ‌ها برای انجام پی سی آر در دستگاه ترموسایکلر قرار داده شدند.

شکل 3-2 دستگاه ترموسایکلر3-6-3 تنظیم سیکل‌های حرارتی PCR
همانند سازی و تکثیر توالی مورد نظر در پی سی آر در طی سه مرحله انجام می‌پذیرد:3-6-3-1 واسرشته سازی قطعه الگو
پیوندهای هیدروژنی که در واقع اتصال دهنده دو رشته DNA هستند در دمای 95-93 درجه سانتی‌گراد تخریب می‌شوند بنابراین در این حرارت دو رشته DNA الگو از هم جدا می‌شوند. پس از تک رشته‌ای شدن DNA الگو، آغازگر و سایر مواد شرکت کننده در واکنش، فعالیت خود را آغاز می‌کنند.
3-6-3-2 اتصال آغازگرها: در این مرحله آغازگرها به رشته DNA الگو می‌چسبند. دمای اتصال با توجه به دمای ذوب آغازگرها تنظیم می‌شود که معمولا بین 50 تا 65 درجه سانتی گراد می‌باشد. آغازگرهای مورد استفاده در این پژوهش برای ژن هورمون رشد در بر گیرنده قسمتی از اگزون 4 و اینترون 4 و اگزون 5 به طور کامل هستند (گروس و همکاران،1996).
جدول 3-3 توالی آغازگر اختصاصی برای جایگاه GHمنبع نام جایگاه توالی نوع پرایمر
گروس و همکاران
،1996 GH 5'-GGAAGCTTAACCCCAACCAGCTCACTGAGAA-3' رفت
5'-CTACAGGGTGCAGTTGGAATCCAG-3' برگشت
3-6-3-3 بسط (طویل سازی) آغازگرها:
بهترین دما برای بسط آغازگرها دمای 72 درجه سانتی گراد می‌باشد. بسط آغازگرها با حضور آنزیم دیانای پلیمراز مقاوم به حرارت انجام می‌شود. در PCR تعداد چرخه‌ها بین 28 تا 40 چرخه انتخاب می‌شوند. دماها و زمان‌های استفاده شده و تعداد سیکل‌های پی سی آر برای هر نشانگر در جدول 3-4 آورده شده است.جدول 3-4 دماهای استفاده شده در سیکل‌های PCR (درجه سانتی‌گراد)نام نشانگر واسرشته (C˚)) اتصال آغازگر (C˚( بسط آغازین (C˚( بسط نهایی (C˚(
GH-2 سفید
GH-1 کپور 95
95 61
65.4 72
72 72

–335

کوتاه نوشت ها
CSGT: Continuous Set of Gauge Transformations
D3BIA: density,Degeneracy and Delocalization-Bases Index of Aromaticity
DFT : Density Functional Theory
DI: Delocalization Index
GTO : Gaussian-Type Orbital
HF : Hartree Fock


HOMA: Harmonic Oscillator Model of Aromaticity
HOMO : Highest Occupied Molecular OrbitalKS: Kohn-Sham
LUMO : Lowest unoccupied Molecular Orbital
MO : Molecule Orbital
MP : Moller-PlessetNICS : Nucleus-Independent Chemical Shift
NLO : Non Linear Optical Material
NMR : Nuclear Magnetic Resonance
PDI: Para Delocalization Index

فصل اول1-1ترکیب های حلقوی آروماتیکبنزن نمونه نخستینمولکولی است که دارای خواص فیزیکی قابل ملاحظه ای ناشی از عدم استقرار الکترونهای است. از نظر تاریخی شیمیدانان پژوهشهای زیادی روی دیگر مولکولهای مشابه بنزن نموده اند. بورازین (B3N3H6) ، بوروکسین (B3O3H3) و بورتین (B3S3H3) نمونه هایی از این ترکیبها هستند. این ترکیبها ساختاری مشابه بنزن دارند و توپولوژی اوربیتالهای مولکولی پای آنها مشابه است. این پرسش که آیا الکترونهای پای آنها همانند بنزن نامستقرند (رزونانس بین ساختارهای ککوله) چندان واضح نیست.
1-2آروماتیستیاز معرفی آروماتیستی به وسیله ی August Kekule در 1865 تاکنون به طور پیوسته قلمروهاینوینی در شیمی را تسخیر شده است. در ابتدا آروماتیسیتی برای ترکیبهای آلی زیر گسترش یافت:
هیدروکربنهای تک حلقوی مزدوج مسطح و یونهای آنها که دارای 4n+2 الکترون هستند.
هیدروکربنهای مزدوج چند حلقوی- هیدروکربنهای بنزوییدی ساخته شده ازحلقه های بنزنی جوش خورده.
هیدروکربنهای کربوکسیلیک مزدوج چند حلقوی بر پایه سیستمهای غیر بنزوییدی مانند آزولن و دیگر هیدروکربنهای مزدوج دارای حلقه های چهار، پنچ، هفت و هشت عضوی.
ترکیبهای دارای اتمهای فلزی نیز آروماتیک می توانند باشند. در 1979 Thorn و Hoffmann پیش بینی نمودند که برخی متالوسیکلهای فرضی باید خصلت پیوندی نامستقر و مقداری خصلت آروماتیک را نشان دهند. در سالیان بعد از آن حدود 25 متالوبنزن جداسازی و شناسایی شد.نخستین مثال از یک متالوبنزن پایدار و قابل جداسازی اسمابنزن بود که در سال 1982 گزارش شد. خانواده بزرگی از متالوبنزنها (ایریدابنزن) نیز بعدها تهیهشدند در حالی که یک سری از دی متالوبنزنها با دو اتم فلز در حلقه بنزن نیز گزارش شدند.
واژه "متالوآروماتیسیتی" در 1979 نخستین بار برای توصیف کمپلکسهای فلزی سیکلوبوتادی ان پیشنهاد شد. نخستین ترکیب آلی فلزی دارای یک حلقه آروماتیک تشکیل شده از اتمهای فلز در 1995 تهیه شد. Na2[(Mes2C6H3)Ga]3 که شامل حلقه آروماتیک سه گوش که دارای دو الکترون است. نخستین ترکیب آلی فلزی آروماتیک تشکیل شده از چهار اتم گالیم که دارای ساختار مربعی بود K2[Ga4(C6H3-2,6-Trip2)2] .
1-3معیارهای آروماتیک بودن:جدول (1-1) معیار های آروماتیک بودنخاصیت آروماتیسیتی
ماهیت الکترونی: 4n+2‌الکترون
انرژی:
مزدوج شدن حلقوی
نامستقر بودن
شکاف اوربیتالهای جبهه ای پایداری
افزایش خصلت
افزایش خصلت
شکل هندسی:
طول پیوندهای یکسان وجود خصلت
خواص مغناطیسی:
ناهمسانگردی تاثیرپذیری دیامغناطیس
برتری5مغناطیسی
جابه جایی شیمیایی 1H NMR
NICS افزایش یافته
بالا
دیاپروتیک
منفی بزرگ
واکنشپذیری:
ساختار شیمیایی
ابقا ساختار برای مثال بنزن
جانشینی الکترون دوستی
طیف سنجی:
UV
IR/Raman
فوتوالکترون انرژی بالا
تقارن بالا
انرژیهای اتصال زدایی الکترون بالا
جریان حلقه آروماتیک اثری است که در مولکولهای آروماتیک مانند بنزن، نفتالن مشاهده می شود. اگر یک میدان مغناطیسی عمود بر صفحه سیستم آروماتیک اعمال شود جریان حلقه ای در الکترونهای حلقه آروماتیک القا می شود. این نتیجه مستقیم قانون آمپر است زیرا الکترونهای شامل شده آزاد به گردش اند به جای آن که در پیوندها مستقر باشند مانند آن چه در مولکولهای غیر آروماتیک است ، لذا به میدان مغناطیسی به شدت پاسخ می دهند.
جریانهای حلقه آروماتیک با طیف سنجی NMR مرتبط اند. پس آنها جابه جاییهای شیمیایی هسته های 13C, 1H را در حلقه های آروماتیک و نیز دیگر مولکولهای آلی و معدنی تحت تاثیر قرار می دهند. این اثر امکان تشخیص محیطهای هسته ای را ممکن ساخته و در نتیجه در تعیین ساختار مولکولی کاربرد وسیعی دارد. در بنزن پروتونهای آروماتیک دچار واپوشیدگی می شوند چون میدان مغناطیسی القایی جهت یکسانی مانند با میدان خارجی دارد.
پس یک جریان حلقه دیامغناطیس یا دیاپروتیک با آروماتیستی همراه است و جریان حلقه ای پاراتروپیک نشانه پادآروماتیسیتی است. اثر مشابهی در فولرنهای سه بعدی مشاهده می شود و به آن جریان کره گویند.
کوششهای متعددی برای بیان کمی آروماتیسیتی انجام شده است:
1-4 بیان کمی آروماتیستی1-4-1 جابه جایی شیمیایی مستقل از هسته:پارامتر جابه جایی شیمیایی مستقل از هسته برای توصیف آروماتیسیتی از نقطه نظر مغناطیسی به کار برده می شود. این شاخص به وسیله P.v.R. Schleyer و همکارانش براساس پوششهای مغناطیسی ابداع گردید و با روشهای ساده محاسبه گردید. هم اینک محاسبه ها با روشهای آغازین پیشرفته انجام می شوند(25). این شاخص با محاسبه منفی پوشش مغناطیسی مطلق اتم روحدر مرکز حلقه(26)یا نقطه های مورد نظر دیگر(27) به کاربرده می شود.مقدار NICS نشان داده شده به صورت NICS(1.0) به مفهوم محاسبه آن در فاصله Å1 بالای حلقه است و انتظار می رودجزییات ساختار الکترونی را مشخص کند. زیرا مقدار NICS(0.0) در صفحه با مشارکتهایی موضعی پیوندهای و جفتهای تنها تحت تاثیر قرار می گیرد(28). حلقه های دارای NICS منفی آروماتیک، حلقه های دارای NICS نزدیک به صفر غیر آروماتیک و حلقه های دارای NICS مثبت پاد آروماتیک اند.
شاخص دیگر مولفه "خارج صفحه" تنسور NICS است که در فاصله Å1 بالای مرکز حلقه محاسبه می شود و با NICS(1.0)zz مشخص می شود که اندازه خوبی برای مشخصه های سیستم حلقه است(29). از آن جا که یک میدان مغناطیسی عمود بر صفحه حلقه اعمال می شود، این مقدار با چگالیهای جریان القایی در سیستم حلقه ای مولکول ارتباط مستقیم تری دارد. در نتیجه NICSzz محاسبه شده در فاصله های دور از مرکز حلقه (جایی که NICSzz تحت تاثیر مشارکتهای از سیستم قرار می گیرد) به خوبی NICS را مشخص می کند(30).
ثابت شده است برای مشتقهای بورازین NICS(2.0)zz معیار مناسبی برای آروماتیسیته است(31).
مقدارهای موشکافی شدهNICS با نرم افزار deMonNMRمحاسبه می شوند(32). بر این اساس NICS(total) به سهمهایی از پیوندهای ، NICS() ، پیوندهای ، NICS() ، و سهمهای دیگر (پیوندهای با هیدروژن، جفتهای تنها در صفحه مولکول، اوربیتالهای مغزی) تقسیم می شود.
برای مثال برای بنزن:
جدول (1-2) NICS برای بنزنStructure Opt Level/Basis set NICS(0.0) NICS(1.0) NICS(r)zz
Benzene B3LYP/6-311+G** HF/6-31+G* -9.7 -11.5 r=1.0-31.9
Borazine B3LYP/6-311+G** HF/6-311+G** -1.3 -1.9 r=-6.7
1-4-2ناهمسانگردی تاثیر پذیری مغناطیسی:ناهمسانگردی تاثیر پذیری مغناطیسی (33)به صورت زیر تعریف می شود:
(1-1)
در این رابطه محور z به صورت عمود بر صفحه حلقه تعریف می شود. این رابطه تفاوت بین تاثیر پذیریهای دیامغناطیس خارج صفحه و میانگین تاثیر پذیریهای دیامغناطیس داخل صفحه (xy) است. کارایی این شاخص مستقل بودن از سیستم مرجع است. این شاخص به روشCSGT محاسبه می شود(34). منفی تر بودن این شاخص نشانه خصلت آروماتیسیتی بیشتر است.
1-4-3تاثیر پذیری مغناطیسی(35):این شاخص تفاوت تاثیر پذیری مغناطیسی سیستم و یک سیستم مرجع ناشی از افزایش اتم یا پیوند است:
=-(1-2)
این شاخص نیز به روش CSGT محاسبه می شود. منفی تر بودن این شاخص نشانه خصلت آروماتیسیتی بیشتر است.
1-4-4 شاخصهای ناشی از نطریه اتم در مولکول:نظریه اتمها در مولکولها در شکلهای زیر برای مطالعه آروماتیسیتی به کار رفته است(36).
درجه عدم استقرار الکترون پای (DI):Bader و همکارانش عدم استقرار چگالی بیشتری را در هیدروکربنهای سیر نشده حلقوی نسبت به گونه های مشابه ناحلقوی پیدا نمودند.درجه عدم استقرار الکترون پای (DI) به طور کمی بر اسای این نظریه با استفاده از شاخص عدم استقرار تعیین می شود. این شاخص با انتگرال دوگانه چگالی همبستگی- تبادل حول حوزه هایاتمهای A و B به دست می آید. حوزه یک اتم در نظریه AIM به صورت گستره ای در فضای واقعی محدود به سطوح گرادیان شار صفر در یک چگالی الکترونی (r) یا تا بی نهایت تعریف می شود(37) به طور کمی تعداد الکترونهای نامستقر بین A و B تعیین می شود(38).
برای مثال برای بنزن می توان نوشت:
جدول (1-3) درجه عدم استقرار الکترون پایبرای بنزنE(atom) DI
B3LYP/6-311++G** 3.8102745332e+001 1.3965407413e+000
شاخص عدم استقرار پارا (PDI): Sola و همکارانش شاخص عدم استقرار را با معیارهای آروماتیک دیگر مرتبط کردند(39). آنها یک معیاری آروماتیک موضعی نوینی را معرفی نمودند: شاخص عدم استقرار پارا (PDI) .
Hernandez-Trujillo و Matta نیز معیار هندسی را پیشنهاد نمودند که DI را به عنوان اندازه تناوب اشتراک الکترون در نظر می گیرد.
D3BIA :Caio L. Firme و همکارانش معیار نوینی برای آرماتیسیتی در نظر گرفتند(40). نظریه ها بر اساس:
چگالی الکترونی در حلقه
درجه یکسانی عدم استقرار
درجه همترازی اتمها در حلقه
استوار بود و آن را D3BIA نامیدند. فرمول آن عبارت است از:
D3BIA=[RDF] [DIU] (1-3)
که در این رابطه:
RDF=(1+2)RCP (1-4)
2 مقدار ویژه میانگین ماتریکس Hessian چگالی از BCP به RCP ، وRCP مقدار چگالی الکترونی در نقطه بحرانی حلقه است.(1-5)
انحراف میانگین و <DI> میانگین DI حلقه است.
(تعداد اتمهای حلقه)/(تعداد اتمهای همتراز)=(1-6)
برای مثال برای بنزن می توان نوشت:
جدول (1-4) انحراف میانگین و RDF و DIU و D3BIA برای بنزنRCP 2 RDF DIU D3BIA
B3LYP/6-311++G** 0.021479650957751 0.538176419309952 0.00992 1 1.00 0.00992
1-4-5 مدل هماهنگ کروی آروماتیسیتی:در بین تعریفهای کمی به کار رفته برای آروماتیسیتی بر اساس معیار شکل هندسی، HOMA بیشترین اطمینان را دارد(41). مطابق نظر Krygowski و همکارانشبه صورت سهم دو عبارت تعریف می شود:
HOMA=1-EN-GEO(1-7)
در این رابطه EN اندازه طویل شدن طول پیوند میانگین نسبت به یک مقدار بهینه است:
EN= (Ropt - Rav)2(1-8)
در این رابطه Ropt طول پیوند بهینه برای یک مولکول کامل آروماتیک است( برای پیوندهای CCبرابر Å 388ر1 است). Rav طول پیوند میانگین گونه های در نظر گرفته شده است.یعنی:
Rav =(1-9)
عبارت GEO نشانه افزایش یک در میان طول پیوند است و برابر است با:
GEO=(1-10)
Rav دلالت بر طول پیوند میانگین سیستم در نظر گرفته شده و n تعداد پیوندهای فاصله ای بین هسته ای Ri است. برای پیوندهای CC مقدار برابر 7ر257 است.
به صورت جمع نرمال شده انحراف مربعهای طول پیوندها از مقدار بهینه تعریف می شود. یک سیستم آروماتیک HOMA=1 و پاد آروماتیک HOMA=0 دارد.
مقدارهای Ropt و برای پیوندهای CN, CO, CP, CS, NN, NO نیز گزارش شده اند.
برای مثال برای مولکول بنزن می توان نوشت چون Ri=1.3946 پس Rav=1.3946 در نتیجه:
جدول (1-5) مقادیر HOMO و GEO و EN برای بنزنEN= (Ropt - Rav)2 GEO= HOMO
B3LYP/6-311+G** =(257.7)(1.388-1.3946)2=0.0112254 (1.3946-1.3946)*6(257.7/6)=0 0.9887746
کمیت قابل اندازه گیری دیگر جابه جایی شیمیایی یونهای لیتیم در کمپلکسهای آن است. از آن جا که لیتیم تمایل به اتصال به وجه آروماتیک حلقه ها دارد، خود سبب آروماتیک شدن می شود. در نتیجه از جا به جایی شیمیایی آن می توان برای این منظور استفاده کرد. برای مثال این مقدار در کمپلکسهای CpLi و Cp2Li- به ترتیب ppm 6ر8- و 1ر13- است.
1-5ترکیبهای X3Y3H6
s-triphosphatriborin Borazine

alumazine

شکل (1-1) ترکیب های X3Y3H6 را نشان می دهد.1-6بورازین:بورازین ترکیب معدنی است که از عنصرهای بور، نیتروژن و هیدروژن تشکیل شده است. در این ترکیب حلقوی سه واحد هیدروبوران(BH) و سه واحد آمینو (NH) به طور یک در میان قرار دارند. این ترکیب در سال 1926 به وسیله ی Alfred Stock و Pohlandاز واکنش دی بوران و آمونیاک تهیه شد(42). ساختار این ترکیب هم الکترون و یکسان با بنزن است و به همین دلیلی بنا به پیشنهاد Nils Wibergبنزن معدنی نامیده می شود. این ترکیب همچنین به نام Borazol نیز نامیده می شود که از نام آلمانی بنزن که بنزول است ناشی می شود.

شکل (1-2) بورازین1-6-1سنتزبورازین از واکنش دی بوران و آمونیاک در نسبت یک به دو در دمای 300-250 با بهره 50% تهیه می شود:
3 B2H6 + 6 NH32 B3N3H6+3 LiCl + 9 H2
مسیر موثر دیگر از واکنش لیتیم بوروهیدرید و آمونیوم کلرید با بهره ای بهتر می باشد:
3 LiBH4 + 3 NH4Cl → B3H6N3 + 3 LiCl + 9 H2
در یک فرآیند دو مرحله ای، بور تری کلرید نخست به تری کلروبورازین تبدیل شده :
3 BCl3 + 3 NH4Cl → Cl3B3H3N3 + 9 HClسپس پیوندهای B-Cl به پیوندهای B-H تبدیل می شوند:
Cl3B3H3N3 + 3 NaBH4 → B3H6N3 + 3/2 B2H6 + 3 NaCl1-6-2ویژگیهابورازین مایعی بیرنگ با بوی ویژه ترکیبهای آروماتیک است. این ترکیب در آب به بوریک اسید، آمونیاک و هیدروژن تجزیه می شود. بورازین با تغییر آنتالپی استاندارد تشکیل kJ/mol 531- از نظر گرمایی بسیار پایدار است. برخی از خواص فیزیکی این ترکیب در جدول 1 ارایه شده است.
جدول(1-6) برخی از خواص فیزیکی بورازیننقطه جوش ، C نقطه ذوب، C چگالی، gr.cm-3 ظاهر جرم مولی، gr.mol-1
55 58- 81ر0 بی رنگ 50ر80
1-6-3ساختاربورازین هم ساختار بنزن است و همانند آن دارای پیوندهایی با طول یکسان است. فاصلهی بین نیتروژن و بور در حلقه pm 6ر143 و فاصله کربن-کربن در بنزن pm7ر139 است. پیوند بور-نیتروژن بین طول پیوند بور-نیتروژن یگانه (pm151) و پیوند بور-نیتروژن دوگانه (pm131) است. این داده ها نشان دهنده ی عدم استقرار الکترونهای جفت تنهای نیتروژن هستند.
1-6-4مزومرهاالکترونگاتیوی بور (04ر2 در مقیاس پاوولینگ) از نیتروژن (04ر3) کمتر است. از سوی دیگر کمبود الکترونی اتم بور و جفت تنهای نیتروژن امکان ساختارهای مزومری متنوع را ممکن می سازد:

شکل (1-3) ساختارهای مزومری بورازین.بور اسید لوییس و نیتروژن باز لوییس است.
1-6-5واکنشهابورازین واکنشپذیرتر از بنزن است. این ترکیب با HCl واکنش می دهد.اگر آروماتیسیتی بورازین نیز مانند بنزن بود، این واکنش بدون کاتالیست ممکن نبود:
B3N3H6 + 3HCl → B3N3H9Cl3
واکنش افزایشی بدون کاتالیزور رخ نمی دهد. در بورازینها حمله هسته دوستی در بور و حمله الکترون دوستی در نیتروژن رخ می دهد. گرما دادن بورازین تا C 70 هیدروژن را آزاد کرده و سبب تشکیل بسپار بورازنیل یا پلی بورازین می شود که واحدهای تکپار با تشکیل پیوندهای بور-نیتروژن نوین به صورت پارا جفت می شوند.

شکل(1-4)تشکیل بسپار بورازنیل1-6-6کاربردها:بورازین و مشتقهای آن پیشماده های مناسبی برای سرامیکهای بورنیترید هستند. بورنیترید می تواند با گرما دادن پلی بورازیلن تا C 1000 تهیه شود(42). بورازینها همچنین ماده اولیه ای برای سرامیکهای دیگر مانند بورکربونیتریدها نیز هستند(43).

شکل (1-5)تشکیل سرامیک بورکربونیترید از بورازین1-7فوق قطبش پذیریافزون بر گشتاور دوقطبی ناشی از توزیع نامتقارن بار در یک مولکول ممکن است توزیع الکترونی با وارد شدن یک فقدان الکتریکی تغییر شکل دهد. از این راه یک گشتاور دوقطبی القایی در مولکل ایجاد می شود. مطزان تاثیر گذاری میدا الکتریکی در قطبی ساختن مولکول با قطبش پذیری مولکول تعیین می شود. قطبش پذیری بنا به تعریف گشتاور دوقطبی القا شده از سوی میدان التریکی به شکل یک واحد است.
برهم کنش نور با ماده سبب تغییر وابسته به زماندر توزیع چگالی الکترونی در مولکولها می شود (قطبش). در این صورت گشتاور دوقطبی القایی به گشتاور دوقطبی ذاتیo افزوده می شود:
= o + Eloc + Eloc Eloc + ElocElocEloc +… (1-11)
در این رابطه:
Eloc = میدان الکتریکی موضعی اعمال شده به مولکول
= قطبش پذیری خطی مرتبه نخست
= فوق قطبش پذیری مربعی (نخست)مرتبه دوم
= فوق قطبش پذیری مکعبی (دوم)مرتبه سوم
قطبش پذیری اتم همسانگرد است، یعنی راستای میدان الکتریکی هرچه باشد، واپیچش یکسان است. قطبش پذیری بیشتر مولکول ها ناهمسانگرد است، یعنی بستگی به راستای میدان دارد. یعنی در راستاهای مختلف مقدارهای مختلف دارد. لذا مانند دیگر خواص ناهمسانگرد (مانند گشتاور لختی یک مولکول و رسانایی یک بلور) یک خاصیت تنسوری است.
(1-11)
و چون xy=yx،xz=zx ،yz=zy است، پس دارای شش مولفه است.
در حالی که تنها قطبش پذیری خطی در میدان های E ضعیف موثر است، سهم های ناخطی ، و .. در میدان های قوی مانند تابش لیزر آشکار می شوند. هر اثری ناشی از جمله های دوم یا بالاتر این سری را اثرهای ناخطی نامند. زیرا از جمله هایی ناشی می شود که نسبت به E ناخطی اند. آن دسته از ماده هایی رفتار نور در اثر تابش به آنها نسبت به میدان الکتریکی ناخطی است را ماده های نوری ناخطی(NLO) می نامند.
ماده های با ویژگی نوری ناخطی (NLO) توجه زیادی را به خود جلب نموده اند و برنامه های گسترده ای را در علم مواد دربرگفته اند. آنها در گستره ی پردازش پیام نورو سوییچ ها، تبدیل فرکانس های نوری و نیز ذخیره داده های نوری مواد موثری اند.
بیشترین کاربرد در دو برابر کردن فرکانس نور لیزر است. ماده های بررسی شده گستره کامل شیمی را در برمی گیرند از جامدهای معدنی مانند LiNbO3 تا گونه های آلی فلزی مانند مشتق های فروسن تامولکول های آلی.
قطبش می توان به صورت اختلاط حالت های برانگیخته بالاتر با حالت پایه در نظر گفته شود. پس یک مولکول با قطبش پذیری ناخطی بالا شرایط زیر را می تواند داشته باشد:
حالت های برانگیخته کم انرژی، برای نمونه یک شکاف اوربیتال های جبهه ای کوچک
قدرت نوسانگر بالای جهش الکترونی
تفاوت بزرگ بین گشتاور دوقطبی حالت پایه و برانگیخته نشان داده شده با حلالپوشی رنگ.
فقدان مرکز تقارن: ماده ای که مرکز تقار دارد خواص برداری نمی تواند نشان دهد. در نتیجه تمام مولفه ای تنسور فوق قطبش پذیری در گروه نقطه ای مرکز دار دار صفرند.
از سال 1987 که ماردر و همکارانش ثابت کردند که مشتق هایی از فروسن کارایی تولید هارمونیک دوم بزرگی دارند(44)(SHG) مطالعه های نظری و تجربی زیادی به درک رابطه های ساختاری و ویژگی ها و بهینه کردم خواص نوری مرتبه دوم رنگ سازهای فلز دار اختصاص یافته است(45).
دو دسته ار کمپلکس هایی که در گستره ی زیادی بررسی شده است عبارتند از:
متالوسن ها: که لیگاند به شدت با فلز جفت می شود
کمپلکس های پیریدین دار که جفت شدن ضعیفی با فلز مرکزی وجود دارد.
با این وجود طراحی کمپلکس ها نوین با فوق قطبش پذیری بالا موضوعی جذاب و رقابت برانگیز است.
متالابنزن ها طبقه ی از کمپلکس های آلی فلزی اند که فلز بخشی از یک سیستم - آروماتیک است. دو تا از شش الکترون اوربیتال های d فلزند که حول سیستم نامستقرند و پس انتظار می رود از الکترونهای d دیگر کمپلکسهای آلی فلزی قطبش پذیرتر باشند.چندین کمپلکس متالابنزن جداسازی شده اند مانند اسمابنزن ها، ایریدابنزن ها و پلاتینابنزن ها. واکنشپذیری و پایداری این کمپلکس ها به صورت نظری مطاله شده است. آروماتیسیتی کمتر متالابنزن ها نسبت به بنزن و حلقه های ناجور اتم نفش مهمی در خواص نوری ناخطی (NLO) این کمپلکس ها دارد. جایگزینی حلقه های فنیل در رنگسازهای دهنده- -پل- پذیرنده (D--A) با حلقه های ناجور اتم دار مانند تیوفن یا تیازول به صورت تجربی و نظری نشان داده است که فوق قطبش پذیری به گونه ی موثری افزاپش می یابد. این افزایش فوق قطبش پذیری توجیه می شود با:
انرژی عدم استقرار آرواتیک کمتر ناجور آروماتیک نسبت به بنزن که شکاف انرژی بین حالت پایه و حالت برانگیخته انتقال بار (CT) را کاهش می دهد.
اثرهای القایی حلقه های پر الکترون یا کم الکترون در به ترتیب دهندگی یا پذیرندگی.
چگالی الکترونی بپشتر پل.
مواد NLO آلی کاربردها خوبی در گستره هایی مانند الکترواپتیک و فوتونیک دارند(46). این مواد با میدان های الکترومغناطیس برهمکنش کرده و میدان های الکترومغناطیس نوینی ایجاد می کنند که فرکانس و فاز آنها تغییر کرده است.
فصل دوم: شیمی محاسباتی2-1مقدمهشیمی محاسباتی، پدیده های شیمیایی را بدون انجام آزمایش های تجربی امکان پذیر می کند. این روش نه تنها مولکولهای پایدار را مورد بررسی قرار می دهد بلکه مولکول هایی با طول عمر کوتاه حد واسط های ناپایدار و حتی حالت های گذار را نیز مورد بررسی قرار می دهد.همچنین از این طریق می توان اطلاعاتی راجع به مولکول ها و واکنش هایی که بررسی آن ها از طریق تجربی غیر ممکن است، بدست آورد. برای شروع یک مطالعه محاسباتی جنبه های زیادی باید در نظر گرفته شود از جمله اینکه روشهای محاسباتی باید با توجه به اندازه سیستم مورد مطالعه و خاصیت هایی که مورد نظر است انتخاب شوند.
2-2نیروهای بین مولکولیموضوع اصلی بیان نیروی بین دو مولکول توسط یک تابع انرژی پتانسیل است. در فاصله بی نهایت بین 2 اتم، هیچگونه برهمکنشی وجود ندارد و انرژی کل سیستم دو اتمی با مجموع انرژی های دو اتم مجزا برابر است.
اگر دو اتم به اندازه جزئی از هم فاصله داشته باشند، برهمکنش بین آنها بر انرژی کل سیستم تاثیر می گذارد و آن را افزایش می دهد.با توجه به متقارن بودن اتمها، انرژی برهمکنش بین آنها فقط به فاصله r بستگی دارد و مستقل از جهت گیری نسبی آنها می باشد.تغییر انرژی کل که ناشی از برهمکنش بین دو اتم است به عنوان تابع انرژی پتانسیل بین دو مولکول شناخته شده است .
بر این اساس، پتانسیل بین مولکولی عبارت است از تفاوت انرژی کل سیستم دو اتمی در جدایی بی نهایت و هنگامی که دو اتم به فاصله r از یکدیگر قرار گرفته باشند این اختلاف انرژی از لحاظ عددی با کار لازم برای آوردن دو اتم از فاصله بی نهایت به فاصله r برابر است.
2-3انواع نیروهای بین مولکولیبر اساس دانش کنونی، نیروهای بین ذره ای را می توان به چهار دسته تقسیم بندی نمود:
1-گرانشی
2-الکترومغناطیسی
3-هسته ای قوی
4-هسته ای ضعیف
نیروهای هسته ای قوی عامل ایجاد پیوند بین نوترون های و پروتون های درون هسته بوده و محدوده عملکرد آنها در حدود nm 10 می باشد.از طرف دیگر امروزه معلوم شده نیروهای هسته ای ضعیف دارای منشا الکترومغناطیسی بوده و نظیر نیروهای هسته ای دارای برد کوتاه هستند.با توجه به اینکه ابعاد مولکولی معمولا از مرتبهnm10×5 هستند لذا این نیروهای هسته ای نمی توانند مشارکت مؤثری در نیروی بین مولکولی داشته باشند. بر عکس ، نیروهای گرانشی دارای برد بسیار بلند بوده و می توانند به عنوان منبع جاذبه بین مولکولی در نظر گرفته شوند. اما از لحاظ بزرگی در حدود 10 برابر کمتر از نیروهای بین مولکولی هستند بنابراین نیروهای بین مولکولی بایستی دارای یک منشا الکترومغناطیسی باشند.منبع برهمکنش می تواند ناشی از ذرات باردار، الکترون ها و پروتون هایی که یک اتم یا مولکول را تشکیل می دهند باشد. بر اساس ماهیت مولکول های برهمکنش دهنده سه عامل ممکن است بر نیروی جاذبه بین آنها مؤثر باشد که به صورت زیر خلاصه می شوند.
2-3-1نیروهای الکترواستاتیکیمعلوم شده که بعضی از مولکول ها نظیر HCl به علت توزیع غیر یکنواخت بار الکتریکی در مولکول، دارای ممان دو قطبی دائمی می باشند. بنابراین بخشی از انرژی برهمکنش برد بلند این نوع مولکول ها از برهمکنش الکترواستاتیکی بین ممان های دو قطبی آنها ناشی می شود.به خاطر اینکه انرژی الکترواستاتیکی بین دو دوقطبی ارتباط قوی با جهت گیری نسبی آنها دارد، لذا گاهی به آن انرژی جهت گیری می گویند.
2-3-2نیروهای القاییاگر برهمکنش بین یک مولکول با گشتاور دو قطبی دائمی و یک مولکول غیر قطبی را در نظر بگیریم میدان الکتریکی مولکول دو قطبی توزیع بار الکتریکی را در مولکول دیگر تغییر داده و یک گشتاور دو قطبی القایی را در آن به وجود آورد. دو قطبی القا شده با دو قطبی القا کننده برهمکنش انجام داده و یک نیروی جاذبه تولید می شود. به هنگام برهمکنش دو مولکول قطبی این سهم القایی همزمان با سهم الکترواستاتیکی وجود دارد.
2-3-3نیروهای پراکندگیاین نیرو با ارزیابی افت و خیز در مقدار دانسیته الکترونی قابل بررسی است. این نیرو برای مولکول ها در حالت پایه همواره مقدار منفی خواهد داشت و در واقع از نوع جاذبه است که به نیروهای واندروالس معروف است. در برهمکنش دو مولکول که هیچ کدام از آن ها گشتاور دو قطبی دائمی ندارند درک منشا انرژی جاذبه ممکن است تا حدودی مشکل به نظر برسد. با این وجود می توان تصور نمود که در یک مولکول فاقد گشتاور دو قطبی دائمی، الکترون ها دارای یک حرکت پیوسته بوده و دانسیته الکترونی در مولکول به طور پیوسته در زمان و مکان در حال نوسان است. بنابراین در هر لحظه از زمان هر مولکول دارای یک دو قطبی الکتریکی لحظه ای خواهد بود. دوقطبی لحظه ای ایجاد شده در یک مولکول، یک دوقطبی لحظه ای را در مولکول دوم القا می کند. دوقطبی القا شده در مولکول دوم و دوقطبی القا کننده در مولکول اول با هم برهمکنش انجام داده و حاصل آن انرژی جاذبه ای است که انرژی پراکندگی نامیده می شود.
تعیین اندازه انرژی برهمکنش بسیار مشکل است. بنابراین روشهای مبتنی بر اندازه گیریهای تجربی نمی توانند ماهیت نیروهای بین مولکولی به درستی بیان کنند لازم است روشهای محاسباتی به کار برده شوند.
2-4روشهای مدل سازی کامپیوتری2-4-1مکانیک مولکولیدر مکانیک مولکولی از قوانین مرتبط با فیزیک کلاسیک برای پیش گویی ساختار و خواص مولکول ها استفاده می شود.بسیاری از برنامه های کامپیوتری از قبیل گوسینو هایپرکمو در بر دارنده روش های مکانیکی مولکولی بوده و این روش ها به طرق مختلف و با توجه به میدان نیروی به کار برده شده قابل استفاده هستند.لازم به ذکر است که هر میدان نیرو دارای بخش های اساسی زیر است. دسته ای از روابط ریاضی که چگونگی تغییرات انرژی پتانسیل یک مولکول را با توجه به موقعیت اتم های تشکیل دهنده آن تعیین می کنند.
مجموعه ای از پارامترها که تعیین کننده ثابت های نیرو هستند،و از طریق آن ها ارتباط بین خواص اتمی با انرژی و اطلاعات ساختاری نظیر طول پیوند و زوایای پیوندی بیان می شود.مکانیک مولکولی در انجام محاسبات ،الکترون های سیستم را به وضوح منظور ننموده و اثرات الکترونی بطور ضمنی و از طریق پارامترهای تعریف شده بررسی می شوند.از محدودیت های این روش به موارد زیر می توان اشاره نمود.
هر میدان نیروی خاص فقط برای سری محدودی از مولکول ها نتایج خوبی را بدست می دهد.در نظر گرفتن اثرات الکترونی بطور ضمنی و پارامتری باعث می شود که تخمین های مکانیک مولکولی در مسائل شیمیایی نظیر تشکیل پیوند،پیشگویی خواص شیمیایی مولکولی و برهمکنش اوربیتال های مولکولی غیر قابل استناد و ناکارآمد باشد.
2-4-2مکانیک کوانتومیمحاسبات در بردارنده خواص الکترونی،بر پایه قوانین مکانیک کوانتومی استوار است.مکانیک کوانتومی بیان می کند که انرژی و سایر خواص وابسته به آن برای یک مولکول با حل معادله شرودینگر بدست می آید:
Hᴪ =Eᴪ(1-12)
از آنجایی که برای اکثر سیستم ها،و حتی کوچکترین سیستم ها دارای تقارن کامل نیز، حل دقیق معادله شرودینگر عملی نیست،روش های مکانیک کوانتومی تقریب های ویژه ای را برای حل معادله شرودینگر به کار می برند. محاسبات مولکول ها در شیمی کوانتومی می تواند بر اساس سه روش زیر انجام گیرد:
2-5 طبقه بندی روش هاروش نیمه تجربی
روش آغازین
تئوری تابع چگالی(DFT)
2-5-1روش های نیمه تجربیدر روش های نیمه تجربی فقط از الکترون های لایه ظرفیت استفاده شده و الکترون های داخلی به صورت یک پتانسیل مرکزی، در نظر گرفته می شود. استفاده از این روش و وارد کردن پتانسیل موثر، در مواردی که مولکول مورد بررسی، شامل اتم های سنگین(نظیر فلز در برابر پیوندهای آنزیمی) باشد، از نظر زمان و هزینه مقرون به صرفه خواهد بود. در این روش فقط از اربیتال های نوع اسلیتر (STO) و مجموعه های پایه حداقل برای توصیف اربیتال های اتمی استفاده شده و برای سادگی محاسبات از بعضی پارامترهای حاصل از اندازه گیری های تجربی نیز استفاده می شود. رایج ترین روش های محاسباتی نیمه تجربی، عبارتند از: MNDO PM3 AM1، MINDO. با توجه به استفاده از پارامترهای تجربی، روش های نیمه تجربی فقط آرایش الکترونی حالت پایه را توصیف می کنند. توضیحات مفصل تر را درباره این روش می توان در منابع مختلف یافت.
2-5-2روش های آغازینعبارت Ab initio از نظر لغوی به معنای آغازین است اما در اینجا به معنای حل دقیق و بدون تقریب معادله شرودینگر است. این تعریف نشان می دهد که نتایج محاسباتی، به طور مستقیم از اصول نظری بدست می آیند و داده های تجربی و آزمایشگاهی هیچ دخالتی در آن ندارند. در حقیقت این یک تقریب در محاسبات مکانیک کوانتومی است. تقریب ها معمولا از تقریب های ریاضی نشات می گیرند مانند استفاده از یک تابع پیچیده و یا پیدا کردن جوابهای تقریبی برای یک معادله دیفرانسیلی پیچیده در یک محاسبه ab initio، نقطه آغاز یک ساختار هندسی از ملکول است که در آن ماهیت و مختصات هر یک از اتمها تعریف شده است.همچنین با توجه به اتم های موجوددر ملکول مورد نظر یک مجموعه پایه از اوربیتالهای اتمی انتخاب می شود. بنابراین در این روش بر خلاف روش های نیمه تجربی ، پارامترهای تجربی وارد محاسبات نشده و محاسبات بر قوانین مکانیک کوانتومی و برخی ثوابع فیزیکی نظیر سرعت نور، جرم وبارالکترون، بار هسته ها و ثابت پلانک استوار است.
2-5-3 تقریب هارتری- فاکپایین ترین سطح و متداول تربن نوع از محاسبات ab initio، محاسبات هارتری- فاک نامیده می شود که در آن عملگر هامیلتونی شامل دو عبارت، انرژی پتانسیل و انرژی جنبشی است. تقریب اولیه در این نوع محاسبه، تقریب میدان مرکزی خودسازگار است. دافعه کلونی الکترون-الکترون با انجام انتگرال گیری از عبارت دافعه محاسبه می شود. این یک محاسبه متغیر است به این معنا که انرژی های تقریبی محاسبه شده همگی برابر یا بزرگتر از مقدار انرژی واقعی هستند. یکی از مزیت های این روش، تفکیک معادله شرودینگر به تعدادی معادله تک الکترونی است که نتیجه آن یک تابع موج تک الکترونی بوده که یک اوربیتال نامیده شده و مقدار ویژه حاصل از آن بیانگر انرژی یک اوربیتال است. تقریب دوم در محاسبات هارتری- فاک این است که یک تابع موج با تعدادی توابع ریاضی توصیف می شود. توابع استفاده شده اغلب اوقات ترکیبی خطی از اوربیتال های گوسینی است.به علت ترکیب خطی اوربیتال های اتمی انرژی محاسبه شده، بزرگتر از انرژی حدی هارتری فاک می باشد. به منظور بدست آوردن یک اوربیتال با تقارن p,s یا d توابع گوسینی در یک تابع زاویه ای ضرب می شوند و سپس این اوربیتال ها به صورت یک دترمینان اسلیتر و با در نظر گرفتن دو شرط اساسی آرایش داده می شوند. شرط اول عبارت است از اینکه، الکترون ها باید غیر قابل تمییز باشند، شرط دوم آن است که تابع موج باید نسبت به جابجایی دو الکترون نامتقارن باشند.
با وجود استفاده از یک بسط طولانی در اوربیتالهای ملکولی و رسیدن به حد نهایی هارتری-فاک، هنوز هم با نقص هایی در تابع موج که بر آمده از تقریب های معادله هارتری-فاک می باشند روبرو هستیم.دو منبع مهم خطا در معادلات اولیه وجود دارد، یکی اینکه کل تئوری بر مبنای معادله شرودینگر است که اثرات نسبیتی در آن لحاظ نشده است، حرکت الکترون های داخلی با سرعتی است که در مقایسه با سرعت نور قابل صرف نظر کردن نیست واین سهم اثرات نسبیتی و ثابت نبودن جرم را نشان می دهد.ولی از آنجائیکه اکثر تغییرات شیمیایی و بیولوژیکی مولکول مربوط به الکترون های ظرفیتی اند، این خطا معمولا ثابت بوده و مشکل بزرگی را ایجاد نمی کند. منبع خطای دوم که جدی تر و با اهمیت تر است خطای مربوط به انرژی همبستگی نامیده می شود.
2-5-3-1تئوری اختلال مولر- پلستاثرات همبستگی الکترونی را می توان به صورت یک عبارت اختلال به تابع موج هارتری- فاک اضافه نمود. این روش، تئوری اختلال مولر- پلست نامیده می شود. بر مبنای این تئوری، روش HF معادل با اختلال مرتبه اول می باشد. یک مقدارکوچک از اثرات همبستگی با استفاده از اختلال مرتبه دوم از روش مولر پلست (MP2)، در محاسبات منظور می شود. محاسبات مرتبه سوم(MP3) و مرتبه چهارم (MP4) نیز عموما مورد استفاده قرار می گیرند. اما اختلال مرتبه پنجم(MP5) و درجات بالاتر از آن به دلیل مقرون به صرفه نبودن از نظر زمان محاسباتی به ندرت مورد استفاده قرار می گیرند. در تئوری اختلال، همخوانی یا عدم همخوانی نتایج انرژی محاسبه ای با مقدارواقعی، بستگی به ماهیت سیستم تحت بررسی دارد. یکی از مزیت های این روش دامنه کاربردی وسیع آن می باشد که محاسباتی با دقت را ایجاد می کند اما زمان محاسبات بسیار بالایی را نیاز دارد.
2-5-3-2روش بر همکنش های پیکربندیدر روش برهمکنش های پیکربندی برای وارد کردن اثرات همبستگی ترکیبات خطی بیشتری از حالتهای پایه و برانگیخته را در بدست آوردن تابع موج استفاده می کنند. محاسبات برهمکنش پیکربندی دارای صحت خیلی بالایی هستند. محاسبات برهمکنش پیکربندی بر اساس نحوه و تعداد حالت های برانگیخته در تشکیل هر دترمینان تقسیم بندی می شوند.
2-5-3-3روش میدان خودسازگار چند پیکربندیدر روش میدان خودسازگار چند پیکربندی در مقایسه با روش برهمکنش های پیکربندی تعداد کمتری از حالتهای برانگیخته در نظر گرفته می شود.حالتهای برانگیخته ای مدنظر هستند که سهم بیشتری را در انرژی همبستگی دارند ولی به کار بردن این روش مستلزم به کارگیری دقت زیادی در انتخاب حالتهای برانگیخته است و نتایج صحیح تری را می دهد.
2-5-4تئوری تابع چگال(DFT)تئوری تابع چگال(DFT) در سالهای اخیر شهرت زیادی پیدا کرده است. بر مبنا مشاهدات علمی نشان داده شده این روش از نظر سرعت محاسباتی پایین تر از روشهای دیگر با دقت و صحت مشابه می باشد. این تئوری نسبت به روشهای دیگر ab initio در سال های اخیر توسعه بیشتری یافته است.در این روش به منظور محاسبه انرژی یک مولکول به جای استفاده از یک تابع موج از دانسیته الکترونی استفاده می شود. از مزایای بزرگ DFT، اعمال انتگرال های دافعه کولمبی روی یک تابع سه بعدی و منظور کردن اندکی از اثرات همبستگی الکترونی در حین محاسبه می باشد. این روش از نظر محاسباتی و صحت نتایج، سریع تر و دقیق تر از روش HFمی باشد. امروزه اکثر محاسبات DFT ،با مجموعه پایهGTOبهینه شده HF انجام می شوند. البته صحت و درستی نتایج در صورت استفاده از مجموعه های پایه کوچک به میزان زیادی کاهش می یابد.از این رو با توجه به دقت وصحت نتایج، کوچکترین مجموعه پایه مورد استفاده G31-6 می باشد. با به کار بردن توابع پایه بهتری در محاسبات DFT می توان نتایج با حد دقت و صحت نتایج روش های محاسباتی MP2 بدست آورد. روش DFT به روش متعدد دیگری تقسیم می شود که ساده ترین آن روش، Xa نامیده می شود. در این روش محاسباتی اثر تعویض الکترونی در نظر گرفته می شود ولی از اثرات همبستگی الکترونی چشم پوشی می شود. در یک سری روش های ترکیبی توابع به دست آمده از روش های دیگر با اجزایی از محاسبات هارتری- فاک که معمولا انتگرال های تعویضی هستند تلفیق می شوند. عموماً روش های ترکیبی و تصحیح گرادیانی از نقطه نظر صحت و درستی بهترین نتایج را می دهند. از جمله این روشها می توان B3LYP، PBE، B3PW91،PW91 ، MPW1PW91 و ....را نام برد که روشهای ،PW91،PBE،MPW1PW91 برای محاسبات انرژی بر همکنش از نظر دقت و صحت مشابه MP2 می باشند ولی زمان محاسباتی خیلی کمتری را نیازمند هستند.
2-6مجموعه های پایهبعد از انتخاب روش محاسباتی، باید مجموعه های پایه به منظور ساختن اوربیتال های مولکولی فراگیر تعیین گردند تا روند محاسبات به مسیر مناسبی هدایت شود. این نکته باید در نظر گرفته شود که ممکن است یک روش و مجموعه پایه برای یک کاربرد، کاملاً به جا و منحصر به فرد باشد در حالیکه در سایر موارد غیر قابل استفاده باشد.اوربیتال های مولکولی ترکیب از اوربیتال های اتمی هستند که امروزه ترجیحاً مجموعه های پایه نامیده می شود. به دو طریق می توان از مجموعه پایه استفاده نمود. در روش اول اوربیتال های اتمی به عنوان توابع در نظر گرفته می شوند.در این روش از مجموعه های پایه حداقل استفاده و نتایج آن معمولاً برای مولکول های حجیم یا به منظور انجام پیش بینی های کیفی مورد استفاده قرار می گیرند. در روش دوم توابع تشکیل دهنده مجموعه پایه، شامل یک سری توابع ریاضی هستند که حداکثر انعطاف پذیری را متناسب با اوربیتال های مولکولی دارند. در این روش، مجموعه های پایه مورد استفاده از توابع گوسی تشکیل و با توجه به دقت لازم برای انجام محاسبات نوع و تعداد توابع گوسی مورد استفاده تعیین می شود. افزودن توابع قطبش پذیر و نفوذی به مجموعه های پایه یکی از راهکارهای ارتقاء و بهبود نتایج این روش محسوب می شود. همچنین استفاده از توابع پایه ظرفیتی شکافته ای، که در آن اوربیتال های ظرفیتی به دو یا سه تابع شکافته می شوند، متداول وکارساز است.به عنوان مثال در مجموعه پایه G311-6 اوربیتال های ظرفیتی به سه تابع شکافته می شوند.
2-6-1مجموعه پایه حداقلکوچکترین مجموعه های پایه، مجموعه پایه حداقل نامیده می شوند. از جمله مجموعه های پایه حداقل که بطور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد، مجموعه پایه STO-nG است. معروف ترین مجموعه پایه حداقل، STO-3G است که ترکیب خطی از سه اوربیتال گوسینی تطبیق داده شده با یک اوربیتال اسلیتری می باشد. البته همانطور که در بخش قبل اشاره شد، مجموعه های پایه حداقل معمولاً برای مولکول های خیلی بزرگ و نتایج کیفی استفاده می شوند.
2-6-2مجموعه پایه ظرفیتی شکافتهمتداولترین مجموعه های پایه شکافته که توسط گروه پاپل مطرح شدند، عبارتند از:
7-41G, 6-311G, 6-21G, 4-22G, 6-31G, 3-21G
در 6-31GT، هر لایه مرکزی متشکل از شش تابع اولیه GTO و هر اوربیتال ظرفیتی آن با دو حالت انقباضی، یکی با سه تابع اولیه و دیگری با یک تابع اولیه گوسینی توصیف می شود. این نوع مجموعه های پایه بیشتر برای مولکول های آلی استفاده می شوند. برای اتم ها، سری پایه 3-21G برای همه اتم ها تا Xe و سری پایه 6-31G قابل کاربرد است.
برای اینکه اجازه دهیم شکل اوربیتال ها تغییر کند می توانیم سهم هایی را از اوربیتال ها با اندازه حرکت زاویه ای بالاتر در نظر آورد، به عنوان نمونه می توان از یک و دو اوربیتال d مربوط به هر اتم کربن استفاده نمود. نماد گذاری لازم برای نشان دادن این موضوع عبارت است از اضافه کردن یک حرف برای نوع اوربیتال در نظر گرفته شده در انتهای نام اختصاری ، به عنوان مثال 6-31G(2d,p) که معنی آن این است که دو اوربیتال d مربوط به اتم های سنگین و یک اوربیتال p مربوط به اتم های هیدروژن را در محاسبات وارد می کند.
2-6-3توابع پایه نفوذیتوابع پایه نفوذی، توابعی با نمادهای کوچک می باشند که شکل تابع موج را در فاصله دورتر از هسته توصیف می کنند. این نوع توابع برای آنیون های دارای توزیع دانسیته الکترونی بالا و همچنین برای برهمکنش های با دامنه بلند مورد استفاده قرار می گیرند. لازم به ذکر است که توابع نفوذی می توانند همراه با توابع پلاریزه، استفاده شده و به ایجاد سری های پایه 6-31+G و 6-31++G منتهی شوند.
2-6-4 مجموعه های پایه قطبش پذیرمجموعه پایه بهبود یافته با اضافه کردن یک یا دو علامت ستاره نظیر 6-31G**, 6-31G* مشخص می شوند. یک ستاره بیانگر این است که مجموعه ای از توابع اولیه d به اتم های غیر هیدروژنی اضافه می شود. دو ستاره مجموعه ای توابع p را به اتم های هیدروژن اضافه می کند. این نوع توابع، توابع پایه قطبش پذیر نامیده می شوند، زیرا به تابع موج قابلیت انعطاف پذیری بیشتری برای تغییرشکل می دهند.
2-7نرم افزارهای به کار رفته در این مطالعهHyperchem 8.0.3:

شکل (2-1) نمایی از نرم افزار هایپرکم.ساختار تمام مولکول های مورد نظر با استفاده از نرم افزارHyperchem 8.0.3رسم شده است.
Gaussian Viewer Version 5.0.8 :

شکل(2-2) نمایی از نرم افزار گوس ویو.برای رسم ساختارهای مورد نظر جهت اماده کردن فایل های ورودی نرم افزار محاسباتی از Gaussian Viewer Version 3.07 استفاده شده است.
Gaussian 2003 Version:

شکل (2-3) نمایی از نرم افزار گوسیین.به منظور بهینه کردن ساختارهای مورد نظر، تمامی ساختارها با استفاده از نرم افزار(48) Gaussian 2003 Version B.03با مجموعه پایه ها و سطح مناسب بهینه شده اند. مجموعه پایه 6-311G(d,p)(49.50.51) برای تما اتمها به کار رفته است. بهینه کردن ساختار کمپلکسها با استفاده از روش تابعگان چگالی B3LYPانجام شدهاست(52.53.54). آنالیز ارتعاشی نیز برای اطمینان از قرار داشتن کمپلکسها بر روی کمینه انرژی منحنی انرژی پتانسیل یعنی حالت پایه انجام شده است.
تمام داده های خروجی انرژتیک، ساختاری، ویژگی های و دیگر ویژگی ها با استفاده از این نرم افزار صورت گرفت. پس از بهینه کردن ساختارهای مورد نظر داده های طول ها و زوایای پیوندی با استفاده از نرم افزار Gaussian Viewer 3.07 خوانده شده اند. سیمای اوربیتالهای مولکولی نیز با استفاده از این نرم افزار رسم شده‌اند.
Chem Draw Version 9.0.1:

شکل (2-4) نمایی از نرم افزار کم دراو.برای رسم گرافیکی شکل تمام مولکولهای بررسی شده از نرم افزار Chem Draw Version 9.0.1 استفاده شده است.
ویژگی های سخت افزاری
تمام این نرم افزارهاتحت سیستم عامل Windows 7 Ultimateنصب شده اند. محاسبه ها با استفاده از رایانه Intel(R)Core(TM) 2Duo CPU 2.53GHzبا 4GB رم انجام شده است.
فصل سوم: بحث و نتیجه گیری3-1جنبه های پر انرژی (انرژتیک )شکل 3-1 بررسی بنزن و رنگسازهای دارای بورازین را در این پروژه - ریسرچنشان می دهد.

شکل (3-1)فرم رزونانسی رنگسازهای دارای بورازین با گروه های مختلف x .جدول 3-1 محاسبه انرژی، انرژی های نسبی برای تمام مولکول ها را نمایش می دهد. انرژی نسبی نشان می‌دهد که ایزومرB پایدارتر از ایزومر N در تمام گونه ها ست.
جدول (3-1) انرژی مطلق(هارتری)انرژی نسبی(E)ثابت هامت آنها (p)گشتاور دوقطبی رنگسازهای دارای بورازین با گروه های مختلف .xE(N) E(B) E p tot(N) tot(B)
H -551.2612 -551.2867 16.0114 0.00 1.6170 1.1312
F -650.5254 -650.5510 16.0681 0.15 1.5716 0.3888
Cl -1010.883 -1010.9086 15.7131 0.24 2.0451 1.0524
Br -3124.8041 -3124.8291 15.6812 0.23 1.9662 0.9264
OH -626.5042 -626.5308 16.7007 -0.38 3.2086 2.2789
NH2 -606.6340 -606.6614 17.1915 -0.57 3.8899 3.8318
Me -590.5887 -590.6147 16.2763 -0.14 1.9659 1.7426
CN -643.5280 -643.5516 14.8121 0.70 5.2518 4.3900
CF3 -888.4017 -888.4258 15.1485 0.53 5.2419 2.4079
CHO -664.6178 -664.6416 14.9093 - 4.3992 2.9788
COOH -739.8939 -739.9179 15.1083 0.44 3.0916 1.5469
NO2 -755.8200 -755.8431 14.4770 0.81 5.6899 4.6521
یک رابطه خطی خوب بین مقادیر انرژی های نسبی همراه با ثابت هامت آنها((p) ( ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>March</Author><Year>1985</Year><RecNum>82</RecNum><DisplayText><style face="superscript">19</style></DisplayText><record><rec-number>82</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="xafwx29p8rax5cefev2vfv0w5d5fedpzzwwv">82</key></foreign-keys><ref-type name="Book">6</ref-type><contributors><authors><author>J. March </author></authors></contributors><titles><title>Advanced Organic Chemistry</title></titles><edition>3rd ed</edition><section>244</section><dates><year>1985</year></dates><pub-location>New York </pub-location><publisher>John Wiley &amp; Sons</publisher><urls></urls></record></Cite></EndNote>19 وجود دارد (شکل 3-2)

شکل (3-2) رابطه انرژی نسبی با ثابت هامت آنها (p).3-2گشتاور دو قطبیمقادیر گشتاور دو قطبی در جدول 1-1 جمع آوری شده است. در حال حاضر مقادیر ایزومر N گشتاور دو قطبی بیشتری از ایزومرB دارند. ارتباط خوبی بین و ثابت هامت آنها (p) نشان داده شده. شکل 3-3 را ببینید.

شکل (3-3) رابطه گشتاور دوقطبی با ثابت هامت(p).3-3قطبش پذیری قطبش پذیری واکنش یک سیستم در میدان الکتریکی اعمال شده را توصیف می کند(20).آن ها نه تنها قدرت فعل و انفعالات مولکولی را تعیین می کنند(21) (همانند القا بلند مدت بین مولکولی، نیروهای پراکندگی و غیره.) بلکه به عنوان مقطع پراکندگی های مختلف و فرایندهای برخورد و همچنین خواص نوری غیر خطی سیستم را تعیین می کند.
قطبش همسانگرد<α> به عنوان مقدار متوسط در معادله زیر محاسبه می شود:
(3-1)
و قطبش پذیری ناهمسانگردی هست:
Δα=(αXX- αYY)2+(αYY- αZZ)2+(αZZ- αXX)2212(3-2)
محاسبه مقادیر قطبش همسانگرد و ناهمسانگرد نشان می دهد این مقادیر در کمپلکس های پایدار کاهش می یابد، همان طور که انتظار می رود از اصول حداقل انرژی و حداقل قطبش پذیری در اکثر موارد (به جز OH، NH2 = x ، جدول(3-2))(22).
جدول (3-2)قطبش همسانگرد و نا همسانگرد رنگسازهای دارای بورازین با گروه های مختلف xB-isomer
xx yy zz <>
H 255.71 146.88 69.02 157.21 162.42
F 257.31 146.22 69.06 157.53 163.91
Cl 298.59 150.04 72.49 173.71 199.00
Br 314.96 153.43 75.96 181.45 211.20
OH 278.63 149.43 70.21 166.09 182.22
NH2 304.09 152.91 72.38 176.47 203.75
ME 289.33 155.58 78.54 174.49 184.74
CN 317.68 150.19 75.19 181.03 215.03
CF3 278.75 153.74 79.25 170.59 174.61
CHO 310.82 158.57 74.32 181.24 207.62
COOH 312.53 160.04 75.68 182.75 207.93
NO2 307.25 160.32 74.23 180.60 204.08
N-isomer
X xx yy zz <>
H 260.78 139.70 73.94 158.14 164.16
F 260.85 139.05 74.10 158.00 164.22
Cl 304.18 144.03 76.04 174.75 202.87
Br 320.34 147.51 79.45 182.44 215.10
OH 277.67 141.71 76.15 165.18 178.03
NH2 297.11 144.44 79.75 173.77 193.31
ME 292.30 148.75 83.39 174.82 185.10
CN 335.43 147.45 74.20 185.70 233.39
CF3 292.31 150.50 78.86 173.90 188.15
CHO 331.83 155.85 73.32 187.01 228.70
COOH 330.59 156.57 75.49 187.56 225.76
NO2 334.72 158.12 72.08 188.31 231.91
از سوی دیگر یک ارتباط خوب بین مقادیر قطبش همسانگرد و ناهمسانگرد با مقادیر نسبی انرژی وجود دارد.(شکل 3-4)

شکل (3-4)رابطه قطبش همسانگرد و نا همسانگرد (iso)N-isomer-(iso)B-isomer and(aniso)N-isomer-(aniso)B-isomer با ثابت هامت(p).3-4آنالیز اوربیتال جبهه اییک ویژگی جالب برای این مولکول ها شکاف انرژی Eg بین بالاترین اوربیتال مولکولی اشغال شده(HOMO) و کمترین اوربیتال مولکولی خالی (LUMO)است. شکاف انرژی به عنوان بازتابی از فعالیت های شیمیایی مولکول در نظر گرفته شده است. مقادیر انرژی اوربیتال جبهه ای در جدول 3-3 جمع آوری شده است.
جدول (3-3)انرژی اوربیتال جبهه ای (هارتری) انرژی شکاف (E) و سختی (S)و پتانسیل شیمیایی رنگسازهای دارای بورازین با گروه های مختلف xB-isomer
HOMO LUMO E S
H -0.2307 -0.0586 4.6814 2.3407 0.2136 -3.9372 3.3113
F -0.2316 -0.0606 4.6529 2.3264 0.2149 -3.9773 3.3999
Cl -0.2345 -0.0670 4.5582 2.2791 0.2193 -4.1036 3.6944
Br -0.2333 -0.0673 4.5193 2.2596 0.2212 -4.0909 3.7032
OH -0.2158 -0.0514 4.4735 2.2367 0.2235 -3.6357 2.9548
NH2 -0.2004 -0.0451 4.2273 2.1136 0.2365 -3.3414 2.6412
ME -0.2242 -0.0553 4.5965 2.2982 0.2175 -3.8044 3.1488
CN -0.2483 -0.0873 4.3799 2.1899 0.2283 -4.5666 4.7612
CF3 -0.2460 -0.0758 4.6327 2.3163 0.2158 -4.3801 4.1412
CHO -0.2444 -0.0893 4.2194 2.1097 0.2369 -4.5416 4.8884
COOH -0.2418 -0.0813 4.3685 2.1842 0.2289 -4.3973 4.4264
NO2 -0.2545 -0.1051 4.0651 2.0325 0.2459 -4.8930 5.8895
N-isomer
HOMO LUMO E S
H -0.2092 -0.0381 4.6550 2.3275 0.2148 -3.3653 2.4330
F -0.2109 -0.0401 4.6477 2.3238 0.21515 -3.4161 2.5109
Cl -0.2140 -0.0471 4.5407 2.2703 0.2202 -3.5542 2.7820
Br -0.2135 -0.0475 4.5171 2.2585 0.2213 -3.5516 2.7925
OH -0.1976 -0.0312 4.5255 2.2627 0.2209 -3.1142 2.1430
NH2 -0.1853 -0.0256 4.3456 2.1728 0.2301 -2.8719 1.8979
ME -0.2041 -0.0351 4.5968 2.2984 0.2175 -3.2554 2.3054
CN -0.2252 -0.0695 4.2360 2.1180 0.2360 -4.0116 3.7991
CF3 -0.2223 -0.0569 4.5007 2.2503 0.2221 -3.8009 3.2098
CHO -0.2212 -0.0735 4.0202 2.0101 0.2487 -4.0109 4.0017
COOH -0.2188 -0.0645 4.1990 2.0995 0.2381 -3.8562 3.5415
NO2 -0.2301 -0.0918 3.7628 1.8814 0.2657 -4.3816 5.1021
این مقادیر نشان می دهند مقادیر انرژی HOMOو LUMO در استخلاف های مولکولی کاهش می یابد، به جز OH,NH2،Me = x. همچنین این مقادیر درایزومر پایدارتر کاهش می یابد. شکل 3-5رابطه خطی بین انرژی اوربیتال مرزی و مقادیر ثابت هامت را ارائه می دهد.

شکل (3-5)رابطه اوربیتال جبهه ای با انرژی نسبی.جدول 3-3 شکاف HOMO-LUMO تمامی ساختارها را نمایش می دهد. این مقادیر جایگزینی از علل کاهش شکاف انرژی را از سوی دیگر محاسبات شکاف مقادیری را نشان می دهد، که این مقادیر افزایش پیدا می کند در ایزومر پایدارتر، همانطور که انتظار می رود از اصول انرژی حداقل و حداکثر سختی در اکثر موارد انتظاری می رود (به جز OH، NH2 = x و جدول 3-3) ارتباط خوبی در میان مقادیر سختی نسبی با مقادیر ثابت وجود دارد. (شکل3-6)

شکل (3-6)رابطه بین مقادیر سختی و ثابت هامت (به جز OH,Me,NH2 )به منظور ارزیابی پتانسیل شیمیایی ()از این کمپلکس ها، این مقایر را می توان از انرژی های اوربیتال HOMOو LUMO با استفاده از بیان تقریبی زیر محاسبه کرد(23)و(24):
=(HOMO + LUMO)/2
این مقادیر نشان می دهد که ایزومر پایدارتر دارای پتانسیل شیمیایی کمتری است.
برای محاسبه الکترو فیلیسیتی از این کمپلکس ها، شاخص، با استفاده از عبارت زیر محاسبه می شود:
ω=μ22ηمقادیر شاخص الکترو فیلیسیتی در جدول 3-3 نشان می دهد ایزومر پایدارتر بزرگترین الکترو فیلیسیتی را دارد.
3-5تجزیه و تحلیل ساختاریشکل هندسی بهینه سازی شده رنگسازی های دارای بورازین مورد مطالعه در کار با برچسب زدن اتم در شکل3-1 نشان داده شده است. همه مولکول های مورد مطالعه اساساً غیر مسطح هستند. جدول 3-4 نشان می دهد داده های ساختاری انتخاب شده برای ساختارهای بهینه شده با گروه های مختلف x.
این مقادیر نشان می دهد که باندهای C1C2، C3C4، C5C6 بلندتر هستند در حالی که باندهای B1N2 و B3N3 کوتاه ترند. این تغییرات در طول باند نشان می دهد سهم بیشتر ساختار رزونانسی یونی ناآروماتیک را نشان می دهد.
جدول (3-4)حداکثر طول موج جذب شده(max)،قدرت نوسانگر رنگسازهای دارای بورازین با گروه های مختلف xB-isomer
X B1 N1 N1B2 B2N2 N2B3 B3N3 N3B1 B1C2’ C1’C2’ C1’C1 C1C2 C2C3 C3C4 C4C5 C5C6 C6C1
H 1.439 1.428 1.429 1.430 1.427 1.438 1.559 1.345 1.469 1.404 1.391 1.392 1.396 1.388 1.406
F 1.438 1.428 1.429 1.430 1.427 1.438 1.559 1.345 1.469 1.404 1.391 1.385 1.389 1.387 1.406
Cl 1.438 1.428 1.429 1.430 1.427 1.438 1.560 1.345 1.469 1.403 1.391 1.389 1.393 1.387 1.405
Br 1.438 1.428 1.429 1.430 1.427 1.438 1.560 1.345 1.469 1.403 1.391 1.390 1.394 1.388 1.405
OH 1.440 1.427 1.430 1.430 1.426 1.440 1.557 1.346 1.466 1.402 1.390 1.395 1.400 1.384 1.408
NH2 1441 1.426 1.430 1.431 1.425 1.441 1.555 1.348 1.463 1.405 1.387 1.403 1.407 1.383 1.407
ME 1.439 1.427 1.429 1.430 1.426 1.439 1.558 1.346 1.468 1.402 1.392 1.396 1.403 1.386 1.406
CN 1.436 1.429 1.429 1.430 1.428 1.436 1.563 1.345 1.469 1.405 1.387 1.401 1.405 1.384 1.406
CF3 1.437 1.429 1.429 1.430 1.428 1.437 1.562 1.344 1.470 1.403 1.390 1.393 1.398 1.385 1.406
CHO 1.437 1.429 1.429 1.430 1.428 1.437 1.562 1.345 1.468 1.405 1.389 1.397 1.403 1.382 1.410
COOH 1.437 1.429 1.429 1.430 1.428 1.437 1.562 1.345 1.469 1.405 1.388 1.398 1.401 1.384 1.407
NO2 1.436 1.480 1.429 1.430 1.429 1.436 1.564 1.345 1.469 1.406 1.388 1.390 1.393 1.388 1.407
N-isomer
X N1 B1 B1N2 N2B2 B2N3 N3B3 B3N1 N1C2’ C1’C2’ C1’C1 C1C2 C2C3 C3C4 C4C5 C5C6 C6C1
H 1.445 1.424 1.428 1.429 1.425 1.447 1.417 1.340 1.468 1.405 1.391 1.393 1.395 1.389 1.406
F 1.445 1.424 1.428 1.429 1.425 1.447 1.417 1.340 1.468 1.405 1.391 1.385 1.388 1.389 1.406
Cl 1.446 1.423 1.428 1.429 1.424 1.448 1.415 1.341 1.466 1.405 1.390 1.389 1.392 1.388 1.406
Br 1.446 1.423 1.428 1.429 1.424 1.448 1.415 1.341 1.466 1.405 1.391 1.390 1.392 1.389 1.406
OH 1.444 1.425 1.428 1.428 1.426 1.446 1.420 1.340 1.467 1.403 1.391 1.394 1.398 1.386 1.408
NH2 1.443 1.425 1.428 1.428 1.427 1.445 1.421 1.340 1.466 1.404 1.388 1.402 1.404 1.386 1.406
ME 1.444 1.425 1.428 1.429 1.425 1.446 1.418 1.340 1.467 1.402 1.392 1.396 1.402 1.387 1.407
CN 1.448 1.422 1.428 1.430 1.422 1.450 1.411 1.343 1.463 1.407 1.386 1.402 1.405 1.384 1.409
CF3 1.447 1.423 1.428 1.430 1.423 1.449 1.413 1.342 1.465 1.405 1.389 1.393 1.397 1.386 1.408
CHO 1.448 1.422 1.428 1.430 1.423 1.450 1.412 1.343 1.462 1.407 1.388 1.397 1.404 1.381 1.413
COOH 1.447 1.423 1.428 1.430 1.423 1.449 1.413 1.342 1.464 1.407 1.387 1.398 1.401 1.383 1.409
NO2 1.449 1.422 1.428 1.430 1.422 1.451 1.410 1.343 1.462 1.409 1.386 1.391 1.394 1.384 1.410
3-6طیف های الکترونیشدیدترین انتقال الکترونی (max) از مولکولها را یافتیم. طول موج، مقاومت نوسانگر، ترکیب انتقالات توسط محاسبات TD-DFT به دست آمده در جدول 3-5داده شده است. این محاسبات نشان دهنده کاهش max در ایزومر B هست.
جدول (3-5)مقادیر اجزا و tot(10-30 esu) رنگسازهای دارای بورازین با گروه های مختلف xN-isomer B-isomer
Character max f max F
H HOMOLUMO 286.95 0.6877 277.81 0.8117
F HOMOLUMO 288.60 0.5803 279.87 0.7579
Cl HOMOLUMO 294.37 0.7667 286.60 0.8986
Br HOMOLUMO 296.29 0.8082 290.02 0.9224
OH HOMOLUMO 296.39 0.5979 290.45 0.8057
NH2 HOMOLUMO 308.24 0.6218 306.66 0.8390
ME HOMOLUMO 290.82 0.7622 283.37 0.9175
CN HOMOLUMO 309.30 0.9708 295.71 0.9774
CF3 HOMOLUMO 294.60 0.8166 281.36 0.8660
CHO HOMOLUMO 323.59 0.9312 306.52 0.9179
COOH HOMOLUMO 313.42 0.9459 298.05 0.9504
NO2 HOMOLUMO 352.16 0.6839 326.03 0.6617
یک ارتباط خوب بین pوmax(=max, N-isomer -max, B-isomer) وجود دارد برای تمامی استخلاف ها، به جز Br و CN و Cl = x (شکل 3-7) شدیدترین انتقال الکترونی برای همه مولکول ها به انتقالات HOMO-LUMO نسبت داده می شود.

شکل (3-7)رابطه بینmax(=max, N-isomer -max, B-isomer) و ثابت هامت(p)،به جز (Cl, CN, Br).3-7فوق قطبش پذیریاولین مقادیر فوق قطبش پذیری استاتیک(tot) برای همه مولکول ها در جدول 3-6 نشان داده شده است.
جدول (3-6) اجزاء و مقادیر tot(10-30 esu) برای رنگسازهای دارای بورازین با گروهای مختلف X-B-isomer
X H F Cl Br Me NH2 CN COOH CHO NO2 CF3 OH
βXXX 27.92 26.61 21.49 20.99 29.33 57.02 15.42 4.93 68.14 3.67 10.33 48.85
βXXY -9.91 -13.85 -11.08 -10.08 -33.26 -24.01 -6.88 -1.79 -25.08 -4.08 -7.31 -21.73
βXYY 4.12 1.54 -0.66 0.10 10.95 7.76 -1.39 3.56 14.93 3.49 1.20 4.83
βYYY 4.43 7.11 10.78 9.09 16.90 10.21 7.00 0.90 -5.81 3.09 3.94 3.26
βXXZ -42.46 -46.68 -19.80 -7.01 -63.98 -78.85 -6.25 20.84 -24.35 22.80 0.61 -65.60
βXYZ 22.02 30.45 21.38 13.69 22.40 35.23 14.20 0.84 23.86 -1.27 14.17 39.39
βYYZ 17.17 21.99 33.30 37.40 -13.14 32.28 43.58 47.38 30.67 47.21 41.22 24.84
βXZZ -73.27 -125.84 -127.38 -144.89 -119.27 -341.15 49.14 127.63 158.15 247.97 -0.65 -214.01
βYZZ 44.32 74.29 86.67 94.46 76.66 298.37 -25.12 -83.97 -92.64 -156.04 -0.49 96.98
βZZZ 702.19 1222.74 1411.03 1642.97 1291.75 3344.65 -265.34 -959.81 -1360.79 -2515.21 192.77 2159.49
βtot 5.87E-30 1.04E-29 1.24E-29 1.45E-29 1.05E-29 2.87E-29 2.06E-30 7.83E-30 1.19E-29 2.13E-29 2.03E-30 1.84E-29
βtot10-30 5.87 10.4 12.36 14.52 10.53 28.7 2.06 7.83 11.93 21.28 2.03 18.37
X H F Cl Br Me NH2 CN COOH CHO NO2 CF3 OH
βXXX 247.31 -62.44 -70.46 -71.57 -72.78 -52.44 -78.01 -84.23 -28.74 -83.25 -73.97 -54.15
βXXY 56.14 1.42 8.41 10.24 -10.93 0.55 19.91 25.08 1.05 23.13 18.90 -7.18
βXYY -118.15 6.78 -0.60 -1.83 14.06 10.16 -6.89 -4.92 5.59 -2.67 -7.83 9.90
βYYY 10.69 1.80 9.41 11.30 14.80 10.00 4.63 1.12 -4.83 2.69 5.99 1.17
βXXZ -16.83 130.47 168.08 183.09 121.68 124.45 205.88 231.36 196.48 2.22 191.36 124.20
βXYZ 55.60 32.42 15.30 6.60 15.46 46.48 -19.69 -35.69 -19.04 -47.56 -14.32 48.57
βYYZ -4.49 -3.04 16.05 20.13 -32.96 -17.82 33.65 33.20 21.67 41.72 31.66 -9.35
βXZZ -24.05 -10.19 13.26 10.97 -1.53 -104.13 152.54 207.31 219.93 324.39 81.17 -56.11
βYZZ 1.08 10.43 -1.62 -0.20 1.07 172.54 -117.38 -169.26 -174.82 -266.02 -73.68 27.66
βZZZ 7.03 234.41 79.71 157.52 59.52 1848.99 -2007.88 -2856.46 -3397.78 -5040.28 -1030.40 979.37
βtot 1.09E-30 3.18E-30 2.34E-30 3.17E-30 1.38E-30 1.70E-29 1.53E-29 2.25E-29 2.76E-29 4.33E-29 6.99E-30 9.50E-30
βtot10-30 1.09 3.18 2.34 3.17 1.38 17.02 15.31 22.45 27.57 43.27 6.99 9.5
N-isomer
نتایج نشان می دهد که بزرگی اولین تنسور فوق قطبش پذیری همه مولکول ها نسبتاً متوسط است و NO2 و NH2 بیشترین مقدار ایزومر N و B را به ترتیب دارند. همچنین این مقادیر نشان می دهد اولین مقدار فوق قطبش پذیری ایزومر بیشتر از ایزومر B با خروج استخلافات هستند. از سوی دیگر این مقادیر ایزومر N کمتر از ایزومر β با استخلافات دهنده هستند.
یک ارتباط خوب بین tot و max در ایزومر N برای همه استخلافات نشان داده شده است (شکل 3-8). اما ارتباط مشابهی در ایزومر B برای استخلاف های دهنده و خارج کردن استخلاف ها وجود دارد.

شکل (3-8)رابطه بین اولین قطبش پذیری(tot) و max.
نتیجه کلی:مطالعه خواص الکتریکی، ساختاری، اسپکتروسکوپی و همچنین به عنوان اولین فوق قطبش پذیری استاتیک رنگسازها دارای بورازین نشان داد پایداری ایزومر B از گونه N بیشتر است. کاهش مقادیر قطبش همسانگرد و ناهمسانگرد و افزایش مقادیر شکاف HOMO-LUMO در کمپلکس های پایدار ناسازگار با اصول انرژی حداقل و قطبش حداقل در اکثر موارد بود (به جز OH،NH2 = x).
محاسبات نشان داد که شدیدترین جهش الکترونی با توجه به انتقال HOMOLUMO در همه مولکول هاست.
مطالعات تئوری نشان داد استخلاف های گیرنده (پذیرنده) باعث افزایش مقادیر اولین فوق قطبش پذیری در ایزومر N نسبت به ایزومر B می باشد، این مقادیر در ایزومر N کمتر از ایزومر B با استخلاف دهنده است.

کارهای آیندهبر اساس مطالعه انجام شده و نتیجه های به دست آمده می توان کارهای زیر را در ادامه این مطالعه پیشنهاد نمود:
بررسی اثر نوع مجموعه پایه،روش محاسباتی بر روی ساختارهای مورد نظر.
بررسی اثر حلال بر روی خواص و ساختار گونه های بررسی شده.
بررسی ساختارو خواص دیگر رنگسازهای دارای حلقه آروماتیک معدنی.
بررسی اثر طول زنجیر کربن-کربنی بر روی ساختار و خواص رنگساز.

مراجع ADDIN EN.REFLIST (1) C. D.Dimitrakopolous,; P.Malenfant, Adv. Mater.14(2002)pp 99-114.
(2) D. R.Kanis,; M. A.Ratner,; T. J.Marks, Journal of Organometallic Chemistry 614–615 (2000) pp 309–313(3) P. J.Mendes,; T. J. L.Silva,; A. J. P.Carvalho,; J. P. P.Ramalho, Journal of Molecular Structure: THEOCHEM (2010)pp 33–42.(4) D.Avcı,; A.Basoglu,; YAtalay, Struct Chem (2010)pp227-234.(5) M.Medved,; S.Budzák,; I. Cernušák, Journal of Molecular Structure: THEOCHEM ,961 (2010),pp194-201.
(6) W.Bartkowiak,; K.Strasburger, Journal of Molecular Structure: THEOCHEM 960 (2010) pp 93–97 .
(7) Souza, L. A. D.; Jr., A. M. D. S.; Junqueira, G. M. A.; Carvalho, A. C. M.; Santos, H. F. D. Journal of Molecular Structure: THEOCHEM (2010), 92-101.(8) A.Karton,; M. A.Iron,; M. E. v. d.Boom,; J. M. LMartin,. J. Phys. Chem. A (2005)pp109-113.
(9) P. C.Ray, Chemical Physics Letters (2004)pp, 354-359.(10) A.Hameed,; A.Rybarczyk-Pirek,; J.Zakrzewski, Journal of Organometallic Chemistry (2002)pp 315-317.
(11) M. J.Frisch,; G. W.Trucks,; H. B.Schlegel,; G. E.Scuseria,; M. A.Robb,; J. R.Cheeseman, Gaussian, Inc., Pittsburgh PA, (2003).(12) J. S.Dewar, M.; C. H.Reynolds, J. Comp. Chem.(1986),pp141-146.(13) K.Raghavachari,; J. A.Pople,; E. S.Replogle,; M.Head-Gordon, J. Phys. Chem. A (1990)pp 94-101.(14) A. D.McLean,; G. S.Chandler, J. Chem. Phys. (1980)pp 72-77.(15) R.Krishnan,; J. S.Binkley, R.Seeger, J. A.Pople, J. Chem. Phys. (1980)pp645- 650.(16) A. D.Becke, J. Chem. Phys (1993)pp 98-104.(17) D. A.Keleiman, Phy. Rev. (1962) pp 126-129.
(18) E.Runge, E. K. UGross,. Phys. Rev. Lett. (1984)pp 52-59.(19) J.March, Advanced Organic Chemistry; 3rd ed ed.; John Wiley & Sons: New York 1985.(20) C. R.Zhang,; H. S.Chen,; G. H.Wang, Chem. Res. Chinese (2004)pp 20-28.(21) Cheng, H.; Feng, J.; Ren, A.; Liu, J. Acta Chim. Sin. 2002, 60, 830.(22) Roy, D. R.; Chattaraj, P. K. r. J. Phys. Chem. A 2008, 112, 1612.(23) Pearson, R. G. Chemical Hardness; Wiley-VCH: Oxford, 1997.(24) Parr, R. G.; Yang, W. Density-Functional Theory of Atoms and Molecules; Oxford University Press: New York, 1989.(25) M. Hofmann, P.v.R. Schleyer, Inorg. Chem. 1999, 38, 652; (b) M. Unverzagt, H.J. Winkler, M.Brock, M. Hofmann, P.v.R. Schleyer, W. Massa, A. Berndt, Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 1997, 36, 853.(26)P . von R. Schleyer, C. Maerker, A. Dransfeld, H. Jiao, N. J. R. Van Eikema-Hommes, J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 6317.
(27)K.Michatl .Cyrañski, M.Tadeusz. Krygowski, M. Wisiorowski, Nicolaas J. R. van Eikema Hommes, Paul von Ragué Schleyer, Angewandte Chemie internl. Ed., (1998) pp 37-41.
(28) P. Von, R. Schleyer, H. Jiao, N. J. R. Van Eikema-Hommes, V. G.Malkin, O. L. Malkina, J. Am. Chem. Soc. (1997)pp 119-224.
(29)C. Corminboeuf, Th. Heine, G.Seifert, P.von Ragué Schleyer and Jacques Weber,  Phys. Chem. Chem. Phys., (2004)pp 273-284.
(30) C. Corminboeuf, Th. Heine, G.Seifert, P.von Ragué Schleyer and Jacques Weber,  Phys. Chem. Chem. Phys., (2004)pp 273-284.
(31) C R. Miao, G. Yang, C. Zhao, J. Hong, L. Zhu, J. Mol. Struct.:(THEOCHEM), (2005)pp 715-722.
(32)V. G.Malkin,; O. L.Malkina, L. A.Eriksson,; D. R. Salahub, J .Am. Chem. Soc. (1994)pp 116-124.
(33) (a)W. H. Flygare, Chem. Rev. 1974, 74, 653. (b)D. H. Hutter, W. H. Flygare, Top. Curr. Chem. (1976)pp 63-69.
(34) T. A. R. FKeith,. W. Bader, Chem. Phys. Lett. (1993)pp 210-223.
(35) H. J. Dauben, Jr., J. D.Wilson, J. L. Laity, J. Am. Chem. Soc. (1968)pp 90-95.
(36) The delocalization index is a measure of the number of electrons that are shared or exchanged between two atoms or basins. Integration of the Fermi hole density leads to the localization index (LI) and delocalization index. For more information see F--era, X.; Austen, M. A.; Bader, R. F. W.; J. Phys. Chem. A 1999, 103, 304; Merino, G.; Vela, A.; Heine, T.; Chem. Rev. (2005)pp 105-114.
(37) (a)R. W. F. Bader. Atoms in molecules: A quantum Theory; Claredon: Oxford, 1990.(b) R. W. F. Bader. Acc. Chem. Res. 1985,18, 9.(c) R. W. F. Bader. Chem. Rev. (1991)pp 91-98.
(38)J.Poater,; Solà, M., Duran, M.; F--era, X.; J. Chem.Phys.A (2001)pp 105-111.
(39) J.Poater,; X.F--era,; M.Duran,; M.Solà,; Chem. Eur. J. (2003)pp 422-426.
(40)density, degeneracy and delocalization-bases index of aromaticity
Caio L. Firme, Sergio E. Galembeck, O. A. C. Antunesa and Pierre M. Esteves J. Braz. Chem. Soc., (2007)pp 18-24.
(41)(a) P.v.R. Schleyer. Chem. Rev 2001,101,1115.(b)T.M. Krygowski, B. T. Stepiern, Chem. Rev., (2005) pp105-109.
(42)Stock A., Pohland E (1926). "Boric acid solution, VIII Regarding knowledge of B2H6 and B5H11".HYPERLINK "http://en.wikipedia.org/wiki/Berichte"Berichte (59): 2210–2215.
(43)Polymeric precursors to boron based ceramics Larry G. Sneddon, Mario G. L. Mirabelli, Anne T. Lynch, Paul J. Fazen, Kai Su, and Jeffrey S. Beckdon, Pure & Appl. Chem., 63, (1991)pp 407-413.
(44)Jong-Kyu Jeon, Yuko Uchimaru, and Dong-Pyo Kim Inorg. Chem., 43 ,(2004)pp 479-488.
(45)M. L. H.Green,; S. R.Marder,; M. E.Thompson,; J. A.Bandy,;Bloor, D.; P. V.Kolinsky,; R. J. Jones, Nature (London) (1987)pp 360-362.
(46)A. Karton, A.Mark Iron, E.Milko. van der Boom,* and Jan M. L. M J. Phys. Chem. A 2005, 109, 5454-5462, and references in it
(47) R. W. Boyd, Nonlinear Optics, 2nd ed.; Academic Press: SanDiego, CA, 2003.(53) Dalton, L. R. J. Phys.: Condens. Matter 2003, 15, R897-R934.(54) van der Boom, M. E. Angew. Chem., Int. Ed. 2002, 41, 3363-3366.(55) van der Boom, M. E.; Marks, T. J. Layer-by-Layer Assembly of
Molecular Materials for Electrooptical Applications. In Polymers forMicroelectronics and Nanoelectronics; Lin, Q., Ed.; ACS Symposium Series
874; American Chemical Society: Washington, DC, 2004; pp 30-43.
(48)risch, M. J.; Trucks, G. W.; Schlegel, H. B.; Scuseria, G. E.; Robb, M. A.; Cheeseman, J. R.; Montgomery, J. A.; Jr.; Vreven, T.; Kudin, K. N.; Burant, J. C.; Millam, J. M.; Iyengar, S. S.; Tomasi, J.; Barone, V.; Mennucci, B.; Cossi, M.; Scalmani, G.; Rega, N.; Petersson, G. A.; Nakatsuji, H.; Hada, M.; Ehara, M.; Toyota, K.; Fukuda, R.; Hasegawa, J.; Ishida, M.; Nakajima, T.; Honda, Y.; Kitao, O.; Nakai, H.; Klene, M.; Li, X.; Knox, J. E.; Hratchian, H. P.; Cross, J. B.; Adamo, C.; Jaramillo, J.; Gomperts, R.; Stratmann, R. E.; Yazyev, O.; Austin, A. J.; Cammi, R.; Pomelli, C.; Ochterski, J. W.; Ayala, P. Y.; Morokuma, K.; Voth, G. A.; Salvador, P.; Dannenberg, J. J.; Zakrzewski, V. G.; Dapprich, S.; Daniels, A. D.; Strain, M. C.; Farkas, O.; Malick, D. K.; Rabuck, A. D.; Raghavachari, K.; Foresman, J. B.; Ortiz, J. V.; Cui, Q.; Baboul, A. G.; Clifford, S.; Cioslowski, J.; Stefanov, B. B.; Liu, G.; Liashenko, A.; Piskorz, P.; Komaromi, I.; Martin, R. L.; Fox, D. J.; Keith, T.; Al-Laham, M. A.; Peng, C. Y.; Nanayakkara, A.; Challacombe, M.; Gill, P. M. W.; Johnson, B.; Chen, W.; Wong, M. W.; Gonzalez, C.; Pople, J. A. Gaussian 03, Revision B.03; Gaussian, Inc., Pittsburgh PA,: 2003.
(49)R. Ditchfield, W. J. Hehre, J. A. Pople, J. Chem. Phys 54 (1971) pp 724-733.
(50)P. C. Hariharan, J. A. Pople, Mol. Phys 27 (1974) 209-212.
(51)M. S. Gordon, Chem. Phys. Lett. 76 (1980) pp 163-175.
(52) C. C. J. Roothan, "New Developments in Molecular Orbital Theory," Rev. Mod.Phys. 23, (1951).pp69-77.(53) J. A. Pople and R. K. Nesbet, "Self-Consistent Orbitals for Radicals," J. Chem. Phys. 22, (1954) pp571-584.
(54) R. McWeeny and G. Dierksen, J. Chem. Phys., (1968)pp49-56.

نمونههایی از فایلهای ورودی فایل ورودی برای بهینه کردن ساختار و محاسبه فرکانسهای ارتعاشی و فوق قطبش پذیری
%chk=o1-OH.chk
%mem=6MW
%nproc=1
# rb3lyp/6-311g(d,p) opt freq
Title Card Required
0 1
B
N 1 B1
B 2 B2 1 A1
N 3 B3 2 A2 1 D1 0
B 4 B4 3 A3 2 D2 0
N 1 B5 2 A4 3 D3 0
H 1 B6 2 A5 3 D4 0
H 2 B7 1 A6 6 D5 0
H 3 B8 2 A7 1 D6 0
H 4 B9 3 A8 2 D7 0
H 5 B10 4 A9 3 D8 0
C 6 B11 1 A10 2 D9 0

–337

1-3-1- قالب‎زنی کووالانسیروش قالب‎زنی کووالانسی نیازمند سنتز مشتق قابل پلیمریزه شدن مولکول الگو است. پیوندهای کووالانسی طوری انتخاب می‎شوند که شکست آنها بعد از پلیمریزاسیون ممکن باشد. پس از مرحله گسست گروه‎های عاملی با مولکول قالب‎گیری شده مجددا از طریق تشکیل پیوند کووالانسی یا برهمکنش‎های غیر کوولانسی برهمکنش میدهند. بعضی از پیوندهای کووالانسی رایج برای این هدف کربوسیلیک اسیدها، استرهای برونئیک، کتال‎هاو بازهای شیف میباشند. در این زمینه کمپلکس‎های فلزی نیز دخیل هستند که می‎توانند به ملکول‎های الگو متصل و آنها را جهتدهی کنند[9]. مثالهای از نوع لیگاند، کمپلکسهای کووالانسی و مولکول الگو در جدول (1-1) نشان داده شده است.

شکل (1-4) روش کووالانسی و غیرکووالانسی تهیه پلیمرهای قالب مولکولی[10]جدول (1-1) مثالهای از نوع لیگاند، کمپلکسهای کووالانسی و مولکول الگو[11]
center38567600جدول (1-2) مثال‎های نمونه وار از کمپلکس الگوی غیرکووالانسی[12]روش کووالانسی چندین مزیت نسبت به روش‎های غیرکووالانسی از قبیل عدم نیاز به منومر اضافی میباشد (این باعث می‎شود که تعداد پیوندهای غیر اختصاصی بین آنالیت و ماتریکس پلیمری به حداقل برسد). یک برهمکنش غیر اختصاصی در این مورد بین آنالیت وسایت پیوندی معین به وجود میآید. علاوه براین، قالب‎زنی کووالانسی سایت‎های پیوندی به خوبی طراحی شده را ایجاد می‎کنند بنابراین توزیع سایت‎های پیوندی با تمایلات متغیر به مولکول الگو کم می‎شود معایب بالقوه این تکنیک شامل مراحل اضافی لازم برای سنتز کمپلکس الگو/مونومر و گسست شیمیایی مولکول الگو از پلیمر می‎باشد. اگر پیوند مجدد که از طریق بازتشکیل پیوندهای کووالانسی تشکیل میگردد صورت پذیرد، باید سرعت باز پیوند آهسته باشد و برای برخی کاربردها نظیر جداسازی کروماتوگرافی مناسب نیست[13].
1-3-2- پلیمریزاسیون قالب‎زنی غیرکووالانسیقالب‎زنی غیرکووالانسی از برهمکنشهای ضعیفتر بین منومر عاملی و مولکول الگو و منومر شبکه کننده برای جای دادن گروه‎های عاملی و شکل دادن حفره پیوندی استفاده می‎کند. برهمکنش‎هایی که عموما بیشتر مورد استفادهاند از این قرار هستند: پیوندهای هیدوژنی[9], الکترواستاتیک[14] و برهمکنش‎های هیدروفوبی[15]. برخی مثال‎های نمونه وار از کمپلکس الگوی غیرکووالانسی در جدول (1-2) نشان داده شده است. روش غیرکووالانسی دارای مزیت سهولت نسبی اجرایی آن نسبت به روش کووالانسی است، مراحل عملی کمتری دارد و سازگاری بیشتری با روشهای اتوماتیک و ترکیبی دارد .به علاوه، نوع و شمار مولکولهای الگوی مناسب بیشتر از آنهایی است که به روش کوالانسی می‎توان تهیه کرد. اما، این روش محدود به مولکول الگو‎‎‎هایی است که بتوانند برهمکنش تا حدی قوی با مونومر‎های عاملی داشته باشند. بهعلاوه، معمولا به مقدار اضافی مونومر عاملی در مخلوط پلیمری نیاز است که نتایج دلخواه را تضمین کند. با توجه به این نیاز، پلیمرهایی که به این روش تهیه می‎شوند حاوی تعداد زیادی گروههای عاملی‎اند که در جذب‎های غیر اختصاصی شرکت می‎کنند. به این دلیل، غالباً لازم است که نسبت مولکول الگو به گروههای عاملی را بهینه کرد تا انتخابگری را حداکثر و در عین حال برهمکنش‎های غیر اختصاصی را به حداقل رساند.
1-3-3- برهمکنش شبه کووالانسی برهمکنش شبه کووالانسی که در واقع ترکیبی از خواص دو روش بالاست که مرحله قالب گونه هدف در پلیمر بر اساس پیوند محکم کووالانسی است و مرحله تشخیص گونه هدف بر اساس پیوند غیرکوالانسی میباشد.
1-4- بافت پلیمرپلیمرهای مورد استفاده در قالب زنی مولکولی با کمی استثنا، پلیمرهایی با درجه شبکهشدگی بالای خلل وفرج دار بزرگ (مشبک بزرگ) هستند. مورفولوژی پلیمر‎های ماکروپروس پیچیده است و تحت تاثیر تعدادی فاکتورهای دخیل از جمله دانسیته شبکه کننده و حلال مورد استفاده در پلیمریزاسیون است. در کوچکترین مقیاس، پلیمر متشکل ازهستههای پلیمری به هم پیوسته است. اندازه هستهها که توده پلیمری خلل و فرج دار را تشکیل میدهند بین30-10 نانومتر تغییر میکنند. این هسته‎ها درمیکرووسفرهای بزرگتر (گویچهها) با اندازه 200-100 نانومتر مجتمع می‎شوند. این میکوسفرها مجتمعهای بزرگتری را تشکیل می‎دهند که انداره آنها می‎تواند به چندین میکروون برسد. حفرات در پلیمر یا ماکروپروس در عمل متشکل از فضاهای خالی بین تجمعات بزرگ (ماکروپورها، بقطر 50-2 نانومتر)، یا در بین خود گویچههای یک خوشه میباشد (مزوفور، بقطر 2> نانومتر). مساحت سطح و توزیع اندازه حفرات آرایش داخلی گویچه‎ها و خوشه‎ها در پلیمر ماکروپروس را منعکس می‎کند و عمدتاً بستگی به ترکیب مخلوط پلیمری و شرایط واکنش دارد. موٌثرترین متغیرهایی که مساحت سطح وتوزیع اندازه ذرات راتعیین می‎کند درصد مونومر شبکه کننده، نوع و مقدار حلال، غلظت آغازگر رادیکالی ودمای واکنش هستند. مساحت سطح پلیمر قالبی در گستره 100-400 m2/g قرار دارد. توزیع اندازه ذرات به مقدار زیادی، به نوع ماتریس پلیمری بستگی دارد و میتواند از حفره متوسط تاحفره بزرگ، تغییر کند. حلال مورداستفاده در پلیمریزاسیون نقش مهمی درفرآیند قالبگیری دارد. حلال بر قدرت برهمکنشهای غیرکوالانسی علاوه بر مورفولوژی پلیمر اثر میگذارد. در کل، پروژنهای قطبی‎تر انتخابگری کمتری را باعث می‎شوند. اما، تاثیر حلال روی مورفولوژی پلیمرها ممکن است جبران این عقبگرد آشکار را بکند. خواص خلل و فرج‎دار بودن ماتریس پلیمری بهشدت به نوع حلال مورد استفاده بستگی دارد. پلیمرهای قالب گیری معمولاً از طریق پلیمریزاسیون توده‎ای تهیه می‎شوند. این روش یک پلیمر یکپارچه‎ای که بعداً بایستی برای جداسازی مولکول الگو انجام شود، تولید میکند. پلیمر یکپارچه به ذرات ریزتری آسیاب می‎شود تا برای استفاده تجزیه‎ای آماده شود. در مورد قالبگیری غیرکوالانسی، رهایش مولکول الگو از پلیمر غالباً توسط حلالی مثل متانول صورت میگیرد. در برخی موارد، استفاده از کمی اسید برای کمک به جدا کردن الگو مفید است. با سیستم‎های قالبگیری کوالانسی شرایط برای حذف الگو با الزاماتی جهت گسست پیوند شیمیایی الگو-مونومر تعین می‎شود[16].
1-5- پلیمرهای قالب یونیپلیمرهای قالب براساس اینکه گونه هدف مولکول باشد یا یون به دو دسته پلیمرهای قالب مولکولی و پلیمر قالب یونی تقسیم میشوند. پلیمرهای قالب یونی از هر لحاظ شبیه به پلیمرهای قالب مولکولی میباشند، با این تفاوت که گونه هدف استفاده شده در این روش پلیمریزاسیون یک یون فلزی میباشد، که بر پایهی تشکیل کمپلکس بین یون فلزی و لیگاند مناسب در فاز مایع قبل از عمل پلیمریزاسیون و سپس انجام فرآیند پلیمریزاسیون در حضور مونومرهای اتصال عرضی و آغازگر استوار است. در نتیجه پلیمر قالب یونی ایجاد شده شناسایی یونهای فلزی مورد نظر را بر عهده دارد. پلیمرهای قالب یونی نیز بر اساس لیگاند که به کار گرفته میشود به دو دسته تقسیم میشوند[17]:
الف) لیگاندهای غیرپلیمری: این لیگاندها دارای گروه وینیلی (پیوند دوگانه کربن-کربن) نیستند و در پلیمریزاسیون شرکت نمیکنند. بنابراین کمپلکس فلز-لیگاند در شبکههای پلیمری گیر میافتند.
ب) لیگاندهای پلیمری: این لیگاندها دارای گروههای وینیلی هستند که در مرحله پلیمریزاسیون شرکت میکنند و جزئی از ساختار پلیمر میشوند. اگر چه بیشتر لیگاندها از دسته اول میباشند ولی پلیمرهای قالب یونی که با استفاده از لیگاندهای دسته دوم ساخته میشوند طول عمر بیشتری دارند و این بخاطر پیوند شیمیایی لیگاند با ساختار پلیمر میباشد.
با توجه به شکل (6-1) فرآیند تولید یک پلیمر قالب یونی در سه مرحله انجام میشود که در ابتدا، گونه فلزی هدف با لیگاند مناسب تشکیل کمپلکس میدهد، در مرحله بعد، در نتیجه فرآیند پلیمریزاسیون کمپلکس ایجاد شده درون یک ماتریکس پلیمری قرار میگیرد و در آخرین مرحله، یونهای فلزی قالب شده به وسیله شستشو با اسیدهای معدنی از درون شبکه پلیمری شسته و حذف میشوند و پلیمری با خلل و فرجهایی در ابعاد میکرو یا نانو تولید میشود که به
شکل (1-6) چگونگی آماده سازی پلیمرهای قالب مولکولی و یونی[18]لحاظ اندازه، شکل و خصوصیات شیمیایی، کاملاً شبیه یون فلزی هدف میباشند[15]. این شبکههای ایجاد شده دارای گستره وسیعی از گروههای عاملی دارای جفت الکترون آزاد میباشند. یون فلزی هدف، با استفاده از اوربیتال خالی خود توانایی تشکیل پیوند با این گروههای عاملی از طریق گرفتن جفت الکترونهای آزاد گروههای عاملی درون شبکه را دارد. قدرت این برهمکنشها که عامل میل ترکیبی پلیمر و گونه هدف میباشند به ماهیت یون فلزی هدف، حالت اکسایش آن و ماهیت لیگاند بستگی دارد. مهمترین و بارزترین ویژگی پلیمرهای قالب یونی،گزینشپذیری آنها میباشد که باعث کاربرد روزافزون، آنها در شیمی تجزیه شده است. گزینشپذیری این مواد به عوامل مختلفی بستگی دارد که عبارتند از[19و20]:
1) نوع و اندازه یون قالب شده
2) نوع لیگاند
3) مقدار حلال پلیمریزاسیون و اندازه مولکولهای آن
4) تعداد گروههای عاملی اطراف یون فلزی
5) درجه پیوند عرضی اطراف یون فلزی.
1-6- مزایای پلیمرهای قالبی نسبت به جاذبهای متداول استخراج فاز جامداهمیت و کاربرد گسترده پلیمرهای قالب مولکولی و یونی به دلیل مزایایی است که این نوع جاذب ها نسبت به جاذبهای دیگر دارند از جمله این مزایا میتوان به موارد زیر اشاره کرد[21]:
گزینش پذیری بالا
درجه تخلخل بالا
تشکیل و شکست سریع پیوندها
هزینه پایین
پایداری مکانیکی بالا
مقاومت در مقابل گرما و فشار
قابل استفاده بودن در محیطهای شیمیایی سخت و خشن (به شدت اسیدی یا بازی
غیر مخرب بودن
1-7- انواع روشهای تولید پلیمرهای قالبیپلیمرها مولکولهای بزرگی هستند که از اتصال تعداد بسیاری مولکول بسیار کوچکتر ساخته شدهاند. مولکولهای کوچکی که مولکول پلیمر را به وجود میآورند مونومر نامیده میشود و پلیمریزاسیون یک واکنش شیمیایی است که در آن مولکولهای کوچک و ساده که اصطلاحاً تکپار نامیده میشوند، با یکدیگر پیوند برقرار کرده و مولکولی بزرگ با وزن مولکولی چندین برابر مولکول اولیه را به وجود میآورند. در یک مولکول پلیمر صدها، هزاران و دهها هزار و حتی تعداد زیادتری از مولکولها را میتوان یافت که به هم متصل شدهاند وزن مولکولی آنها ممکن است به میلیون ها برسد. برای بدست آوردن یک پلیمر با میل ترکیبی و گزینش پذیری بالا نسبت به گونه هدف انتخاب اجزای پلیمر و درصد ترکیب آنها از اهمیت بالایی برخوردار میباشد. مهمترین اجزای پلیمرهای قالب عبارتند از:
1-7-1- مولکول الگومولکول الگو در تمامی فرآیندهای قالب‎زنی مولکولی اهمیت اساس در جهتدهی آرایش یابی گروههای عاملی که به مونومرهای عاملی قفل میشوند، دارد. از نقطه نظر سازگاری با روش پلیمریزاسیون رادیکالی، الگو بایستی از نظر شیمیایی در شرایط پلیمریزاسیون خنثی باشد و چناچه الگو در واکنش‎های رادیکالی شرکت کند یا به هر دلیلی در شرایط پلیمریزاسیون پایدار نباشد، باید از روش‎های آلترناتیو استفاده کرد. بررسی‎های منطقی ذیل در مورد مولکول الگو باید انجام شود: (1) آیا ملکول الگو دارای گروه پلیمرشونده است؟ (2) آیا مولکول الگو دارای گروه عاملی است که بالقوه جلوی پلیمریزاسیون را گرفته یا کند کرده؟ (3) آیا مولکول الگو در برابر دمای بالا و یا نورکافت پایدار می‎ماند؟ قالب زنی مولکولهای آلی (مثل: داروها، افتکشها، اسیدهای آمینه و پپتیدها، بازهای نوکلئوتید، استروئیدها وقندها) اکنون بهخوبی تثبیت شده وتقریباً روتین است. الگوهای فعال نوری در بسیاری موارد برای بهینه کردن به کار می‎روند. در این موارد دقت ساختار قالب (حفره با سایتهای اتصالیاش) توسط قابلیت آن برای تفکیک راسمیک که میتواند به روش ناپیوسته یا با کاربرد آن پلیمر بعنوان ساپورت کروماتوگرافی سنجیده شود.
یکی از خواص دیگر روش قالب‎زنی مولکولی آنست که میتوان برای طیف گستردهای از آنالیت‎ها بهکاربرد اما همه مولکولهای الگو را نمیتوان مستقیما برای فرآیند قالب مولکولی به کار برد. غالب از مولکول‎های آلی کوچک بهعنوان الگو استفاده می‎کنند. با وجود این، روش‎های استاندارد برای ترکیبات آلی بزرگتر نظیر پروتئین‎ها، سلول‎ها، پیشنهاد شده‎اند برای ملکول‎های بزرگتر هنوز در حال تلاش‎اند. دلیل اصلی آن است که مولکول‎های بزرگتر کمتر صلب بوده و بنابرین ایجاد حفره‎های پیوندی به خوبی طراحی شده در فرایند قالب گیری را تسهیل نمی‎کنند. علاوه بر این، ساختار ثانوی و سومی بیومولکول‎های بزرگ نظیر پروتئینها وقتی که در معرض حرارت و نور شکافت حین سنتز پلیمر قالب مولکولی قرارمی‎گیرند، متـأثر میشوند. باز پیوند نیز مشکل است زیرا مولکول‎های بزرگ نظیر پپتیدها وپروتئینها براحتی برای اشغال مجدد حفره‎های گیرنده داخل شبکه پلیمری نمی‎شوند.
1-7-2- مونومر عاملیانتخاب دقیق مونومر عاملی یک اولویت مهم برای ایجاد برهمکنش‎های مکمل با مولکول الگو و سوبستراست. در مورد قالبزنی ملکولی بهروش غیرکووالانسی، اثرات تغییر نسبت مونومر عاملی به الگو نیازی نیست زیرا الگو تعداد مونومرهای عاملی که می‎توانند پیوند یابند را تعیین می‎کنند. بعلاوه، مونومرهای عاملی به نسبت استوکیومتری اتصال می‎یابند. در مورد قالب‎زنی غیرکووالانسی نسبت بهینه مونومر/الگو از طریق ارزیابی چند پلیمر ساخته شده با فورمولاسیون‎های مختلف با افزایش مقدار الگو بدست می‎آید[22]. دلیلی که برای آن تصور می‎شود .تشکیل کمپلکس محلول بین مونومر عاملی و الگو است که تحت کنترل اصل لوشاتلیه قرار دارد.

Methacrylic acid (MAA) (HEMA)2-Hydroxy ethyl methacrylate

Trans-4-[P-(N,N-Dimethylamino)styry]-N-vinylbenzylpyridinum chloride

N,N,N-trimethylaminoethyl methacrylate
Chloride
N, O-bismethacryloyl ethanolamine

شکل (1-7) ساختار شیمایی تعدادی از مونومرهای عاملی خنثی

2-(Methacryloxy)ethyl phosphate (AMPSA)
Acrylic acidTFMAA
Itaconic acid

2-(Methacryloyloxy)ethyl phosphate p-Vinylbenzoic acid
شکل (1-8) ساختار شیمایی تعدادی از مونومرهای عاملی اسیدی

4-vinylpyridine Diethylaminoethyl methacrylate

p-Aminostyrene 1-Vinylimdazole

4(5)-Vinylimdazole 2.6-Bis-acrylaamidopyridine
شکل (1-9) ساختار شیمایی تعدادی از مونومرهای عاملی بازی1-7-3- لیگاند جهت افزایش میل ترکیبی و گزینشپذیری پلیمر قالب یونی و یون هدف استفاده میشود. با توجه به یون قالب شده لیگاند مورد نظر استفاده میشود. لیگاندهای مورد استفاده در این تکنیک به دو دسته تقسیم میشوند، الف) لیگاندهای که در ساختار خود پیوند دوگانه کربن-کربن دارند و قابلیت پلیمریزه شدن دارند، ب) لیگاندهای فاقد پیوند دوگانه کربن-کربن، این لیگانده دام شیکه اتصال عرضی پلیمر گیر میافتد.
1-7-4- آغازگر بسیاری از آغازگرهای شیمیایی با خواص شیمیایی متفاوت را میتوان به عنوان منبع رادیکال‎ها در پلیمریزاسیون رادیکالی به کار برد. معمولاً به مقدار کمتری در مقایسه با مونومرها مثلاً : 1درصد وزنی یا 1درصد مولی نسبت به کل مول‎های پیوندهای دوگانه پلیمر شونده به کار برده میشود. سرعت و حالت تجزیه آغازگر به رادیکال‎ها را میتوان بهطریقی از جمله حرارت، تابش نور، وسایل الکتروشیمیایی آغاز وکنترل کرد. مثلاً، آغازگر آزوبیسایزوبوتیرونیتریل به نحو مناسبی از طریق نورکافت یا شکافت گرمایی رادیکالهای با مرکز کربن پایدار شده تولید میکند که قادر به آغاز کردن و گسترش تعداد مونومرهای وینیلی میباشد.
گاز اکسیژن پلیمریزاسیون رادیکالی آزاد را کند می‎کند، بنابراین به منظور به حداکثر رسانی انتشار مونومر بایستی باز تولید پیوسته را بهبود بخشید، حذف اکسیژن محلول بلافاصله قبل از شکل‎گیری توصیه می‎شود. حذف اکسیژن محلول با اولتراسونیک یا با عبور گاز خنثایی مانند: نیتروژن یا آرگون از محلول انجام داد.
1-7-5- مونومر اتصال دهنده عرضی به طور کلی مونومر اتصال دهنده عرضی سه وظیفه مهم برعهده دارد، اول از همه، نقش مهمی در کنترل مورفولوژی شبکه پلیمری تولید شده دارد، که نوع ذرات پلیمری (ژل، ذرات متخلخل در ابعاد ماکرو، یا پودر میکروژل) را تعیین میکند. دومین نقش آن را میتوان ایجاد پایداری برای سایتهای پیوندی قالب شده نام برد، و در آخر، نقش آن در پایداری مکانیکی شبکه پلیمری. غلظت بالای مونومر اتصال دهنده عرضی باعث شیشهای شدن پلیمر و ایجاد شبکههای متعدد و در نتیجه انتقال جرم پایین میشود و غلظت پایین آن باعث کاهش گزینشپذیری و کاهش طول عمر پلیمر قالب یونی میشود. از نقطه نظر پلیمریزاسیون جهت دستیابی به ذراتی باتخلخل دائم، همچنین تولید ذراتی با پایداری مکانیکی بالا، نسبتهای بالایی از مونومر اتصال دهنده عرضی مصرف میشود[23].
1-8- شرایط پلیمریزاسیونچندین تحقیق نشان داده است که پلیمریزاسیون پلیمرهای قالب ملکولی در دماهای پایین پلیمرهای با انتخابگری بیشتری نسبت به پلیمرهای که در دماهای بالاتر سنتز می‎شوند دارند. معمولاٌ بیشتر از دمای 60 درجه سانتی‎گراد به عنوان دمای پلیمریزاسیون استفاده می‎کنند اما آغاز واکنش پلیمریزاسیون خیلی سریع است به همین دلیل کنترل آن خیلی مشکل است که همین منجر به تکرارپذیری کمتر قالب‎زنی مولکولی می‎شود. به علاوه دماهای نسبتاٌ بالا یک اثر منفی بر روی پایداری کمپلکس دارد که تکرارپذیری فازهای ساکن یکپارچه را کاهش می‎دهد و در ستون‎های کروماتوگرافی باعث کاهش فشار زیاد ستون می‎شود، بنابراین دمای نسبتاٌ پایین با زمان طولانی‎تر واکنش انتخاب می‎شود تا پلیمریزاسیون تکرارپذیرتر بهدست آید. در جاهای که تشکیل کمپلکس توسط تشکیل پیوند هیدروژنی تشگیل می‎شود دماهای پایین‎تر ترجیح داده می‎شود و تحت این شرایط آغازگرهای فتوشیمیایی به خوبی جایگزین می‎شود، و به خوبی در دماهای پایین اجرا میشود. برای مثال مسباخ و همکارانش [24] تحقیقی را بر روی انتخابگری پلیمر قالب‎زنی انانتیومر 1-PheNHPh نشان دادند، یک پلیمر به طور حرارتی در دمای 60 درجه سانتی گراد وپلیمر دیگر در دمای صفر درجه سانتی‎گراد پلیمر شد. نتایج نشان دادند که پلیمری که در دمای پایین‎تر انجام شد نسبت به پلیمری که به طور حرارتی تهیه شده بود گزینشپذیرتر است. دلیل این امر بر اساس اصل لوشاتلیه که پیش بینی میکند که در دماهای پایین‎تر تشکیل کمپلکس قبل از پلیمریزاسیون بهتر پایدارتر است. بنابراین تعداد و احتمال و کیفیت سایتهای پیوندی را افزایش می‎دهد[25].
1-9- روشهای پلیمریزاسیونروشهای پلیمریزاسیون را بصورتهای مختلفی میتوان دسته بندی نمود. بر اساس امکان تشکیل مولکول دیگری غیر از پلیمر دو دسته هستند:
1-9-1- پلیمرهای تراکمیپلیمرهای تراکمی ترکیباتی هستند که از مونومرهای چندعاملی توسط انواع گوناگون واکنشهای تراکمی در شیمی آلی حاصل میشوند این واکنشها با حذف مولکولهای کوچکتری چون آب همراه میباشند.
1-9-2- واکنشهای پلیمریزاسیون زنجیرهایدر پلیمریزاسیونهای زنجیرهای وجود یک مرکز فعال برای شروع واکنش لازم و ضروری میباشد. به همین دلیل در این نوع واکنشها حضور شروع کننده عمدتاً ضروری است. نوع شروع کننده خصوصیات مرکز فعال را تعیین میکند. این مرکز فعال میتواند رادیکال آزاد، کاتیون، آنیون و یا مراکز یونی ویژه مانند کاتالیزورهای کوردینانسیونی باشد. براساس محیط انجام واکنش، امروزه در تکنولوژی پلیمرهای قالب مولکولی از چندین نوع روش پلیمریزاسیون استفاده میکند، که عبارتند از: پلیمریزاسیون تودهای، پلیمریزاسیون محلولی، پلیمریزاسیون تعلیقی، پلیمریزاسیون امولسیونی و پلیمریزاسیون تهنشینی.

شکل (1-10) انواع پیونددهندههای عرضی.ادامه شکل (1-10)
1-9-2-1- پلیمریزاسیون تودهایدر این روش مونومرها و آغازگر بدون حلال یا با غلظت بالا فرآیند پلیمریزاسیون را انجام میدهند. پلیمریزاسیون جرمی و یا تودهای یکی از ساده ترین فرآیندهای پلیمریزاسیون است و نیاز به مهارت خاصی ندارد و به علت عدم مصرف مواد افزودنی، ناخالصی در این گونه سیستم ها ناچیز بوده و بنابراین به دستگاههای تخلیص کننده خاص احتیاجی نیست. با توجه به موارد فوق، پلیمریزاسیون تودهای پرکاربردترین روش در سنتز پلیمرهای قالب یونی محسوب میشود، با این وجود، عملیات خرد کردن و آسیاب کردن، همچنین غربال کردن ذرات پلیمری حاصل برای به دست آوردن ذراتی بااندازه مناسب (معمولا قطری در محدوده 20 تا 100 میکرومتر) در این روش، اغلب خسته کننده و وقت گیر بوده و منجر به تولید ذراتی میشود که به لحاظ شکل و اندازه نامنظم میباشند. همچنین ممکن است تعدادی از مکانها و حفرات فعال در طول عملیات آماده سازی ذرات پلیمری تخریب شوند. همچنین در این روش، هنگام انجام پلیمریزاسیون، ویسکوزیته افزایش یافته و این امر مشکلاتی را در حمل ونقل محصول به وجود میآورد. همچنین، به دلیل این که واکنشهای زنجیرهای عموماً گرمازا هستند و افزایش ویسکوزیته از خروج گرما جلوگیری میکند، گرمای بیش از حد در برخی قسمتهای محصول ایجاد شده و سبب زغال شدن و تخریب آن میگردد. به همین دلیل، علیرغم مزایای این روش و انتخاب آن به عنوان روش برگزیده تهیه آزمایشگاهی، پلیمریزاسیون تودهای کاربرد زیادی در صنعت ندارد[26و27]. نمونهای از پلیمر تهیه شده با این روش در شکل (1-11) نشان داده شده است.
جدول (1-3) خلاصه پلیمرهای قالب تهیه شده به روشهای مختلفمعایب مزایا نوع پلیمیریزاسیون
روش خسته کننده است، وقت گیر بوده، ذراتی تولید می شود که به لحاظ شکل و اندازه نامنظم می باشند. روشی ساده است، نیاز به مهارت خاصی ندارد، ناخالصی ناچیز بوده. تودهای
عاری کردن محصول از ذرات بسیار ریز حلال در پایان سخت است، انتخاب حلال کاملاً بی اثر سخت است، طولانی شدن زمان انجام کامل واکنش. انتقال حرارت کم، بوجود آمدن پدیده ژل در این سیستم ها ناچیز است، کنترل دمایی با سهو لت بیشتری انجام میشود. پلیمریزاسیون محلولی
شرایط پلیمریزاسیون بدقت کنترل شود، حلال مصرفی در این روش زیاد است، زمان پلیمریزاسیون طولانی. گرمای کمتری تولید می شود، در مقیاس های صنعتی بیشتر استفاده می شود، ذرات پلیمری کروی شکل می شود. پلیمریزاسیون رسوبی
آب با بیشتر تولیدات قالبی ناسازگار است، جزءبندی فازهای سیستم سخت است، سورفکتانت ویژه پلیمریزاسیون مورد نیاز است. کروی بودن اندازه ذرات، کوچک بودن اندازه ذرات، فاز پیوسته عموماً آب است.
پلیمریزاسیون امولسیونی
همزدن مکانیکی و حضور عوامل معلق کننده برای معلق نگاه داشتن مونومر ضروری می باشد، اندازه و میزان تخلخل ذرات پلیمری با تغییر شرایط پلیمریزاسیون قابل تنظیم میباشد، تولید ذرات کروی شکل به حالت انبوه و متراکم، روشی مؤثر است زیرا تعداد زیادی از قطرات ریز با این روش پلیمریزه میشوند. پلیمریزاسیون تعلیقی
center46200
شکل (1-11) پلیمریزاسیون تودهای [27]شکل (1-12) پلیمریزاسیون تعلیقی[27]1-9-2-2- روش پلیمریزاسیون محلولیبرای رفع مشکلات موجود در پلیمریزاسیون تودهای ، از روش پلیمریزاسیون محلولی استفاده میشود. در این روش، مونومر و پلیمر هر دو در یک حلال، محلول بوده و به علت وجود محیط حلالی، ویسکوزیته مخلوط نسبت به پلیمریزاسیون تودهای کمتر است که در نتیجه نه تنها اختلاط بهتر انجام گرفته و کارآیی شروع کننده افزایش مییابد، بلکه مسائلی مانند انتقال حرارت کم و بوجود آمدن پدیده ژل در این سیستم ها ناچیز است. به همین دلیل میتوان در این گونه سیستم ها به مقادیر تبدیل بالاتری رسید.به عبارت دیگر، از روشهای غلبه بر مشکلات موجود در پلیمریزاسیون تودهای ، حل کردن مونومر در یک حلال مناسب است. از آنجا که در این روش، در مقایسه با پلیمریزاسیون تودهای ، کنترل دمایی با سهولت بیشتری انجام میشود، مشکلات مربوط به گرمازا بودن واکنش، رفع خواهد شد. به عبارت دیگر در این روش به دلیل این که مونومر با یک مایع بیاثر رقیق میشود، کنترل دمای واکنش بسیار آسانتر خواهد شد. گرمای حاصل از واکنش را میتوان با بازگرداندن و یا رفلاکس حلال، از محیط واکشن خارج نمود. البته، معایبی نیز برای پلیمریزاسیون محلولی وجود دارد. عاری کردن محصول از ذرات بسیار ریز حلال در خاتمه عمل، با مشکل همراه است. انتخاب حلال کاملا بیاثر، به آسانی امکانپذیر نیست، بدین معنا که همواره انتقال زنجیر به حلال و محدود شدن وزن مولکولی محصول وجود خواهد داشت. این نکته، دارای اهمیت زیادی بوده و دلیل کاربرد کم روش محلولی در تولید پلیمرهای مهم اقتصادی است. همچنین دمای پلیمریزاسیون به نقطه جوش حلال محدود میشود و در بسیاری از موارد این مسئله منجر به طولانی شدن زمان انجام کامل واکنش میگردد. به عبارت دیگر دمای واکنش از نقطه جوش حلال به کار رفته بالاتر نخواهد رفت و این امر سرعت واکنش را محدود میکند[27و28].
1-9-2-3- پلیمریزاسیون تعلیقی (سوسپانسیونی)
در حقیقت این روش نیز برای جبران نقایص پلیمریزاسیون تودهای به کار میرود. این روش، بسیار شبیه به پلیمریزاسیون محلولی است، با این تفاوت که مونومر به جای حل شدن در یک مایع بیاثر (مانند آب) با استفاده از یک حلال پخش کننده به صورت معلق در آن در میآید. انتقال حرارت و کاهش ویسکوزیته مانند پلیمریزاسیون محلولی است، همچنین همزدن مکانیکی و حضور عوامل معلق کننده برای معلق نگاه داشتن مونومر، ضروری میباشد. این روش، روشی مؤثر است زیرا تعداد زیادی از قطرات ریز با این روش پلیمریزه میشوند. روش فوق منجر به تولید ذرات کروی شکل به حالت انبوه و متراکم میشود، و در صورتی که سیستم به اندازه کافی رقیق باشد، ذرات کره مانند متحدالشکل ریزی تولید میشوند (در محدوده 5 تا 50 میکرومتر). در این روش پلیمریزاسیون، اندازه و میزان تخلخل ذرات پلیمری با تغییر شرایط پلیمریزاسیون قابل تنظیم میباشد[27]. نمونهای از پلیمر تهیه شده با این روش در شکل (1-12) نشان داده شده است.
1-9-2-4- روش پلیمریزاسیون امولسیونیدر یک پلیمریزاسیون امولسیونی، مونومرها به صورت ذرات بسیار ریز (فاز ناپیوسته) در یک فاز پیوسته سیال، توسط عوامل پایدارکننده سطحی (به صورت معلق) از طریق واکنش رادیکال آزاد پلیمریزه میشوند. فاز پیوسته عموما آب بوده و ذرات معلق کلوئیدی در اندازهای بسیار کمتر از یک میکرون میباشند. کروی و کوچک بودن اندازه ذرات، یکی از مزایای عمده این نوع پلیمریزاسیون است. در این سیستم نیز از آب به عنوان حامل استفاده میشود. در اینجا نیز برخی عوامل معلق ساز به نام سورفکتانت به سیستم افزوده میشود. معلق سازها در واقع مایسلهایی ایجاد میکند و به این ترتیب قسمت عمدهای از مونومر را که به صورت قطرههای کوچک پراکنده میشوند انحلالپذیر میکند. رادیکالهای شروع کننده که در آب حل میشوند به درون مایسلهایی که مملو از مونومر هستند، نفوذ میکنند و پلیمریزاسیون شروع میشود. مایسلها مانند مکانهایی که در آنها مونومر به پلیمر تبدیل میشود عمل میکنند[28].
شکل (1-13) پلیمریزاسیون تهنشینی[27]1-9-2-5- پلیمریزاسیون تهنشینی (رسوبی)این روش از جمله روشهای پلیمریزاسیون هست که باعث بدست آمدن ذرات پلیمری کروی شکل میشود. دراین روش پلیمریزاسیون هنگامی که پلیمر تشکیل شده به لحاظ اندازه یا وزن به یک حد مشخص میرسد، شروع به ته نشینی میکند و اغلب اندازه ذرات بیشتراز 10 میکرو متر نمیشود. در این روش برای بدست آوردن محصول با کیفیت بالا باید شرایط پلیمریزاسیون به دقت کنترل شود. پلیمریزاسیون تهنشینی، تقریباً مشابه روش پلیمریزاسیون تودهای میباشد با این تفاوت که حجم حلال مصرفی در این روش بسیار بیشتر میباشد (در حدود 2 تا 10 برابر). در نتیجه استفاده از حجمهای بیشتر حلال، شانس تماس بین گونه هدف و مونومر عاملی نیز کمتر میشود که منجر به زمان پلیمریزاسیون طولانیتر این روش در مقایسه با روش تودهای میشود. همچنین از آنجایی که فاصله بین گونه هدف و مونومر عاملی در این روش نسبتا زیاد میباشد و در نتیجه گرمای کمتری نیز در این روش سنتزی در مقایسه با سایر روشها تولید میشود که باعث کاربرد بیشتر این روش درمقیاسهای صنعتی میشود. در این روش عموماً ذراتی در ابعاد3/0 تا 10 میکرومتر تولید میشوند[26]. از جمله معایب این روش میتوان به زمان بر بودن آن، همچنین نیاز به شرایط ویژه برای آن اشاره کرد. نمونهای از پلیمر تهیه شده با این روش در شکل (1-13) نشان داده شده است.
1-10- اهمیت و کاربردهای پلیمرهای قالبیدر تحقیقات انجام شده در زمینه پلیمرهای قالبی، جدای از اهمیت گونه الگوی به کار رفته (داروها، سموم، ترکیبات آلی، کاتیون ها و...) توسعه دانش فنی ساخت پلیمرهای قالب مولکولی یا یونی بسیار حائز اهمیت است. این پلیمرهای هوشمند، پلیمرهای سنتزی با گزینشپذیری بالا برای مولکول الگو هستند. با توجه به مزایایی نظیر گزینشپذیری، آزادی عمل برای طراحی مولکولی، پایداری مکانیکی و شیمیایی، سادگی و ارزان قیمت بودن، تحقیقات گستردهای در این زمینه صورت گرفته، که منجر به کاربردهای متعدد این روش شده است. از طرفی، بسیاری از مفاهیم مربوط به این علم نیز ازجمله نوع برهمکنشها، ویژگی نانوحفرهها و ... با انتخاب مولکولهای الگوی متفاوت به دست آمده است. در گذشته برای سنتز ترکیباتی که برهمکنش مناسبی با گونه مورد نظر داشته باشند یا حفره مشابهی با گونه مورد نظر داشته و از آنها بتوان برای اندازه گیری یا جداسازی این گونهها استفاده کرد، طی مدتهای طولانی با روشهای پیچیده، پرهزینه و چند مرحلهای این مواد تهیه میشدند. در صورتی که با دستیابی به دانش فنی ساخت پلیمرهای قالب مولکولی برای بسیاری از مواد میتوان به راحتی، با هزینه پایین و در زمان کمتر، این آنتی بادیهای مصنوعی را ساخت. امتیاز دیگر این روش، گزینش پذیری بالای آن است که نسبت به روش های دیگر بسیار بیشتر است. اهمیت دیگر پلیمرهای قالب مولکولی در روش های جداسازی و اندازهگیری داروها، سادگی این روشها و امکان اتوماسیون روشهاست. از آنجا که پلیمرهای قالب مولکولی یا یونی ، توانایی جذب کاملا گزینشی گونه هدف را دارند، امکان جداسازی گزینشی گونه هدف در ماتریسهای پیچیده به طور مستقیم وجود دارد. این روش نسبت به روشهای دیگر مبتنی بر روش استخراج مایع -مایع حد تشخیص را 100 تا 1000 برابر پایین میآورد. در ادامه به بعضی از کاربردهای این نوع پلیمرها اشاره میشود.
1-10-1- جداسازیکاربرد پلیمرهای قالب مولکول به عنوان فاز ساکن در کروماتوگرافی، بیشترین کار پژوهشی روی آن صورت گرفته است. قالب زنی یک راه ساده و مستقیمی را برای جداسازی انتخابی مواد فراهم می‎کند. لیست مولکول‎هایی را که مورد آزمون قرارگرفته‎اند شامل بیوملکول‎های نظیر آمینواسید‎ها[9و29] پپتیدهای کوچک[30[، پروتئینها[31]، کربوهیدراتها[32] و تعدادی از مولکولهای دارویی کوچک میباشند. در زمینه جداسازی، مسئله تفکیک انانتیومرها با استفاده از پلیمرهای قالب در مرکز توجه بسیاری از پژوهش‎ها بوده است. شماری از فازهای ساکن کایرال تجاری وجود دارند که برای جداسازی انانتیومرها استفاده می‎شوند. فازهای ساکن کایرال قالبی یک نظم وترتیب شویش قابل پیش بینی دارند که فازهای ساکن کایرال تجاری موجود فاقد آنند. اولین نمونه استفاده از پلیمرهای قالب ملکول به عنوان فاز ساکن کایرال قالب زنی توسط مسباخ وهمکارانش[24] گزارش شد. در این گزارش مسباخ جداسازی انانتیومری مستقیم β- گیرنده (-)-تیمولول (شکل(1-3)) را با استفاده از یک فاز ساکن کایرال تهیه شده به روش قالب زنی مولکولی انجام داد.

شکل (1-14) ساختار گیرنده بتا- آدرنرجیک تیمول، اتنول و پروپانول[24]
شکل (1-15) تصویر میکرووسکوپ الکترونی غشای نفوذپذیر یون اورانیل]33[با وجودی که عمده پژوهش های جداسازی بر روی تهیه فاز های ساکن برای HPLC متمرکز شده است[25]، پلیمرهای قالب ملکول نیز برای تکنیک‎های تجزیه‎ای دیگری مورد استفاده قرار گرفته اند. یکی از کاربردهای مهم پلیمرهای قالب ملکول در استخراج فاز جامد است. انتخابگری ار پیش تعیین شده پلیمر‎‎‎‎‎های قالبی و داشتن انتخابگری بالای جاذب‎ها می‎تواند این سیستمها را بسیار کارا سازد. مواد استخراج فاز جامد قالب مولکولی توانایی خود را برا بهبود حساسیت برای آنالیز نمونه‎های زیست محیطی مقادیر بسیارکم از طریق استخراج حجم‎های بزرگ نمونه نشان داده است. الکتروفورز کاپیلاری با استفاده از فاز ساکن قالب مولکولی و رانش فاز متحرک الکترواسمزی نیز بررسی شده‎اند[34]. این روش پتانسیل را دارد که عملکرد بهتری نسبت به HPLC داشته باشد و نیز مزیت به حداقل رسانی مصرف مواد شیمیایی به ویژه مولکول الگو را دارد. استفاده از غشاهای پلیمر قالب مولکولی برای انتقال مولکول‎ها زمینه تحقیقات وسیعی است. جداسازی برپایه غشاها بالقوه دارای کارایی بیشتر نسبت به تکنیکهای جداسازی رقیب است. کاربرد‎های بالقوه آن در صنایع جداسازی گازها، پتروشیمی و دارویی وجود دارد.
1-10-2- ساخت غشاءاستفاده از تکنولوژی پلیمر قالب مولکولی و یونی در ساخت غشاهای مختلف ازدیگر کاربردهای جدید آنها میباشد. غشاهای ساخته شده با این روش تمایل به جذب بالاتر و انتخابگری بالاتر در نفوذ مولکولها و یونهای هدف نشان میدهند. اولین غشاء با استفاده از پلیمر قالب یونی در سال 2001 به وسیله کیماروو همکارانش جهت جداسازی یون اورانیل از طریق پلیمریزاسیون رسوبی ساخته شد[34]. شکل (1-15) تصویر میکرووسکوپ الکترونی غشای نفوذپذیر یون اورانیل را به خوبی نشان میدهد.
1-10-3- ساخت حسگر یا الکترودساخت حسگرهای شیمیایی، الکتروشیمیایی و زیستی از جمله کاربردهای جدید پلیمرهای قالب مولکولی و یونی در تشخیصهای پزشکی، تجزیه نمونههای محیطی و غذایی و کنترل آلودگی میباشد. براساس نوع مبدل، حسگرها براساس خواص الکتروشیمیایی یا خواص طیف سنجی هستند. پلیمرهای قالبی با گستره وسیعی از انتقال دهندههای علائم پتانسیومتری و آمپرومتری ترکیب شدهاند. اولین الکترود یون گزین بر اساس تکنولوژی پلیمر قالب یونی و خواص الکتروشیمیایی جهت تشخیص یونهای کلسیم و منیزیم در سال1991به وسیله روساتزین و همکارانش ساخته شد که با روش پتانسیومتری این یونهای کلسیم و منیزیم با فاکتور گزینشپذیری به ترتیب 6 و7/1 تشخیص داده شدند[35] و اولین حسگر بر اساس تکنولوژی پلیمر قالب یونی و مبدل طیف سنجی (فلئورسانس) نیز در سال1997 به وسیله موری و همکارانش برای یون سرب ساخته شد[36].
بازنگری جدیدی، حسگرهای الکتروشیمیایی مبتنی بر پلیمرهای دارای قالب مولکولی را تحت پوشش قرار میدهد. بدین صورت که در طراحی این حسگرها درصدی از پلیمرهای قالب مولکولی به عنوان اصلاحگر اضافه میشود. حالا از این حسگر در محلول حاوی آنالیت مورد نظر که در ساخت پلیمر از آن استفاده شده و این پلیمر قابلیت جذب آن را دارد به عنوان الکترود شناساگر استفاده میشود. بر این اساس، شاهد کاربرد روزافزون این مواد پلیمری در حسگرهای الکتروشیمیایی (پتانسیومتری، آمپرومتری، هدایت سنجی) و همچنین حسگرهای نوری میباشیم.
پلیمرهای قالب ملکول به عنوان عناصر تشخیص در ابزارهای حسگرهای شیمیایی استفاده می‎شوند. حسگرهای زیستی از عنصر تشخیصی مثل یک آنتیبادی یا آنزیم به همراه یک مبدل استفاده می‎برند. یک سیگنال شیمیایی حاصله از پیوند آنالیت به گیرنده که بعداً به یک سیگنال الکتریکی یا نوری تبدیل میشود را بتواند رصد شود. در بسیاری موارد، توسعه اجزاء تشخیص دهنده فراتر از روشهای تبدیل سیگنال نظیر نوری، مقاومتی، موج اکوستیک سطحی یا اندازه‎گیری ظرفیت الکتریکی قرار می‎گیرد. پتانسیل قابل توجهی برای ابزارهای حسگر شیمیایی چنانچه اجزاء تشخیص دهنده موجود باشند.
مزیت‎های بالقوه‎ای که با استفاده از پلیمرهای قالب ملکولی به عنوان عنصرتشخیص دهنده به جای گیرنده‎های بیولوژیکی حاصل می‎شود. از آنجاییکه پلیمرهای قالب ملکولی گیرنده‎هایی مصنوعی‎اند، ذخیره‎ای مجازی از آنالیت‎ها دارند. بعلاوه، پلیمرهای قالب ملکولی در مقابل شرایط نامساعد پایدارند که قابل قیاس با حسگر های برپایه بیولوژیکی نیست . مضافا، قابلیت آنها برای بکارگیری عنصر سیگنال دهنده، نظیر میله فلوئورسانس، که درمجاورت سایت پیوندی می‎توان در سنسور استفاده کرد. ممکن است سنسورهایی با آرایهای از پلیمرهای قالبی برای تعدادی از آنالیت‎ها جهت ساخت یک سنسور تکی که قادر به شناسایی مواد متعدد باشد، به کار برد. استفاده از اسپکتروسکپی لومینسانس ترکیب شده با فایبر اپتیک سیستم‎هایی برای کاربرد حسگرها مهیا میکند. استفاده از پلیمر قالب‎زنی مولکولی در ترکیب با این سیستم می‎تواند انتخابگری شیمیایی را به این نوع حسگرها اضافه کند. این تکنولوژی برای تشخیص انواع زیادی از ترکیبات شامل عوامل عصبی، علف کش، مولکولهای دارویی[36] و بیومولکولها به کار می‎رود[37]. مسباخ و همکاران با استفاده از یک ابزار حسگر الیاف نوری بر پایه پلیمرهای قالب ملکولی یک آمینو اسید فلوئورسانسنشان (دانسیل-ال-فنیل آلانین) را نشان دادند. این مواد با استفاده از متاکرلیک اسید و 2- وینیلپیریدین بعنوان مونومر ها و اتیلنگلیکولدیمتاکریلات به عنوان مونومر شبکه کننده تهیه شدند. یک سیستم ساخته شد که درآن ذرات پلیمر در مقابل نوک الیاف نوری با استفاده از یک تور نایلون نگه داشته شد[39]
1-10-4- گیرنده های مصنوعیعیارسنج پیوندی برای تعیین مقادیر کم ترکیبات سرم خون و سایر سیستمها و برای غربال کردن ترکیبات متمایل به یک گیرنده بکار می‎روند. عیار سنج از این نوع به یک گیرنده اختصاصی، اغلب یک آنتیبادی که اختصاصاً به مولکول مورد بررسی نیاز دارد. آنتیبادیها غالباً خواص بسیار عالی تشخیصی برای مولکول متقابل (آنتی ژن) نشان میدهد. اما، کاربرد آنها در شرایط سخت بخاطر حساسیت محدود آن است وآنچه که می‎توان در نظر داشت هزینه بالای تولید آن است. آنتی بادیهای مصنوعی و گیرندههایی که بروش قالب زنی مولکولی تهیه میشوند از نظر تئوری مکمل جاذب همتاهای طبیعیشان هستند . چندین بررسی نشان داده که پلیمرهای قالب مولکولی می‎توانند بعنوان نسخههای مصنوعی آنتی بادی‎ها عمل کنند و بعنوان اجزای در ایمنی سنجی بکار روند. این بررسی‎ها با استفاده ازروش‎های رادیولیگاند پیوندی و روش پیوند پیمانه‎ای مقایسه شده‎اند و اولین کاربرد پلیمر قالب مولکولی به عنوان جزء تشخیص در یک عیارسنج لیگاند پیوندی رادیو نشان برای تشخیص دیازپام وتئوفیلین درسرم انسانی بود. نتاج حاصله قابل مقایسه با روش تثبیت شده برای این داروها بود. روش بکار گرفته برای این تحقیق استفاده از ممانعت پیوند رادیونشان به آنالیت در سرم بود. مقدار رادیولیگاند متصل به پلیمر به صورت عکس متناسب با غلظت آنالیت در سرم بود[39].
1-10-5- کاتالیستهایکی از چالش برانگیزترین کاربردهای پلیمر قالب مولکولی ساخت کاتالیستهای طراحی شده است. به دلیل قابلیت آرایش دادن گروهای عاملی در ماتریس پلیمرهای قالب مولکولی خود را وارد این کاربرد کرده‎اند. روشهای تهیه پلیمرهای قالب مولکولی کاتالیستی شامل: (1) استفاده از یک الگوکه گروه‎های کاتالیست داخل سایت های پیوندی (2) استفاده از حالت گذرا مشابه مولکول الگو (3) استفاده از کمپلکس‎های کئوردینه برا ی تاثیرگذاری روی واکنش کاتالیستی.
1-11- عنصر نیکل[41] این عنصر کاربردهای فراوانی در طبیعت دارد و برای ساخت فولاد ضدزنگ و دیگر آلیاژهای ضد زنگ و خوردگی مثل اینوار و مانل که الیاژى از نیکل و کبالت که در برابر خوردگى مقاوم است به کار میرود. برای ساخت لولههای نیکلی و مسی و همینطور برای نمکزدایی گیاهان و تبدیل آب شور به آب مایع استفاده میشود. نیکل استفادههای فراوانی برای ساخت سکهها و فولاد نیکلی برای زرهها و کلیدها کاربرد دارد و همینطور از نیکل میتوان آلیاژهای نیکروم و پرمالوی و آلیاژی از مس را تهیه کرد. از نیکل برای ساخت شیشههای به رنگ سبز استفاده میشود. صفحات نیکلی میتواند نقش محافظت کننده برای دیگر فلزات را داشته باشد. نیکل همچنین کاتالیزوری برای هیدروژندار کردن روغنهای گیاهی است. همچنین صنعت سرامیک و ساخت آلیاژی از آهن و نیکل که خاصیت مغناطیسی دارد و باتری های قوی ادیسون کاربرد دارد. از ترکیبات مهم نیکل میتوان سولفات و آکسید را نام برد. نیکل طبیعی مخلوطی از 5 ایزوتوپ پایدار است. همچنین 9 ایزوتوپ ناپایدار دیگر نیز شناخته شده است. مقدارنیکل در طبیعت بسیار کم است. انسان در زمینه های مختلف از نیکل استفاده میکند. یکی از عمدهترین کاربردهای نیکل، در صنعت فولاد است. از نیکل به عنوان یکی از اجزا سازنده فولاد و سایر محصولات فلزی استفاده میشود. حتی از نیکل در جواهرات هم استفاده میشود. مقدار اندک نیکل برای انسان ضروری است اما اگر مقدار آن افزایش یابد، برای سلامت انسان خطرناک است. مصرف بالای نیکل احتمال مبتلا شدن به سرطان ریه، سرطان بینی، سرطان حنجره و سرطان پروستات را افزایش میدهد. پس از این که فرد در معرض گاز نیکل قرار گرفت، دچار کسالت و سرگیجه میشود. آب آوردن ریهها مشکلات تنفسی کاهش توانایی تولید مثل، آسم، برونشیت مزمن، حساسیتهایی از قبیل خارش پوست (به خصوص در هنگام استفاده از جواهرات) نارسایی قلبی از دیگر عوارض آن میباشد. از لحاظ تقسیم بندی برنامه سم شناسی ملی آمریکا، نیکل و ترکیبات آن جز عوامل سرطانزا محسوب میشوند و از نظر طبقه بندی آژانس بین المللی تحقیقات سرطان ترکیبات نیکل در گروه یک قرار میگیرند. گروه یک شامل عناصری میباشد که شواهد کافی در مورد سرطانزایی آنها وجود دارد. در این تقسیمبندی عنصر نیکل در گروه 2B قرار دارد. گروه 2B عناصری هستند که ممکن است در انسان سرطان ایجاد کنند. کارخانهها و سوزاندن زبالهها دو عامل اصلی در تولید نیکل و ورود آن به هوا میباشند. مقدار نیکلی که در هوا وجود دارد به مراتب از نیکل موجود در زمین بیشتر است. مدت زمان از بین رفتن نیکل موجود در هوا زیاد است. زمانیکه هرزآبها جریان پیدا میکنند، مقداری نیکل را وارد آبهای سطحی میکنند. بخش اعظم ترکیبات نیکل در طبیعت جذب ذرات خاک و رسوبات شده و در نهایت به صورت غیر متحرک در میآیند. در زمینهای اسیدی نیکل بسیار متحرک میشود و معمولاً در آبهای زیرزمینی شسته میشود. در حال حاضر دانشمندان میدانند که غلظت بالای نیکل در خاکهای ماسهای به گیاهان صدمه میزند و همچنین غلظت بالای نیکل در آبهای سطحی سبب کاهش تعداد و رشد جلبکها میشود. رشد موجودات ذره بینی نیز در حضور نیکل کاهش پیدا میکند، اما معمولاً با گذشت زمان در برابر نیکل مقاوم میشوند. مقدار اندک نیکل باید در غذای جانوران وجود داشته باشد. اما زمانی که مقدار نیکل از حد مجاز خود فراتر رود، میتواند برای جانوران مضر و خطرناک باشد. جانورانی که در نزدیکی پالایشگاه زندگی میکنند، بر اثر دریافت مقدار زیاد نیکل به انواع مختلف سرطان مبتلا میشوند. از آنجایی که نیکل در بافتهای گیاهی و جانوری نمیتواند تجمع پیدا کند، اثری در زنجیره غذایی ندارد.
1-12- مروری بر کارهای گذشتهدر سال 2004 ارسوز و همکارانش با استفاده از پلیمرهای قالب یونی سنتز شده در استخراج فاز جامد به روش F= یونهای نیکل را در نمونههای زیستی و غذای پیشتغلیظ کردند. که حد تشخیص این روش 3/0 میکروگرم بر لیتر گزارش شده است[42].
در سال 2006 چانگ و همکارانش بااستفاده از جاذب سیلیکاژل سطحی در استخراج فاز جامد به روش ICP-AES یونهای نیکل را در نمونههای آبی اندازه گیری کردند. که حد تشخیص این روش 16/0 میکروگرم بر لیتر گزارش شده است[43].
در سال 2008 رومانی و همکارانش با استفاده از پلیمرهای قالب یونی سنتز شده در استخراج فاز جامد یونهای نیکل را از نمونههای آب شور جداسازی کردند. که این کار با روش ICP-OES صورت پذیرفت. حد تشخیص این روش3/0 میکروگرم بر لیتر گزارش شده است[44].
در سال 2008 سراجی و همکارانش با استفاده از پلیمرهای قالب یونی سنتز شده استخراج گزینش¬پذیر فاز جامد یونهای نیکل را در نمونههای آبی انجام دادند. حد تشخیص این روش 2/0 میکروگرم بر لیتر گزارش شده است[45].
درسال 2009 رومانی و همکارانش با استفاده از پلیمرهای قالب یونی سنتز شده به روش CP-OES، یونهای نیکل را در نمونههای آب شوراندازه گیری کردند. که حد تشخیص این روش 26/0 میکروگرم بر لیتر گزارش شده است[46].
در سال 2010 سینگ و همکارانش با استفاده از پلیمرهای قالب یونی سنتز شده با روش F= یونهای نیکل را در نمونههای آب دریایی اندازه گرفتند. حد تشخیص این روش 6/1 میکروگرم بر لیتر گزارش شده است[47].
در سال 2011 خواجه و همکارانش با استفاده از لیگاند 40،20،7،5،3-پنتاهیدروکسیفلاون(مورین) نانو ذرات پلیمری قالب یونی سنتز، و از آن برای اندازهگیری و جداسازی گزینشپذیر یونهای سرب در نمونههای مختلف استفاده کردند. حد تشخیص این روش 92 نانوگرم بر لیتر گزارش شده است[48].
. در سال 2012 بهبهانی و همکارانش از نانو ذرات پلیمری قالب یونی سنتز شده برای استخراج گزینشپذیر و پیشتغلیظ یونهای نیکل از نمونههای زیستی به روش F= استفاده کردند. حد تشخیص این روش15/0 میکروگرم بر لیتر گزارش شده است[49]


در سال 2013 رجبی و همکارانش از نانو ذرات پلیمری قالب یونی سنتز شده برای اندازهگیری یونهای پتاسیم در نمونههای آبی بر اساس دیسیکلوهگزیل 18C6 استفاده کردند. حد تشخیص این روش 8/3 میکروگرم بر لیتر گزارش شده است[50].
در سال 2014 شمسیپور و همکارانش با استفاده از لیگاند 40،20،7،5،3-پنتاهیدروکسیفلاون(مورین) نانو ذرات پلیمری قالب یونی سنتز کردند که برای اندازهگیری و جداسازی گزینشپذیر یونهای روی در نمونههای مختلف استفاده کردند. حد تشخیص این روش 3/0 میکروگرم بر لیتر گزارش شده است[51].

جدول (1-4) مقایسه کارهای گذشته اندازهگیری یون نیکلشماره لیگاند اندازه نانو ذرات pH مقدار جاذب (mg) گستره
خطی
(µgL−1) حد تشخیص
(μgL−1) انحراف استاندارد (درصد) روش کار منابع
1 5-وینیل-هیدروکسیکینولین 10 میکروومتر 0/9 300 --- 26/0 0/6 ICP-OES [42]
2 متاکریلوهیستیدندیهیدراته ---- 0/7 30 3/0-25 3/0 1/4 F= [43]
3 آمینوفانکشنالیزد
سیلیکاژل ---- 0/8 20 ---- 16/0 48/1 ICP-AES [44]
4 8- هیدروکسیکینولین 10 میکروومتر 5/8 100-300 ---- 3/0 0/6 ICP-OES [45]
5 وینیلبنزوات ---- 5/6 100 25-125 3/0 06/1 GTA-= [4]
6 دیتیزون 53-106
میکروومتر 0/8 100 5-100 6/1 4/3 F= [47]
8 40،20،7،5،3-پنتاهیدروکسیفلاون 50-70 نانو
متر
0/8 20 3-10 0/1 4/2 UV-Vis Spectrophotometry تحقیق حاضر
فصل دومبخش تجربی2-1- دستگاه‌ها و وسایل مورد نیازدر این تحقیق از دستگاههای زیر استفاده گردید.
دستگاه اسپکتروفوتومتر جذبی UV-Vis مدل 25-Lambda، سانتریفیوژ (Wehingen) Z 206 A، همزن مغناطیسیIKA RH basic 2(Italy) ، آون DIGITA-STERILIEZR مدل CSL60، دستگاه FT-IR مدل 460 PLUS، دستگاه میکرووسکوپ الکترونی روبشی مدل EM10C-100 KV-ZEISS، ، ترازو، و کلیه اندازهگیریهای pH به وسیلهی pH متر مدل 827 ساخت شرکت متراهم انجام شد.
در این تحقیق از وسایل زیر استفاده گردید.
سل کوارتز (3×1×1 سانتیمتری)، بشر، پیپت، پوار، میکرووپیپت، اسپاتول ، کاغذ توزین، لوله آزمایش، شیشه ساعت و هاون.
2-2- مواد شیمیائی لازمنیتریک اسید %65 (حجمی/حجمی)، سولفوریکاسید %98 (حجمی/حجمی)، هیدروکلریکاسید %37 (حجمی/حجمی)، استونیتریل، لیگاند مورد استفاده، 40،20،7،5،3-پنتاهیدروکسیفلاون (مورین)، اتیلنگلیکولدیمتاکریلات، متاکریلیکاسید و 2،ˊ2 آزوبیس ایزوبوتیرونیتریل از شرکتهای معتبر مواد شیمیایی تهیه شدند.
جدول (2-1) ویژگیهای متاکریلک اسید ساختار
7-19-64 CAC number
C4H6O2 فرمول
85 درصد خلوص(درصد)
86 جرم مولکول(گرم بر مول)
015/1 چگالی(گرم بر سانتیمتر مکعب)
161 نقطه جوش(درجه سانتیگراد)
جدول (2-2) ویژگیهای اتیلن گلیکولدی متاکریلات ساختار
5-90-97 CAC number
[H2C=C(CH3)CO2CH2-]2 فرمول
7/99 درصد خلوص(درصد)
198 جرم مولکول(گرم بر مول)
1/11 چگالی(گرم بر سانتیمتر مکعب)
108 نقطه جوش(درجه سانتیگراد)

جدول (2-3) ویژگیهای 2وˊ2-آزوبیسایزو بوتیرو نیتریل ساختار
1-67-78 CAC number
(CH3)2C(CN)N=NC(CH3)2CN فرمول
98 درصد خلوص(درصد)
164 جرم مولکول(گرم بر مول)
1/1 چگالی(گرم بر سانتیمتر مکعب)
5/101 نقطه جوش(درجه سانتیگراد)
نمکهای مورد نیاز شامل آهن نیترات 9 آبه، آلومینیم نیترات 9 آبه، نیکل نیترات 6 آبه، کبالت نیترات 5 آبه، منگنز نیترات 4 آبه، کادمیم نیترات 4 آبه، لیتیم نیترات، کلسیم نیترات 4 آبه، روی نیترات 4 آبه، مس نیترات 3 آبه، سدیم نیترات، پتاسیم نیترات، سدیم کلرید، با بالاترین درجه خلوص و بدون نیاز به خالصسازی بیشتر، همگی از شرکتهای معتبر تهیه شدند
2-3- سنتز نانو ذرات پلیمر قالب یون برای اندازهگیری یون نیکلنانو ذرات پلیمری قالب یونی نیکل به وسیله روش پلیمریزاسیون رسوبی ساخته شد[51]. جهت ساخت پلیمر مورد نظر 2/0 میلیمول از لیگاند مورین، 1/0 میلیمول از نمک نیکلنیترات 6 آبه ، 6/1 میلیمول از مونومر عاملی (متاکریلیک اسید) درون 23 میلیلیتر اتانول-استونیتریل) حجمی/حجمی; 2:1 (به عنوان حلال پلیمریزاسیون حل شدند. به منظور کامل شدن واکنش تشکیل کمپلکس، محلول حاصل به مدت یک ساعت در این حالت هم زده شد. سپس 8 میلیمول از مونومر اتصال دهنده عرضی (اتیلنگلیکولدیمتاکریلات) و 60 میلیگرم از آغازگر به محلول تهیه شده قبلی اضافه گردید. با توجه به اینکه مولکولهای اکسیژن درون محلول باعث به دام اندازی آغازگر شده و باعث کندی فرایند پلیمریزاسیون میشود، محلول حاصل به مدت 10 دقیقه توسط عبور گاز نیتروژن، پاکسازی و گاززدایی شد. در نهایت، به منظور انجام فرآیند پلیمریزاسیون محلول حاصل به مدت 24 ساعت درون حمام روغن گرم با دمای 80 درجهسانتیگراد قرار داده شد. بعد از این زمان، ذرات پلیمری حاصل درون یک هاون پودر شد. جهت حذف مونومرهای واکنش نداده، ذرات پلیمری در ابتدا توسط مقدار کافی آب مقطر شسته شدند. در ادامه به منظور حذف یونهای نیکل قالب شده از درون شبکه پلیمری و ایجاد سایتها و حفرات گزینشپذیر ذرات حاصل با غلظت 6 مولار اسیدکلریدریک شسته شدند، تا جایی که محلول حاصل شستشو عاری از هرگونه یون نیکل باشد. در ادامه فرآیند آماده سازی، با توجه به اسیدی بودن پلیمرقالب یونی، پلیمر پودر شده حاصل بوسیله آب دوبار تقطیر شسته شد تا pH آب شسته شده خنثی شود و سپس در دمای 60 درجه سانتیگراد خشک شد.
2-4- سنتز پلیمر قالب نشده((NIPذرات پلیمر قالب نشده به وسیله روش پلیمریزاسیون رسوبی ساخته شد. جهت ساخت پلیمر مورد نظر 2/0 میلیمول از لیگاند مورین، 6/1 میلیمول از مونومر عاملی (متاکریلیک اسید) درون 23 میلیلیتر اتانول-استونیتریل به عنوان حلال پلیمریزاسیون حل شدند. به منظور کامل شدن واکنش تشکیل کمپلکس، محلول حاصل به مدت یک ساعت در این حالت هم زده شد. سپس 8 میلیمول از مونومر اتصال دهنده عرضی (اتیلنگلیکولدیمتاکریلات) و 60 میلیگرم از آغازگر به محلول تهیه شده قبلی اضافه گردید. با توجه به اینکه مولکولهای اکسیژن درون محلول باعث به دام اندازی آغازگر شده و باعث کندی فرایند پلیمریزاسیون میشود، محلول حاصل به مدت 10 دقیقه توسط عبور گاز نیتروژن، پاک سازی و گاززدایی شد. در نهایت، به منظور انجام فرآیند پلیمریزاسیون محلول حاصل به مدت 24 ساعت درون حمام روغن گرم با دمای 80 درجه سانتیگراد قرار داده شد. بعد از این زمان، ذرات پلیمری حاصل درون یک هاون پودر شد.
2-5- محلول‌سازی
2-5-1- تهیه محلولهای لازم برای بررسی تشکیل و تعیین نسبت فلز به لیگاند کمپلکس برای تهیه محلول 3-10×0/1 مولار نیکل مقدار 3-10×9/2 گرم از نیکل نیترات جامد در یک بالن حجمی 10 میلیلیتری حل کرده تا محلول 3-10×0/1 مولار نیکل تهیه و به با اتانول به حجم رسانده شد.
برای تهیه محلول 3-10×0/1 مولار مقدار 3-10×0/3 گرم از مورین جامد در یک بالن حجمی 10 میلیلیتری حل کرده تا محلول 3-10×0/1 مولار مورین تهیه و با اتانول به حجم رسانده شد.
2-5-2- تهیه محلول مادرنیکل
محلول 1000 میلیگرم بر لیتر از نیکل با انحلال 05/0 گرم از نمک نیکل نیترات 6 آبه با وزن مولکولی 0/291 گرم بر مول در حداقل آب دوبار تقطیر حل و به حجم رساندن با آب مقطر دریک بالن حجمی حجمی 50 میلی‎لیتری تهیه شد.
2-5-3- تهیه محلول مادر دیمتیلگلیاکسیم برای اندازهگیری اسپکتروفتومتریمحلول4+10×0/1 میلیگرم بر لیتر از دیمتیلگلیاکسیم از انحلال 05/0گرم دیمتیلگلیاکسیم توسط آب دوبار تقطیر در بالن حجمی 50 میلیلیتر حل کرده و سپس با آب دو بار تقطیر به حجم رسانده شد و تمام محلولهای مورد نیاز با رقیق کردن این محلول به دست آمد.
2-5-4- تهیه محلولهای کاتیونهای مختلف برای بررسی اثرات مزاحمتمحلولهای 1000-500 میلیگرم بر لیتر از هرکدام از یونهای، سدیم، کادمیم، کبالت، جیوه، سرب، زینک، مس، منگنر، منساخته شد، به این ترتیب که مقدار مورد نیاز از نمکهای NaCl، KCl،AgNO3، Cd(NO3)2.4H2O، Co(NO3)2.6H2O، HgCl2، Pb(NO3)2.4H2O، Cu(NO3)2.3H2O، Zn(NO3)2.6H2O، Mn(NO3)2.4H2O، Mg(NO3)2.6H2O، Fe(NO3)3.9H2O، Cr(NO3)3.9H2O توزین شد و در بالن حجمی 10 میلیلیتری با آب دوبار تقطیر حل و سپس به حجم رسانده شد. محلولهای رقیق تر مورد نیاز از رقیق کردن این محلولها ساخته شدند.
2-6- آماده سازی نمونههای آب برای اندازهگیری نیکلنمونههای حقیقی استفاده شده مربوط به اندازهگیری نیکل به روش اسپکتروفتومتری عبارتند ازسه نمونه: آب آشامیدنی شهر یاسوج و آب رودخانه بشار یاسوج و آب ابشار یاسوج. نیکل موجود در50 میلیلیتر از هر کدام از نمونههای آب پس از افزودن مقداری اسیدکلریدریک و قرار دادن نمونه به مدت 20 دقیقه در حمام بخار با دمای 80 درجه سانتیگراد و سپس قرار دادن نمونه به مدت 30 دقیقه زیر لامپ ماوراء بنفش به دست آمد. که این محلول جهت اندازهگیری به روش افزایش استاندارد مورد استفاده قرار داده شد[52].
2-7- پیشتغلیظ یون نیکل با استفاده از پلیمرهای قالب یون تهیه شدهمحلول 3-10×0/1 مولار لیگاند و یون نیکل تهیه شد. سپس 2 میلیلیتر اتانول به سل اضافه و 100 میکرولیتر از محلول لیگاند به حلال درون سل اضافه شد. سپس با افزودن حجمهای مشخصی از یون نیکل طیف جذبی مجصول در هر نقطه ثبت گردید. داده‎های مربوط به طیف جذبی محلول لیگاند در محدوده طول موج 270 تا 570 نانومتر توسط دستگاه اسپکتروفوتومتر به دست آمد. سپس حجم مشخصی از محلول یون نیکل به طور مرحله‎ای به سل اضافه شد. ابتدا 10 میلیلیتر از محلول 2 میلیگرم بر لیتر از محلول نیکل را در بالن حجمی 10 میلیلیتری تهیه شد و با آب مقطر به حجم رسانیده شد، سپس به وسیله محلول سود و اسیدکلریدریک (رقیق) pH محلول روی 8 تنظییم شد. سپس20 میلیگرم از نانو ذرات پلیمری قالب یون به آن اضافه و به مدت 45 دقیقه روی همزن مغناطیسی قرار گرفت تا جذب صورت پذیرد و بعد از این مرحله محلول را به مدت 6 دقیقه سانتریفیوژ شد و جاذب رسوب کرده با 2 میلیلیتر اسیدکلریدریک به مدت 16 دقیقه شتششو داده شد و بعد دوباره به مدت 6 دقیقه سانتریفیوژ شد و سپس محلول بالای را برداشته شد و به آن به در ابتدا به میزان سه برابر دیمتیلگلیاکسیم، و سپس 1 میلیلیتر از پرسولفات و 1 میلیلیتر آمونیاک اضافه شد و با آب مقطر به حجم 10 میلیلیتر رسانده شد. و در انتها با دستگاه اسپکتروفتومتر UV-Vis طیف آن گرفته شد[۵۳].
فصل سومبررسی نتایج و نتیجهگیری3-1- بررسی تشکیل و تعیین نسبت فلز به لیگاند کمپلکس بین یون نیکل و مورینبه منظور بررسی تشکیل و تعیین نسبت فلز به لیگاند کمپلکس بین یون نیکل و مورین بر اساس روش پیشنهادی (2-7) داده‎های مربوط به طیف جذبی محلول لیگاند در محدوده طول موج 270 تا 570 نانومتر توسط دستگاه اسپکتروفوتومتر به دست آمد، سپس حجم مشخصی از محلول یون نیکل به طور مرحله‎ای به سل اضافه شد. داده‎های مربوط به طیف جذبی محلول کمپلکس حاصل پس از هر مرحله افزایش محلول یون فلزی به محلول درون سل، توسط دستگاه اسپکتروفوتومتر به دست آمد. افزایش محلول یون فلزی تا زمانی که با تغییر نسبت فلز به لیگاند افزایشی در جذب مشاهده شود، ادامه پیدا می‎کند. منحنی نسبت مولی، در طول موج 416 نانومتر مربوط به کمپلکس ترسیم شد. استوکیومتری تشکیل کمپلکس بین یون نیکل و مورین با استفاده از روش نسبت مولی نشان دهنده نسبت فلز به لیگاند (2:1) میباشد[54].
جدول (3-1) جذب بر حسب حجم یون نیکل اضافه شده در طول موج 416 نانومترجذب حجم یون نیکل اضافه شده(میکرو لیتر)
32/0 0
47/0 10
60/0 20
73/0 30
90/0 40
98/0 50
06/1 60
13/1 70
16/1 80
19/1 90
20/1 100
21/1 110
21/1 120
21/1 130
22/1 140
22/1 150
22/1 160

–353

1-6-کاربردهای غشا.................................................................................................10
1-7-فرآیندهای غشایی...............................................................................................11
1-7-1-اسمز معکوس................................................................................................11
1-7-2-نانوفیلتراسیون................................................................................................11
1-7-3-اولترافیلتراسیون.............................................................................................12
1-7-4-میکروفیلتراسیون............................................................................................14
1-8-کامپوزیت.........................................................................................................14
1-8-1-کامپوزیت چیست؟...........................................................................................14
1-8-2-از کاهگل تا کامپوزیت های پیشرفته....................................................................15
1-6-3-کاربردهای دیگر کامپوزیت ها...........................................................................16
1-8-4- ساخت کامپوزیت...........................................................................................17
1-8-5-روش های ساخت نانوکامپوزیت.........................................................................18
1-9-کاربرد تکنولوژی غشا........................................................................................19
1-10-محورهای اصلی کاربرد غشاها...........................................................................19
1-10-1صنعت آب و فاضلاب.....................................................................................19
1-10-2-صنایع غذایی...............................................................................................20
1-10-3-صنایع دارویی و پزشکی................................................................................20
1-10-4-تصفیه هوا و خالص سازی گازها.....................................................................20
1-10-5-کاربردهای دیگر..........................................................................................21
1-11-غشاهای بستر آمیخته.........................................................................................21
1-12-انواع غشاها....................................................................................................22
1-13-مدل حلالیت نفوذ..............................................................................................22
1-14-تجهیزات لازم بررسی ساختار عملکرد غشاها.........................................................25
1-15-تاریخچه گسترش غشا........................................................................................25
1-16-تاریخچه غشاهای بستر آمیخته.............................................................................26
بخش دوم: مواد، تجهیزات و کارهای تجربی....................................................................28
2-1-انتخاب مناسب فاز پلیمری....................................................................................29
2-1-1-غشای پلیمر پلی سولفون...................................................................................29
2-1-2-دلایل انتخاب نانوکلی و نانوسیلیکا و پلیمر.............................................................31
2-2-کارهای تجربی..................................................................................................33
2-2-1-مواد و تجهیزات.............................................................................................33
2-2-2-ساخت غشا....................................................................................................33
2-2-2-1-ساخت فیلم غشای پلیمری اولترافیلتراسیون PSf..................................................33
2-2-2-2-ساخت غشاهای نانوکامپوزیتی........................................................................34
2-2-3-شار آب خالص...............................................................................................35
2-2-3-1-مدول غشایی..............................................................................................35
2-2-3-2-آزمون تراوش.............................................................................................35
2-2-3-3-نحوه انجام آزمایش ها...................................................................................35
2-2-3-4-محاسبه میزان آب خالص عبوری غشا..............................................................36
2-3-روش های ارزیابی ساختاری................................................................................36
بخش سوم: نتایج و بحث.............................................................................................37
3-1-ارزیابی ساختاری..............................................................................................38
3-1-1-طیف سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه (FTIR) .....................................................38
3-1-2-آنالیز میکروسکوپ الکترونی روبشی (FESEM).................................................39
3-1-3-میکروسکوپ نیروی اتمی(AFM) ....................................................................42
3-2-نتایج آزمایش های جداسازی مایعات.......................................................................45
3-2-1-آزمون تراوایی..............................................................................................45
بخش چهارم: نتیجه گیری و پیشنهادات...........................................................................51
4-1-نتیجه گیری......................................................................................................52
4-2-پیشنهادات........................................................................................................54
مراجع...................................................................................................................55
فهرست شکل ها
عنوان صفحه
شکل 1-1-نمونه هایی از غشاهای سرامیکی......................................................................7
شکل 1-2-غشای فلزی.................................................................................................8
شکل 1-3-نمونه ای از غشای مارپیچی.............................................................................9
شکل 1-4-فرآیند جداسازی نانوفیلتراسیون.......................................................................12
شکل 1-5- فرآیند جداسازی اولترافیلتراسیون...................................................................13
شکل 1-6-فرآیند جداسازی میکروفیلتراسیون...................................................................14
شکل 1-7-تقسیم بندی مواد..........................................................................................15
شکل 1-8-فاز پیوسته و پراکنده در ساختار غشاهای بستر آمیخته..........................................24
شکل 1-9- ساختار شیمیایی پلی سولفون.........................................................................27
شکل 2-1- آون مورد استفاده بهمنظور ساخت و خشک کردن غشا.........................................34
شکل 2-2- حمام آب و سیستم بازگشتی در ساخت غشا........................................................34
شکل2-3- حمام اولتراسونیک مورد استفاده برای پخش کردن یکنواخت ذرات..........................34
شکل2-4- مدول غشایی استفاده شده جهت اندازهگیری میزان تراوایی.....................................35
شکل3-1- طیف FTIR پلی سولفون خالص....................................................................38
شکل3-2- طیف FTIR نانوسیلیکا.................................................................................38
شکل3-3- طیف FTIR نانوکلی...................................................................................39
شکل3-4- تصویر FESEM از پلی سولفون آمیخته شده با 5/0% وزنی نانوکلی......................40
شکل 3-5- تصویر FESEM از پلی سولفون آمیخته شده با 1% وزنی نانوکلی.......................40
شکل 3-6- تصویر FESEM از پلی سولفون آمیخته شده با 2% وزنی نانوکلی........................41
شکل 3-7- تصویر FESEM از پلی سولفون آمیخته شده با 5% وزنی نانو سیلیکا....................41
شکل 3-8- تصویر FESEM از پلی سولفون آمیخته شده با10% وزنی نانو سیلیکا..................41
شکل 3-9- تصویر FESEM از پلی سولفون آمیخته شده با15% وزنی نانو سیلیکا...................42
شکل 3-10- تصویر FESEM از پلی سولفون خالص.......................................................42
شکل 3-11- ریخت شناسی سطح غشای پلی سولفون خالص توسط AFM .............................43
شکل 3-12- ریخت شناسی سطح غشای نانوکامپوزیتی پلی سولفون با 5/0% وزنی نانوکلی توسط AFM…….43
شکل 3-13- ریخت شناسی سطح غشای نانوکامپوزیتی پلی سولفون با 1% وزنی نانوکلی توسط AFM..43
شکل 3-14- ریخت شناسی سطح غشای نانوکامپوزیتی پلی سولفون با 2% وزنی نانوکلی توسط AFM...44
شکل3-15- ریخت شناسی سطح غشای نانوکامپوزیتی پلی سولفون با 5% وزنی نانو سیلیکا توسط AFM............44
شکل 3-16- ریخت شناسی سطح غشای نانوکامپوزیتی پلی سولفون با 10% وزنی نانوسیلیکا توسط AFM…….44
شکل 3-17- ریخت شناسی سطح غشای نانوکامپوزیتی پلی سولفون با 15% وزنی نانوسیلیکا توسط AFM…..…45
جدول3-1-اثر حضور نانو کلی و نانو سیلیکا بر تراوایی آب خالص در غشای نانو کامپوزیتی پلی سولفون ... 46
شکل 3-18- نمودار مقایسه تراوایی بین پلی سولفون با غشای پلی سولفون-نانوسیلیکا با 5% وزنی..........46
شکل 3-19-نمودار مقایسه تراوایی بین پلی سولفون با غشای پلی سولفون-نانوسیلیکا با 10% وزنی…....47
شکل3-20- نمودار مقایسه تراوایی بین پلی سولفون با غشای پلی سولفون-نانوسیلیکا با 15% وزنی…....47
شکل3-21- نمودار مقایسه تراوایی بین پلی سولفون با غشای پلی سولفون-خاک رس با 5/0%وزنی........48
شکل3-22- نمودار مقایسه تراوایی بین پلی سولفون با غشای پلی سولفون-خاک رس با 1% وزنی..........48
شکل 3-23- نمودار مقایسه تراوایی بین پلی سولفون با غشای پلی سولفون-خاک رس با 2% وزنی…….49
چکیده
در حال حاضر غشاها جایگاه ویژه ای در صنایع جداسازی مختلف پیدا کرده اند و کاربردهای وسیعی در زمینه های گوناگون جداسازی اعم از محلول های مایع و گازهای مختلف دارا میباشند. تکنولوژی غشا یکی از تکنولوژی های پرکاربرد در صنعت امروز است که حوزه کاربرد آن از صنعت آب و فاضلاب تا صنایع غذایی و دارویی گسترده است. بیشتر غشاهایی که اخیرا در فرایندهای جداسازی غشایی گازها مورد استفاده قرار می گیرند غشاهای پلیمری و غیر متخلخل هستند و پایه عملکرد آنها مکانیسم حلالیت – نفوذ است. این مکانیسم در مقیاس مولکولی تراوش مولکولها از غشاء پلیمر است. در این مکانیسم فرض می شود مولکول در یک طرف غشا جذب می شود و از میان فضاهای خالی زنجیرهای پلیمر نفوذ می کند و در سطح دیگر دفع می شود.پلیمر پلی سولفون به دلیل دارا بودن خواص خوب مکانیکی، مقاومت شیمیایی بالا و دمای تبدیل شیشه ای بالا ، به مقدار زیادی در تهیه غشاهای نامتقارن (معمولا در محدوده اولترافیلتراسیون و میکروفیلتراسیون) مورد استفاده قرار میگیرد.غشاهای اولترا فیلتراسیون پلی سولفونی، ترشوندگی سطحی بسیار پایینی دارند.به واسطه برهمکنشهای هیدروفوبی بین غشا و حل شونده های آبگریز، این خاصیت در غشاهای پلی سولفونی مشکلات انسداد زیادی را در پی خواهد داشت.همچنین غشاهای پلیمری نمی توانند به مشکل تناقض بین انتخابگری و تراوایی چیره شوند.به منظور افزایش آبدوستی غشاهای پلی سولفون و بهبود خواص ساختاری غشا ، روشهای متعددی وجود دارد ولی چند روشی که از ابتدای کار توسعه بیشتری یافته‌اند عباراند از: پلیمریزاسیون درجا ، ترکیب محلول القا شدن، فرآیند ذوبی و روش بستر آمیخته. در این پژوهش نانو ذره خاک رس در آماده سازی این غشای نانوکامپوزیتی به روش بستر آمیخته استفاده شده است.با غشاهای بستر آمیخته می توان به انتخابگری بالا با همان مقدار تراوایی یا تراوایی بیشتر در مقایسه با غشاهای پلیمری موجود دست یافت. با اضافه کردن نانو ذرات معدنی می توان خواص جداسازی را بهبود بخشید.
کلمات کلیدی: غشای نانوکامپوزیتی, اولترافیلتراسیون, نانوکلی, غشاهای بستر آمیخته
مقدمه
پیشرفت های کنونی در صنایع شیمیایی و صنایع مشابه به سمت افزایش سرعت انجام فرآیندها و کاهش مصرف انرژی در طول فرآیند معطوف شده است. یکی از فرآیندهای مهم و پرکاربرد در چنین صنایعی، جداسازی مواد مختلف می باشد. برای انجام فرآیندهای صنعتی اغلب باید اجزای ماده ی خام اولیه از هم جدا شده و محصول بدست آمده از این فرآیندها نیز تفکیک و تخلیص شود. از طرفی در اکثر صنایع، با درنظر گرفتن قوانین محیط زیستی، لزوم انجام فرآیندهای جداسازی بیش از پیش به چشم می خورد.
در حقیقت، اهمیت فرآیندهای جداسازی و دستگاه ها و تجهیزات مربوطه، به اندازه ای است که در بسیاری از صنایع، بخش اعظم قیمت تمام شده ی یک محصول، مربوط به هزینه های جداسازی و خالص سازی آن محصول است. به همین دلیل یافتن یک روش جداسازی ساده تر و با هزینه ی کمتر، می تواند قابل تأمل باشد. در انتخاب یک روش جداسازی مناسب، باید بازده آن روش ها، دسترسی به تجهیزات هزینه های جداسازی، هزینه ی ساخت و هزینه های انرژی، با در نظر گرفتن مسایل زیست محیطی و مسایل سیاسی مورد ارزیابی کامل قرار بگیرد. همچنین باید اهداف جداسازی در فرآیند مشخص شود، در یک فرآیند جداسازی، اهداف متفاوتی مانند تغلیظ، تخلیص، تفکیک و جابجایی تعادل واکنش می تواند مدنظر باشد. در این راستا غشاها برای جداسازی گونه های مختلفی از مواد در حالات جامد، مایع و گاز توسعه یافته اند. با اینکه روش جداسازی با غشاها نسبت به روش های دیگری چون تقطیر، جذب سطحی، کریستالیزاسیون و استخراج مایع– مایع جدیدتر است ولی با توجه به کارایی و سهولت استفاده طی دو دهه ی اخیر، گسترش چشمگیری در استفاده از آن مشاهده شده است [1].
بیشتر غشاهایی که اخیرا در فرآیندهای جداسازی غشایی مورد استفاده قرار می گیرند غشاهای پلیمری و نامتخلخل اند و پایه عملکرد آنها سازوکار حلالیت-نفوذ است. این سازوکار در مقیاس مولکولی، تراوش مولکول ها از غشا پلیمر است. در این سازوکار فرض می شود مولکول در یک طرف غشا جذب می شود و از میان فضاهای خالی زنجیرهای پلیمر نفوذ می کند و در سطح دیگر دفع می گردد. مطابق مدل حلالیت-نفوذ، نفوذ مولکول ها از میان غشا با دو پارامتر اصلی کنترل می شود ضریب نفوذ و ضریب حلالیت. ضریب حلالیت برابر نسبت دو پتانسیل جذب مثل فشار جزیی تعریف می شود [2]. برای عملکرد خوب غشا، هم تراوایی و هم گزینش پذیری باید بالا باشد. هرچه تراوایی بالا باشد سطح مورد نیاز غشا برای تصفیه گاز کمتر می شود و گزینش پذیری بالا، خلوص گاز بالایی را در شرایط تراوایی یکسان می دهد. در پلیمرهای شیشه ای (پلیمرهایی که زیر دمای گذار شیشه ای خود قرار دارند) مولکول های ریز مانند H2 و He سریع و مولکولهای بزرگ مانند هیدروکربن ها به آهستگی از غشا عبور می کنند. پلیمرهای تراوا گزینش پذیری پایینی دارند [2]. با وجود تمام این مزایا غشاهای پلیمری نمی توانند به مشکل تناقض بین گزینش پذیری و تراوایی چیره شوند. در واقع غشاهای غیرآلی مانند غشاهای کربنی دارای گزینش پذیری و تراوایی بالایی هستند اما در مقیاس بزرگ ساخت آنها مشکل است با توجه به نیاز بازدهی بالای غشاها در غشاهای پلیمری و غیرآلی نوع جدید غشاها اخیرا به نام غشاهای بستر آمیخته گسترش یافته است. غشاهای بستر آمیخته غشاهای ترکیبی هستند که در آنها جامد یا مایع یا هر دو به عنوان پرکننده در بستر پلیمر جاسازی شده اند [3]. پژوهش برروی غشاهای بستر آمیخته از سال 1980 با سرعت قابل ملاحظه ای به صورت پیوسته رو به افزایش است. اکنون یافته های تجربی و آزمایشگاهی، برتری نسبی جداسازی غشاهای بستر آمیخته نسبت به غشاهای پلیمری خالص را نمایانگر ساخته است. با توجه به جدید بودن این نوع از غشاها، فضای کاری زیادی برای مطالعات آینده پیش رو قرار دارد [3]. در این پژوهش برروی ساخت غشاهای نانوکامپوزیتی پلی سولفون به روش بستر آمیخته و بررسی عملکرد این غشاها تمرکز شده است. به منظور بررسی عملکرد غشا در شرایط مختلف، آزمایش های تراوش و آنالیزهای ساختاری صورت گرفته است. در این پژوهش، اثر پارامترهای مختلف بر عملکرد غشا و اثر فشار بر تراوایی و گزینش پذیری غشا بررسی شده است. لازم به ذکر است که ساخت غشاهای نانوکامپوزیتی پلی سولفون به روش بستر آمیخته، جدید و برای اولین بار می باشد.
این پایان نامه در چهار بخش تنظیم شده است. در بخش اول، مقدمه ای در مورد غشاها و انواع آنها، فرآیندهای غشایی از جمله اولترافیلتراسیون، کامپوزیت ها، ویژگی های غشاهای بستر آمیخته ارایه شده است. همچنین در این بخش اهداف تحقیق و فرضیه های ممکن نیز بیان شده است.
در بخش دوم، مواد و تجهیزات مورد استفاده در انجام این پژوهش بیان شده و روش ساخت غشای پلیمری اولترافیلتراسیون پلی سولفون و غشای نانوکامپوزیتی پلی سولفون توضیح داده می شود.
در بخش سوم، نتایج حاصل از ارزیابی های ساختاری انجام شده برروی غشاها بیان می گردد و در ادامه نتایج حاصل از آزمون های تراوایی مورد بررسی قرار می گیرد.
در بخش چهارم، نتیجه گیری و پیشنهادات جهت انجام پروژه های آینده ارایه گردیده است.
بخش اول
مطالعات کتابخانه ای
1-1-اهداف تحقیق
ساخت غشای نانوکامپوزیتی پلی سولفون آمیخته با خاک رس به روش بستر آمیخته
دستیابی به یک غشای نانوکامپوزیتی با ماهیت اولترافیلتراسیون جهت جداسازی و تصفیه مایعات
بهبود خواص غشا از جمله تراوایی و انتخاب پذیری
ارزیابی و بررسی غشای ساخته شده
1-2-فرضیه ها
با استفاده از پلیمر پلی سولفون مقاومت مکانیکی و شیمیایی غشا افزایش می یابد.
با استفاده از خاک رس آبدوستی غشای پلی سولفونی افزایش می یابد.
با این روش تراوش پذیری و مقاومت غشا افزایش می یابد.
جداسازی یونها و نمک ها از آب امکان پذیر می باشد.
با غشاهای بستر آمیخته می توان به انتخابگری بالا دست یافت.
تعاریف و مفاهیم
1-3-غشا
غشا به عنوان یک فاز که اجزای خوراک به صورت انتخابی از آن عبور می کنند تعریف می گردد. به عبارت بهتر، غشا به صورت فازی که اجزای جداشونده با سرعت های متفاوت از آن عبور می کنند عمل می کند. در فرآیندهای غشایی، جزیی که از غشا عبور می کند به نام تراوش کرده1 و بخشی که نتواند از غشا عبور کند، نگه داشته شده2 نامیده می شود که بر اساس هدف جداسازی هر کدام از آنها می توانند به عنوان محصول در نظر گرفته شوند. در حالت کلی، روش های غشایی در مواقعی که غلظت مواد کم باشد، کارایی بسیار زیادی دارند [4]. نیروی محرکه لازم در فرآیندهای غشایی می تواند بصورت اختلاف غلظت، فشار، دما و پتانسیل الکتریکی باشد. ساده ترین نوع غشاها براساس اختلاف اندازه ذرات عمل می کنند که از این نظر مشابه فیلترها هستند، ولی غشاها از لحاظ اندازه منافذ و توزیع اندازه ی آنها و نیز نحوه ی جریان، با فیلترها تفاوت دارند. کارایی غشاها با دو پارامتر تعیین می گردند که شامل دبی عبور کرده از غشا و گزینش پذیری غشاها است. فرآیندهای غشایی با داشتن مزایایی چون کاهش مصرف انرژی به دلیل عدم تغییر فاز، حجم کم و عدم نیاز به فضای زیاد، تنوع در شکل و اندازه، افت فشار کم و انتقال جرم زیاد، بالا بودن راندمان جداسازی برای محلول های رقیق، نیاز کم به مواد افزودنی و حلال ها، ساده بودن طراحی غشاها و سهولت کاربرد آنها در مقیاس های صنعتی و همچنین به دلیل اینکه دوست دار محیط زیست هستند، از سایر روش های جداسازی متمایز شده اند. با این حال این روش معایبی از قبیل قطبش غلظتی و گرفتگی غشاها، طول عمر کوتاه غشا، انتخاب پذیری و دبی کم عبوری از غشاها و هزینه بالای ساخت را دارد [2]. غشاها و فرآیندهای غشایی جایگاه مهمی در تکنولوژی شیمیایی بدست آورده اند و در طیف گسترده ای از برنامه های کاربردی استفاده می شود.
1-4-تقسیم بندی غشا
به دلیل کاربردهای وسیع و جهت سهولت شناخت و استفاده از غشاها، تقسیم بندی آنها ضروری به نظر می رسد که در این بخش تقسیم بندی غشاها براساس معیارهای مختلف آورده شده است.
1-4-1-تقسیم بندی بر اساس مکانیسم حاکم بر جداسازی
اگر جداسازی بر اساس اختلاف فشار باشد، به کمک روش هایی مانند میکروفیلتراسیون، اولترافیلتراسیون، نانوفیلتراسیون و اسمز معکوس می توان جداسازی را انجام داد. روش هایی که بر پایه اختلاف غلظت هستند شامل جداسازی گازی، غشای مایع و دیالیز می باشد. در الکترودیالیز، اختلاف ولتاژ و در روش تقطیر غشایی نیز اختلاف دما به عنوان عامل جداسازی عمل می کند.
1-4-2-تقسیم بندی بر اساس جنس غشا
غشاها به دو صورت عمده، غشاهای بیولوژیکی (طبیعی) و غشاهای سنتزی هستند که غشاهای سنتزی شامل غشاهای پلیمری، سرامیکی، فلزی و مایع می باشد[5] که در ادامه، هر کدام از موارد توضیح داده می شوند.
1-4-2-1-غشاهای پلیمری
از جمله غشاهای پلیمری می توان به غشاهای ساخته شده از جنس پلی پروپیلن، تفلون، پلی آمید، پلی ایمید و پلی سولفون اشاره کرد [6]. هر کدام از این مواد بر اساس ساختار شیمیایی خود، دما و pH محیط، حلالیت مواد و مقاومت آنها مورد استفاده قرار می گیرند. تخلخل بالا یکی از ویژگی های مهم در غشاهای پلیمری است [7]. غشاهای پلیمری در بازیافت هیدروکربن ها و گازهایی به کار می روند که در فرآیندهای مربوطه وارد اتمسفر شده و یا سوزانده می شوند، بنابراین از نظر کاهش آلاینده های محیطی می توانند بسیار با ارزش باشند. غشاهای پلیمری که قابلیت عبور ذرات بزرگتر مانند هیدروکربن های سنگین گازی را در مقایسه با ذرات کوچکتر مانند متان و ازت دارند، به صورت پیوسته تهیه می شوند، قابلیت انتخاب پذیری معکوس و عبوردهی بالای این غشاها، مزیت بسیار مهمی است که در کاربردهایی مانند خالص سازی گاز طبیعی که بخش عمده آن را متان تشکیل می دهد، نیاز به تقویت فشار مجدد گاز خالص شده را برطرف می کند [7]. از غشاهای تهیه شده می توان در کاربردهای دیگر مانند خالص سازی هیدروژن در پالایشگاه ها، بازیافت مونومر در واحدهای پلی اولفین، بازیافت بخارات بنزین در انبارها و جایگاه های سوخت رسانی و بسیاری از کاربردهای دیگر با ارزش افزوده بالا استفاده کرد. نیاز به غشاهایی با مجموعه خواص مطلوب شامل شار عبوری بالا، انتخاب پذیری بالا، پایداری شیمیایی، مکانیکی و حرارتی مناسب، محققین را به سمت توسعه غشاهای هیبریدی نانوکامپوزیتی (شامل مواد معدنی پخش شده در ماتریس پلیمری) سوق داده است [7].
1-4-2-2-غشاهای مایع
غشا فازی است بین دو فاز دیگر که انتقال جرم بین آنها را کنترل می کند. اگر این فاز میانی یک مایع امتزاج ناپذیر با دو فاز دیگر باشد، نقش یک غشا مایع را خواهد داشت. غشاهای مایع به صورت غشاهای امولسیونی، پایه ای و جریانی هستند. در غشاهای امولسیونی از عوامل فعال کننده سطحی برای تولید امولسیون استفاده می کنند. در غشا نوع دوم از مایعی در داخل یک جامد متخلخل با حفراتی در حد میکرون استفاده می کنند. در غشا جریانی هم، جریان مایع-مایع به صورت پیوسته برقرار بوده و حفرات را همواره پر نگه می دارد [1].
1-4-2-3-غشاهای سرامیکی
این غشاها که شامل اکسید های آلومینیوم، زیرکونیوم، تیتانیوم و سیلسیوم می باشند، دارای مزایایی مانند مقاومت حرارتی، مکانیکی و شیمیایی بالا، طول عمر زیاد، مقاومت خوردگی و باکتریایی بالا، امکان احیا، امکان تمیز کردن کنترل مطلوب اندازه حفرات هستند.در این غشاها، هیچ افزودنی مورد نیاز نبوده و محدودیتی در دمای فرآیند وجود ندارد. فیلتراسیون به کمک سرامیک، یک فرآیند با انتخاب پذیری بالاست که بدون تبدیلات فازی است. ولی در کنار این مزایا، معایبی مانند هزینه ی زیاد ساخت و مشکل بودن انجام اصلاحات بعدی بر روی غشا نیز وجود دارد [8].

شکل1-1– نمونه هایی از غشاهای سرامیکی
در غشاهای سرامیکی جریان یا محیطی که باید تصفیه شود، از داخل کانال های حامل غشا عبور داده می شود. ذرات در صورتیکه بزرگتر از شعاع حفرات غشا باشند، باقی مانده و نشست می کنند و ماده ی تغلیظ شده ای را ایجاد می کنند. ماده صاف شده از درون حفرات نفوذ کرده و وارد مراحل مختلف فرآیند می شود [8]. پایه غشاهای سرامیکی، متشکل از اکسید آلومینیوم یا کربید سیلیکون با حفرات باز است. این ماده نه تنها می تواند نفوذپذیری را بالا ببرد بلکه نیازهای مربوط به پایداری مکانیکی را نیز مرتفع می سازد. در ابتدا غشاهای سرامیکی در تکنولوژی تصفیه فاضلاب به کار می رفت. اما امروزه، کاربردهای آنها تمامی صنایع را پوشش می دهد که این صنایع می تواند صنایع شیمیایی مانند جداسازی پاک کننده ها و کاتالیست ها، صنایع فلزی مانند بازیافت فلزات سنگین صنایع نساجی و صنایع کاغذ و خمیر چوب مانند جداسازی، تغلیظ و آب زدایی بیومس و خزه ها، صنایع غذایی و آشامیدنی مانند تغلیظ آب میوه، استریلیزاسیون شیر و آب پنیر و صنایع بازیافتی و محیط زیستی مانند کاهش BOD/COD بازیابی آب از استخرهای شنا و بازیافت داروها و آفت کش ها را در بر می گیرد.
1-4-2-4-غشاهای فلزی
این غشاها که در حال حاضر بیشتر در آزمایشگاه های تحقیقاتی مورد استفاده قرار می گیرند معمولا از جنس فولاد ضد زنگ، سیلیس، آلومینیوم، نقره، نیکل و برخی از آلیاژها هستند. خصوصیت برجسته ای که در رابطه با این غشاها مطرح است، مقاومت آنها در برابر خوردگی است. در زمینه جداسازی گاز که بیشتر به تخلیص گاز هیدروژن برای پیل های سوختی مربوط می شود، دسته ای از غشاهای فلزی توسعه یافته اند. البته در تصفیه آب آشامیدنی و حذف مواد آلی طبیعی به روش لخته سازی و میکروفیلتراسیون نیز از غشاهای فلزی همراه با هوادهی یا تزریق گاز ازون به عنوان یک روش جدید برای حذف آلودگی های آب باران استفاده شده، و ثابت شده است که غشاهای فلزی برای کاهش میکروبها و ذرات آلوده کننده از آب باران کافی است. برای حصول غشای فلزی با خواص ویژه، جنس پایه و روش ساخت و پوشش دهی آن اهمیت بسیاری دارد. تقریبا اکثر روش های ساخت شامل ایجاد شرایط خاص دما و فشار و همچنین انجام برخی عملیات اصلاحی، برروی پایه یا غشای ساخته شده می باشد. در این راستا خواص غشاها نظیر نفوذپذیری، ظرفیت عبور سیال، مقاومت شیمیایی، مقاومت مکانیکی و حرارتی باید مد نظر قرار گیرد[9].

شکل1-2– غشای فلزی
در رابطه با عملکرد این غشاها، مطالعات اخیر برروی ساخت غشاهای فلزی متراکم مرکب با ضخامت حدود زیر میکرون تا چند ده میکرون و ویژگیها و کاربردهای آنها متمرکز شده است توسعه غشاهای فلزی پایه دار یا مرکب بیشتر به دلیل کاهش هزینه های مواد، بهبود استحکام مکانیکی و امکان نفوذ بیشتر مواد می باشد. غشاهای مرکب فلزی دارای پایه هایی از جنس فلز، سرامیک یا پلیمر هستند البته در اکثر موارد استفاده از فولاد ضدزنگ به عنوان پایه غشای فلزی پیشنهاد شده است. ساخت غشا با این فلز هزینه کم و استحکام مکانیکی بالایی داشته و در اکثر فرایندهای صنعتی تولید و خالص سازی هیدروژن، از لحاظ شیمیایی بی اثر است [9]. از جمله روش های متداول در ساخت غشاهای فلزی روش ترسیب شیمیایی، ترسیب الکترو شیمیایی و فیزیکی بخار، روش پاشش پودر خیس و غلطک کاری می باشد [9].
1-4-3-تقسیم بندی بر اساس شکل هندسی غشا
غشاها را میتوان براساس شکلشان به انواع غشاهای: صفحه ای، لوله ای، مارپیچ و الیاف میان تهی تقسیم بندی کرد. غشاهای مارپیچ را می توان بر حسب نیاز در دماها و فشارهای بالا مورد استفاده قرار داد. غشاهای لوله ای در غلظت های بالایی از جامد مورد استفاده قرار می گیرد. در فرایند فیلتراسیون جریان متقاطع نیز الیاف میان تهی را می توان تحت عملیات شستشوی معکوس قرار داد[4].

شکل1-3– نمونه ای از غشای مارپیچی
غشاها در داخل محفظه ای قرار می گیرند که تحت عنوان مدول اطلاق می شود نوع جریان در سطح غشا و نیز نحوه حرکت سیال بستگی به نوع مدول انتخابی دارد. در واقع مدول به منظور نگهداری غشا کنترل حرکت سیال و افزایش نسبت سطح به حجم بکار میرود. در هر مدول، غشاها به همراه نگهدارنده ها و پایه های خود در یک شکل هندسی خاص قرار می گیرند که دارای مجراهایی برای ورود خوراک و همچنین جمع آوری مواد می باشد. انواع مدول هایی که بکار می رود شامل مدول های لوله ای، صفحه و قاب، مارپیچی و موئینه ای است که بر اساس ویژگی ها و مزایایی که دارند می توانند کاربردهای متفاوتی داشته باشند [4].
1-4-4-تقسیم بندی بر اساس ساختار غشا
براساس ساختمان غشاها می توان آنها را به دو دسته متقارن و نامتقارن تقسیم کرد. در دو سمت غشاهای متقارن، ابعاد حفرات و توزیع آنها یکسان می باشد. ضخامت این نوع غشاها بین 100تا 200 میکرون است. هرقدر ضخامت غشاها زیادتر باشد مقاومت در برابر انتقال جرم زیاد بوده و از طرف دیگر با کاهش ضخامت مقاومت مکانیکی آن کاهش می باید که برای حل این مشکلات از غشاهای نامتقارن که در آنها ابعاد حفرات و توزیع آنها یکسان نیست استفاده می کنند. این غشاها از دو لایه تشکیل یافته اند، در آن یک لایه فعال با ضخامت کمتر و متراکم تر وجود دارد که در آن جداسازی صورت میگیرد. لایه دیگر که به صورت پایه عمل می کند و حفرات بزرگتری دارد بر مقاومت مکانیکی لایه اول می افزاید. البته در این نوع غشاها هر دو لایه از یک ماده تشکیل می شوند. یکی دیگر از انواع غشاهای نامتقارن که تحت عنوان غشاهای مرکب یا کامپوزیتی هستند دو لایه از دو جنس متفاوت بوده و روش ساخت و اتصال آنها نیز تفاوتهایی با یکدیگر دارند. علاوه بر این مواد، غشا را از لحاظ تخلخل می توان به دو دسته متخلخل و غیر متخلخل تقسیم کرد. کارایی سیستم موفق تا حدود زیادی به تخلخل محیط بستگی دارد. بنابراین تخلخل انواع غشاها برحسب محیط کاربرد شامل: فیلترهای لیفی، غشاهای متخلخل پلیمری، مواد متخلخل سرامیک مواد موبینه و .... می باشد [4].
1-5- ویژگیهای غشاها
به منظور پیش بینی چگونگی انجام فرایندهای جداسازی باید ویژگی های مختلف غشاها را مورد بررسی قرار داد. خواص غشاها را می توان به دو دسته فیزیکی و شیمیایی تقسیم بندی نمود. خواص فیزیکی غشا شامل اندزه حفرات، تعداد حفرات، ضخامت، تخلخل و چروک خوردگی غشا می باشد خواص شیمیایی غشا نیز شامل بار سطحی، هدایت الکتریکی، قابلیت جذب، واکنش پذیری و آبدوستی آنها است که با توجه به نوع فرایند باید تأثیر این عوامل را مورد بررسی قرار داد [10].
1-6- کاربردهای غشا
امروزه جداسازی غشایی در بسیاری از صنایع مانند: دارویی، بیوتکنولوژی، صنایع غذایی، پتروشیمی، پالایش، نساجی، کاغذسازی، اتومبیل سازی، تصفیه آب و فاضلاب و.... مورد استفاده قرار می گیرد. با توجه به اینکه با بالا بودن ریسک سرمایه گذاری یکی از موانع اصلی برای صنعتی کردن و تولید انبوه غشاها در ایران است. سرمایه گذاری برای این امر منوط به وجود بازارهای داخلی است. استفاده از غشاها در بعضی از فرایندهای جداسازی مانند: شیرین سازی آب که در سطح وسیعی انجام می شود ممکن است توجیه اقتصادی برای سرمایه گذار در این حوزه داشته باشد. این تکنولوژی در برخی از حوزه ها در دنیا هنوز در مقیاس آزمایشگاهی است و به مرحله صنعتی نرسیده است، در این زمینه دستیابی به تکنولوژی فرایند در زمینه های تصفیه پساب های صنعت نفت، شیرین سازی گازهای ترش و ارتقای کیفیت حلالها و برشهای نفتی با استفاده از غشاها در حال انجام است [1].
1-7- فرآیندهای غشایی
غشاهای سنتزی با داشتن بازارهای در حال رشد و فراهم کردن قابلیتهای جداسازی بالا در بسیاری از صنایع توانسته اند پیشرفت های زیادی داشته باشند. صنایع و کارخانجات سرمایه گذار خود را در فرایندهای جداسازی برروی غشاها متمرکز کرده اند تا معایب سایر روشها مانند: تبخیر، تقطیر و یا استخراج را مرتفع سازند. هفت فرایند جداسازی عمده شامل: میکروفیلتراسیون، الترافیلتراسیون، نانوفیلتراسیون، اسمز معکوس، الکترودیالیز، جداسازی گازی و تراوش تبخیری، در بسیاری از زمینه های مورد استفاده قرار می گیرند که توجه و تمایل بیشتر به حفاظت از محیط زیست، تقاضا برای آب تمیز و بازده انرژی بالا استفاده از این فرایندهای غشایی را افزایش داده است [11].
1-7-1- اسمز معکوس(RO)
فرایند اسمز معکوس، قادر به حذف جامدات حل شده، باکتری، ویروس و سایر مواد میکروبی داخل آب می باشد. اسمز معکوس اساساً یک فرآیند غشایی نفوذی است که بر اساس نیروی محرکه فشاری عمل می کند. این فرآیند عمداً برای شیرین سازی آب دریا مورد استفاده قرار می گیرد. ویژگی برجسته روش اسمز معکوس این است که هیچ تغییر فازی در آن وجود نداشته و مصرف انرژی نسبتاً پایینی دارد. تقریباً تمامی غشاهای اسمز معکوس از جنس پلیمرهایی با ترکیبات پلی آمید و استات سلولز می باشد غشاهای فرآیند اسمز معکوس معمولاً در دو نوع غشاهای نامتقارن و غشاهای کامپوزیتی نازک فیلمی هستند. این غشاها کوچکترین ساختار حفرات با اندازه قطر حفرات در محدوده ی 0.5 الی 1.5 نانومتر را دارا هستند. در این غشاها بیشتر 95 تا 99 درصد از نمکهای معدنی و ترکیبات عالی باردار شده بدلیل دافعه بارالکتریکی سطح غشا دفع می شود. کاربرد این روش در صنایع آب آشامیدنی، صنایع غذایی، صنایع الکترونیکی، کاغذسازی و بسیاری از موارد دیگر است [1].
1-7-2- نانو فیلتراسیون(NF)
نانوفیلتراسیون شکلی از فیلتراسیون است که غشاها را به منظور جداسازی سیالات یا یونهای گوناگون بکار می گیرد. نانوفیلتراسیون یه صورت اسمز معکوس ملایم تری عنوان می گردد، چرا که حفرات غشایی بزرگتری در مقایسه با غشاهای اسمز معکوس دارد. بدلیل اینکه این غشاها در فشارهای بسیار پایین تری کار کرده و برخی از مواد معدنی را از خود عبور می دهند، نانو فیلتراسیون می تواند در مواردی که حذف بالای مواد آلی مورد نیاز است و همچنین در حذف متوسط مواد معدنی کاربرد داشته باشد. این روش قادر به تغلیظ شکر، نمکهای دو ظرفیتی و پروتیینها می باشد. مزیت این روش بر اسمز معکوس این است که نانوفیلتراسیون معمولاً در بازیافتهای بالاتری کار میکند در نتیجه در آب کل مصرفی صرفه جویی خواهد شد که ناشی از سرعت جریان با غلظت پایین تر است ولی این روش در مورد ترکیبات آلی با جرم ملکولی پایین مانند متانول موثر نیست. نانوفیلتراسیون از نظر هزینه انرژی و دفع یون و ابعاد حفرات در بین روشهای دیگر شرایط بهینه ای را ایجادکرده است. با یک نانوفیلتر می توان میزان غلظت یک باکتری را در یک محصول غذایی محلول به صفر رساند [1].

شکل1-4– فرآیند جداسازی نانوفیلتراسیون
1-7-3- اولترا فیلتراسیون(UF)
تکنولوژی جداسازی توسط غشا، با بهره گیری از توانایی های خاص خود جایگاه ویژه ای در فرآیندهای جداسازی پیدا کرده است. اولترافیلتراسیون یکی از مهمترین فرآیندهای این تکنولوژی است که در زمینه جداسازی ذرات، بویژه پروتئین ها قابلیت فراوانی دارد. غشاهای مورد استفاده در این فرآیند از نوع غشاهای متخلخل بوده و عمدتا پلیمری می باشند. نیروی محرکه لازم برای انتقال جرم، اختلاف فشار بوده که در محدوده بین 2 تا 10 بار اعمال می شود. در مصارف صنعتی غشاها در بسته های خاصی که مدول نامیده می شود مورد استفاده قرار می گیرند. در استفاده از این غشاها یک سری محدودیت هایی وجود دارد که مهمترین آنها پدیده گرفتگی است. بروز این پدیده موجب کاهش راندمان و عمر مفید غشا می گردد. از اولترافیلتراسیون برای جداسازی ماکرومولکول ها، کلوئیدها و مواد جامد سوسپانسیونی با اندازه 10-1000 آنگستروم استفاده می گردد. اساس کار غشاهای اولترافیلتراسیون تحت فشار، برطبق اندازه مولکولی استوار است معمولا مواد کوچکتر از غشا عبور نموده در حالیکه قطعات بزرگتر محلول باقی می مانند و تغلیظ می شوند. مهمترین عامل محدودیت استفاده از غشاهای اولترافیلتراسیون پدیده گرفتگی است. بطوریکه این پدیده بیشترین حجم تحقیقات را به خود اختصاص داده است. پدیده گرفتگی غشا ناشی از تجمع رسوب برگشت پذیر مواد از جمله کلوئیدها، ماکرومولکول ها و نمک برروی سطح غشا و یا درون ساختار آن است، این پدیده تابع خواص شیمی-فیزیکی خود غشا و اجزای موجود در سیال است. نتایج حاصل از وقوع گرفتگی عبارتند از: کاهش عمر غشا، افزایش فشار لازم برای فرآیند، تغییر قدرت نگهدارندگی غشا برای اجزاء و در نهایت کاهش شار تراوه فرآیند جداسازی. اولترافیلتراسیون بیشتر در جداسازی محلولی که بصورت مخلوطی از مواد مطلوب و نامطلوب است بکار می رود. اولترافیلتراسیون تا حدی بستگی به عواملی چون بار و اندازه ذره دارد. انواع گونه هایی که از این غشاها برگشت داده می شوند شامل: بیوملکولها، پلیمرها و ذرات کلوئیدی است. نیروی محرکه برای انتقال از غشا اختلاف فشار می باشد، فرآیندهای الترافیلتراسیون در 2-10 بار کار می کند که البته در بعضی از موارد امکان کار در فشارهای بالای 20-30 بار نیز وجود دارد. در این فرایندها زلال سازی خوراک، تغلیظ حل شونده برگشت داده شده و جز به جز کردن حل شونده انجام می شود. این روش در جداسازی جریانهای آلی روش چندان موثری نیست و غشاهای اولترا فیلتراسیون قادر به نگهداری گونه هایی هستند که دارای وزن مولکولی در محدوده 300-500000 دالتون و اندازه حفرات از 10-1000 آنگستروم باشد. این روش معمولاً در جداسازی ماکرومولکولهایی نظیر: پروتیئنها از حلالهایی با جرم ملکولی پایین کاربرد دارند. حفرات لایه پایینی غشا به طور نسبی بزرگتر از لایه سطحی بوده و هنگامی که حلال در درون غشا جریان می یابد گونه های باقی مانده برروی سطح غشا متمرکز شده و مقاومتی در برابر جریان ایجاد می کنند. در فرآیند سوسپانسیونی نیز به صورت رویه متخلخل برروی سطح غشا جمع می شوند. فرآیند اولترا فیلتراسیون بستگی به خواص فیزیکی غشا مانند: نفوذ پذیری، ضخامت، متغیرهای فرآیندی مانند: مصرف خوراک، غلظت خوراک، فشار سیستم، سرعت و دما دارد. محدوده کاربردی این روش در تصفیه زایدات امولسیونی نفت، تغلیظ ماکرومولکولی بیولوژیکی و تغلیظ پروتیئنهای حساس به حرارت برای افزودنیهای غذایی است [1].

شکل1-5– جداسازی اولترا فیلتراسیون
1-7-4- میکروفیلتراسیون(MF)
میکروفیلتراسیون فرایندی است که در آن اندازه حفرات بین 1-10 میکرون بوده و میکرو ارگانیزم ها نمی توانند از آن عبور کنند. این فرآیند برای جداسازی موادی با سایز ملکولی می باشد که از مکانیسم غربالی برای باقی ماندن ذرات بزرگتر از اندازه قطر حفرات استفاده می کند. در این فرآیند از پلیمرهای طبیعی و سنتزی مانند: نیترات یا استات سلولز، پلی آمیدها و پلی سولفون ها استفاده می شود. علاوه بر آن مواد معدنی مانند اکسیدهای فلزی، شیشه و کربن با پوشش زیرکوین نیز برای تولید این غشاها بکار می روند. این غشاها در صنایع دارویی و غذایی کاربرد وسیعی دارند.

شکل1-6– جداسازی میکروفیلتراسیون
1-8- کامپوزیت
کامپوزیت ها موادی که حاصل هوش و فراست و پژوهشهای هزاران دانشگرند که هرروز بیشتر مایه شگفتی می شوند: سبکترند و در برابر ضربه،خوردگی و دماهای بسیار بالا مقاومت بیشتری دارند، یعنی همان موادی هستند که انسان همیشه آرزوی آنرا داشته است.
در آغاز کامپوزیت ها را برای بهبود کیفیت کار موشکهای نظامی می ساختند و بعد در تسخیر فضا به کارگرفته شد و امروزه همه عرصه های صنعت و زندگی روزمره را فتح کرده است. از اتومیبل سازی تا پل و ساختمان سازی، هلیکوپتر، جلیقه ضدگلوله، وان حمام، کپسول هوای فشرده آتش نشانی، زندگی امروزه بدون استفاده از کامپوزیت ها نا ممکن است.
1-8-1- کامپوزیت چیست؟
واژه کامپوزیت کامپوزیت را می توان چنین معنی کرد: مرکب، مخلوط، آمیزه یا چند سازه .
اما همین جا باید تأکید کرد که کامپوزیت ها گرچه ترکیبی از چند ماده هستند اما ترکیب شیمیایی نیستند بلکه در واقع مخلوط و آمیزه ای از چند ماده هستند. می دانیم که در دانش شیمی "ترکیب" و"مخلوط" دو مفهوم جداگانه هستند و تفاوتهای بنیادی با هم دارند از جمله اینکه اجزای تشکیل دهنده مخلوط ماهیت خود را حفظ می کنند و مولکولهایی از انواع گوناگون هستند اما اجزای تشکیل دهنده ترکیب خواص اولیه خود را از دست می دهند و ترکیب ها و مولکولهایی یکسان دارند.
بطور کلی مواد (در علم مواد) به سه دسته تقسیم می شوند: 1- فلزات 2- سرامیک 3- مواد مصنوعی(پلیمرها) چهارمین گروهی که می توان به این سه اضافه کرد کامپوزیتها هستند.کامپوزیتها موادی هستند که از دو یا چند ماده یاد شده در بالا تشکیل شده اند و دارای خواص جدیدی هستند که منحصر به خود آنهاست [12].
آن چرا که در مورد تقسیم بندی مواد گفتیم در شکل مقابل می توان خلاصه کرد
فلزات نیم رساناها سرامیکها سیلکونها پلیمرها

شکل 1-7-تقسیم بندی مواد
1-8-2- از کاهگل تا کامپوزیتهای پیشرفته:
در فرهنگ متالورژی کامپوزیت را مواد مرکب و مواد چندسازه معنی کرده اند یعنی موادی که از اتصال دو یا چند ماده ساخته شده اند مثل: سرامیک و فلز، فیبر و فلز، پلاستیک و الیاف شیشه، الیاف کربن و پلاستیک و ..... ماده جدیدی که در این اتصال بوجود می آید (یعنی کامپوزیت) معمولاً از چند جنبه کیفیت بهتری نسبت به اجزای سازنده خود دارد. مثلاً مقاومتش در برابر ضربه یا حرارت بیشتر است. اولین کامپوزیت ساخت بشر کاهگل است که مخلوطی از کاه و گل برای اندود بام و دیوار به کار رفته است. در نواحی مختلف ایران تنورهای یافت شده اند که در ساختن آنها گل را با پودر شیشه و پشم بز در آمیخته اند تا مقاومت تنور در برابر گرما و ضربه افزایش یابد. در معماری خشتی ایران (که ارگ بم نمونه ای از شاهکار آن است) نیز برای افزایش مقاومت خشتها خاک رس را با کاه، خرده سنگ، خاکستر، موی بز، پوست برنج، الیاف خرما و حتی فضولات چهارپایان در می آمیختند. اینها در واقع کامپوزیتهای ابتدایی بوده اند اما کامپوزیتهای پیشرفته جدید ثمره نیازهای پیشرفته جدید هستند. سازندگان اتومیبل، موشک یا سفینه های فضایی همواره می کوشند استحکام را با سبکی آشتی دهند و کامپوزیتها هم مقاومت زیادی در برابر فشار دارند و هم سبکترند .ابتدا از کامپوزیتها فقط در ساختن هواپیما ، موشک و ماهواره استفاده می کردند اما امروزه نقش کامپوزیتها در زمینه های ساختمان سازی ، حمل و نقل، الکترونیک، صنایع دریایی و دهها زمینه دیگر بسیار افزایش یافته است و هر سال در جهان 6/4 میلیون تن کامپوزیت تولید می شود. کامپوزیتها را معمولاً به سه دسته تقسیم می کنند:
1- کامپوزیت های پایه پلیمری(ترکیبی از الیاف شیشه و رزین) پیش از 90% کامپوزیتهایی که در صنایع و موارد مختلف مصرف می شوند از کامپوزیتهای پایه پلیمری هستند.
2- کامپوزیتهایی پایه فلزی: که در آنها یک فلز با فلز دیگری همراه می شوند. مثلاً الیاف تنگستن را بصورت تور می بافند و با آلومینیوم اندود می کنند، حاصل کار کامپوزیتی است که نه مانند تنگستن سنگین است و نه مانند آلومینیوم شکننده.
3- کامپوزیتهایی پایه سرامیکی: از این کامپوزیت ها بیشتر در صنایع نظامی استفاده می شود اگر چه در صنعت خودرو نیز مصارفی دارند ولی هنوز چندان تجاری نشده اند و عمده ترین مشتری این کامپوزیتها به شرح زیر می باشند:
صنعت ساختمان : 42%
صنعت حمل و نقل: 30%
صنعت برق: 17%
سایر صنایع: 10%
صنعت هوا و فضا (گرچه خود بنیانگذار کامپوزیت است): 1% [12].
1-8-3- کاربردهای دیگر کامپوزیت ها:
صنایع دریایی: کامپوزیت ها بدلیل پایداری بسیار خوب آنها در محیط های خوردنده کاربردهای وسیعی در صنایع دریایی پیدا کرده اند از جمله: ساخت بدنه قایق ها، کشتی ها، تأسیسات فراساحلی، لوله ها و نرده های کامپوزیتی [12].
تجهیزات ورزشی: تولید وسایل و تجهیزات ورزشی از جمله راکت تنیس، چوب اسکی، کلاه ایمنی برای موتور سواران.
انواع لوله ها برای انتقال آب، فاضلاب، نفت و مواد شیمیایی، مخازن تحت فشار
1-8-4- ساخت کامپوزیت
مشخصات استثنایی کامپوزیت های خوب،ناشی از شیوه ی ساخت شدن آنهاست. مثلاً برای ساختن یک کامپوزیت کربن + کربن نخست یک پایه یا زمینه می سازند، پایه ممکن است از هزاران میله کربن درست شده باشد، این میله ها را به اشکال مختلف لایه چینی می کنند. طرز قرار گرفتن میله ها و زاویه آنها با یکدیگر بر حسب موارد استفاده از کامپوزیت فرق می کند. حداکثر مقاومت در راستای طولی میله هاست پس برحسب مقاومتی که از کامپوزیت انتظار داریم می توان میله ها یا الیاف را در چند جهت روی هم قرار داد:
1- در یک جهت
2- در دو جهت متقاطع
3- در سه جهت
آنگاه باید این مجموعه را بصورت یک قالب در آورند برای اینکار فواصل میان میله ها را با کربن پر می کنند، بعد نوبت چگال کردن یا متراکم کردن کامپوزیت می رسد. برای اینکار قالبی که به دست آمده در چندین نوبت و مدت ده ها ساعت به کوره می رود و پخته و متراکم می شود. دمای کوره به 1000 درجه سانتیگراد می رسد بعد از این مرحله کامپوزیت کربن + کربن بصورت یک قطعه در می آید که چگالی آن یک و نیم تا دو گرم بر سانتیمتر مکعب است، حالا از این قطعه می توانیم آن چرا مورد نظر ماست بسازیم. در کامپوزیت های دیگری ممکن است قالب را از رزین اپوکسی انتخاب کنند اگر بخواهیم کامپوزیتی بسازیم که در دماهای بالا کمتر اکسیده شود می توانیم در مرحله چگال کردن از کربور سیلسیوم استفاده کنیم برای ساختن پایه و قالب از مواد دیگر گداز مثل کربن و سرامیک استفاده می شود به این ترتیب کامپوزیت هایی بدست می آید که پایداری مکانیکی خوبی دارند و هم در برابر دماهای بالا مقاومت می کنند [12].
1-8-5-روش های ساخت نانوکامپوزیت
روشهای زیادی در تولید نانوکامپوزیتها استفاده شده، ولی سه روشی که از ابتدای کار توسعه بیشتری یافته‌اند عباراند از: پلیمریزاسیون in situ ، ترکیب محلول القاشدن و فرآیند ذوبی .
روش اینسیتو عبارت است از وارد نمودن یک پیش ماده پلیمری بین لایه‌های رسی و آنگاه پهن کردن و سپس پاشیدن لایه‌های رسی درون ماده زمینه (matrix) با پلیمریزاسیون. ابتکار این روش بوسیله گروه تحقیقاتی شرکت تویوتا بود و زمانی رخ داد که می‌خواستند نانوکامپوزیتهای خاک رس / پلیمر6 را بسازند. این روش قابلیت و توانایی تولید نانوکامپوزیتهایی با لایه لایه شدگی خوب را دارد و در محدوده وسیعی از سیستم های پلیمری، کاربرد دارد. این روش برای کارخانه‌های پلیمر خام مناسب است تا در فرآیندهای سنتزی پلیمر، نانوکامپوزیت‌های رسی / پلیمر بسازند و مخصوصاً برای پلیمرهای ترموستینگ (پلیمرهایی که در برابر گرما مستحکم‌تر می‌شوند) بسیار مفید است.
روش ترکیب محلول القا شده (solution induced interceletion) از یک حلال برای بارگیری و پخش رس‌ها در محلول پلیمری استفاده می‌شود. این روش هنوز مشکلات و موانع زیادی را در راه تولید تجاری نانوکامپوزیت‌ها پیش رو دارد. قیمت بالای حلالهای مورد نیاز و همچنین مشکل جداسازی فاز حلال از فاز محلول تولید شده، از جمله این موانع هستند. همینطور در این روش، نگرانیهایی از نظر امنیت و سلامتی وجود دارد . با این وجود این روش در مورد پلیمرهای محلول در آب قابل اجرا و مقرون به صرفه است، بخاطر قیمت پایین آب که بعنوان حلال استفاده می‌شود و همچنین امنیت بیشتر و خطر کمتر آن برای سلامتی.
در روش فرآیند ذوبی، ترکیب خاک رس و پلیمر در حین ذوب شدن انجام می‌شود. بازده و کارآیی این روش به اندازه روش اینسیتو نیست و کامپوزیتهای تولید شده، ورقه‌ورقه شدگی کمی دارند. به هر حال این روش می‌تواند در صنایع تولید پلیمر قدیمی که در آنها از روشهای قدیمی مانند قالبگیری و تزریق (Extrution and injection molding) استفاده می‌شود، بکار رود و اتفاقاً نقش مهمی در افزایش سرعت پیشرفت تولید تجاری نانوکامپوزیت‌های رس / پلیمر ایفا کرده است.
علاوه بر این سه روش با روش‌های دیگر نیز در حال توسعه هستند که عبارتند از: ترکیب جامد، کوولکانیزاسیون و روش سل-ژل. این روشها بعضاً در مراحل ابتدایی توسعه هستند و هنوز کاربرد وسیع پیدا نکرده‌اند.
کاربرد غشاء پلی سولفونی را در تصفیه آب می توان امتحان کرد بدین صورت که سه فلز سنگین آرسنیک، کروم و کادمیوم را به خوبی از آب جدا می شود و گرفتگی آن نیز بسیار کند می باشد؛ هر چند که کاربرد های این غشا بیش از تصفیه آب است.
مهمترین خصوصیت این غشاها از نظر عملکرد در سیستم جداسازی، تراوش پذیری و گزینش پذیری آنهاست. برای برخی از این غشاها پایداری حرارتی و شیمیایی اهمیت دارد که بستگی مستقیم به جنس پلیمر آنها دارد و باید آنها را بر اساس این ویژگی ها انتخاب کرد.
بیشتر غشاهایی که اخیرا در فرایندهای جداسازی غشایی مورد استفاده قرار می گیرند غشاهای پلیمری و غیر متخلخل هستند و پایه عملکرد آنها مکانیسم حلالیت – نفوذ است. این مکانیسم در مقیاس مولکولی تراوش مولکولها از غشاء پلیمر است. در این مکانیسم فرض می شود مولکول در یک طرف غشا جدب می شود و از میان فضاهای خالی زنجیرهای پلیمر نفوذ می کند و در سطح دیگر دفع می شود [12].
1-9- کاربرد تکنولوژی غشا
تکنولوژی غشا یا membrane یکی از تکنولوژی های پر کاربرد در صنعت امروز است که حوزه کاربرد آن از صنعت آب فاضلاب تا صنایع غذایی و دارویی گسترده است [13].
1-10- محورهای اصلی کاربرد غشاها
1-10-1 صنعت آب و فاضلاب
جداسازی املاح آب در فرآیندهای تصفیه بصورت شیمیایی، بیو شیمیایی، میکروبی و غیره انجام می گیرد. مهمترین بخش در فرآیند جداسازی و فیلتراسیون املاح از آب غشاها هستند. برای مناطقی که آب آشامیدنی طبیعی مطلوبی ندارند، آب شیرین کن ها از دستگاههای پر مصرف محسوب می شوند. بطور مثال در ایران شهرهایی مثل قم از این مشکل رنج می برند که آب شیرین کن ها تا حد زیادی این مشکل را مرتفع نموه اند. حتی در شهرهایی که آب آشامیدنی به ظاهر مطلوبی دارند، دستگاههای آب شیرین کن بازار خوبی داشته اند چرا که به هر حال آب جاری طبیعی دارای آلودگی می باشد. اخیراً خبری در مورد کشور چین منتشر شده که این کشور با مشکل آب مواجه است در حالی که کشور چین دارای رودخانه های بزرگ بوده و دارای میانگین بارش سالانه بالا می باشد. بنابراین چنین کشوری نیز با جمعیت زیاد نیاز به تصفیه آب و استفاده از تکنولوژی غشایی دارد. فاضلاب نیز پس از یک حد مشخص از آلودگی دیگر برای شرب مناسب نیست ولی با تصفیه می توان از آن در استفاده هایی نظیر کشاورزی یا کارهای عمرانی استفاده کرد. روشهای تصفیه ای که مبنی بر فرآیندهای تبخیر و میعان هستند مصرف انرژی بالایی دارند، به ویژه در فرآیند میعان میزان مصرف انرژی بیشتر است. ولی در تکنولوژی غشاء این مشکل وجود ندارد و می تواند به عنوان جایگزین خوبی برای روشهای قدیمی تصفیه مطرح شود.
البته هزینه اولیه دستگاههای آب شیرین کن شاید زیاد باشد ولی دولت می تواند سوبسیدی که برای درمان بیماریهای انگلی میدهد به خرید دستگاههای تصفیه بدهد و از شرکتهایی که در زمینه توسعه چنین دستگاههایی فعالیت می کنند حمایت کند تا بتواند بتدریج هزینه های تولید را کاهش دهد.
1-10-2- صنایع غذایی
صنعت لبنیات، آبمیوه و صنایع تبدیلی دیگر که خود در حوزه صنایع غذایی قرار می گیرند یکی از مصرف کنندگان اصلی غشاها محسوب می شوند بطور مثال در سیستم های UF که در تولید پنیر استفاده می شوند غشاء به کار برده می شود. همچنین از سیستمهایی غشایی در پاستوریزاسیون و هموژنیزاسیون نیز استفاده می شودو در تولید انواع آبمیوه ها که منبع پروتئین برای انسان هستند از غشاء برای شفاف سازی و تا حدودی آلودگی زدایی استفاده می شود.
1-10-3- صنایع دارویی و پزشکی
تولید دارو با سیستمهای مختلفی انجام می شود، این دارو نیاز به خالص کردن دارد و اهمیت خالص سازی دارو کمتر از تولید دارو نیست. بطوریکه تولید دارو 30 درصد از هزینه های دارویی را در بر میگیرد در حالیکه 70 درصد هزینه ها صرف خالص سازی دارو می شود. مهمترین عنصر در فرآیند خالص سازی غشاها هستند که در فرآیندهایی مانند: دیالیز، میکروفیلتراسیون و نانوفیلتراسیون بکار برده می شوند. در پزشکی نیز در سیستمهای رهایش دارو یا ایمپلنتهایی که باید جذب و دفع کنترل شده در بدن داشته باشند از غشا استفاده می شود.
1-10-4- تصفیه هوا و خالص سازی گازها
یکی از محورهای اصلی کاربرد غشا تصفیه هوا و یا تولید گازهای خالص مانند: اکسیژن خالص و نیتروژن خالص می باشد. که این گازها کابردهای صنعتی زیادی دارند. در فرآیند PSA که در تولید اکسیژن و نیتروژن خالص بکار برده می شود از غشاها استفاده می شود. امروزه عقیده براین است که اگر بتوان از طریق غشایی مقداری اکسیژن وارد موتور خودرو کرد احتراق بهتر صورت میگیرد.
1-10-5-کاربردهای دیگر
زمینه های صنعتی فراوان دیگری نیز وجود دارد که در کنار محورهای اصلی ذکر شده در بالا، در حوزه کاربردهای تکنولوژی غشا قرار می گیرند. از جمله سه محصول صنعتی مهم که در کشور با همین تکنولوژی تولید می شوند عبارنتد از: گاز کلر، آب ژاول و سود. گاز کلر تولید شده به این روش بسیار با کیفیت است بطوریکه حتی به کشورهای منطقه صادر می شود. در فرآیندهای خالص سازی عناصری مثل اورانیوم نیز در صنایع هسته ای بکار می رود از غشا استفاده می شود [13].
1-11- غشاهای بستر آمیخته


مطالعات برروی ساختار غشا جهت افزایش کارایی آنها همچنین ادامه دارد. یک راه جهت استفاده از ویژگی های هر دو نوع غشاهای آلی و غیر آلی، ساخت غشاهای پلیمری پر شده از ذرات پر کن که در فاز پلیمری به صورت پکنواخت پخش شده اند می باشد. این نوع از غشاها، غشاهای بستر آمیخته نامیده می شوند [14] که دارای گزینش پذیری و تراوایی در حد غشاهای غیرآلی می باشند. بازده جداسازی غشاهای بستر آمیخته می تواند با اصلاحات شیمیایی بهبود یابد. وجود گروه های عاملی آلی بر سطح پر کن غیر آلی علاوه بر این که برای پخش بهتر مواد غیر آلی در فاز پلیمری کمک می نماید، بلکه موجب افزایش گزینش پذیری نیز می شود [15]. در این غشاها از شکنندگی ذاتی غشاهای غیر آلی به دلیل استفاده از پلیمر منعطف جلوگیری می گردد [14]. در مقادیر کم فاز غیر آلی، ذرات پرکن می توانند در جداسازی مؤثر باشند، در مقادیر بالای پرکن، ناحیه هایی از ذرات به هم متصل شده، تشکیل می شود. حتی ممکن است در مقادیر بالاتر این ناحیه ها رشد کرده و مسیرهای پهنی را ایجاد کنند. در مقادیر بالاتر، کانال های پیوسته در داخل غشا شکل می گیرد.
فاز پیوسته (B) عموما بستر پلیمری یا سرامیکی است فاز پخش شده (A) می تواند غربال مولکولی جامد یا مایع باشد. مدل ماکسول ابزاری ساده و مؤثر برای پیش بینی ویژگی های غشاهای بستر آمیخته برای جداسازی H2/CO2 توسط غشای بستر آمیخته سلولز استات-سیلیکالیت در سال 1980 مطرح شد. کارهای برجسته در مورد غشاهای بستر آمیخته انجام شده که می توان به موارد زیر اشاره کرد: جداسازی N2 از هوا [16-17]، CO2 از گاز طبیعی [17]، n-پنتان از i-پنتان [18] و در جداسازی مایعات: جداسازی مخلوط آب و اتانول و مخلوط تولوئن-اتانول [18].
1-12-انواع غشاها
غشاها در حالت کلی به دو دسته غشاهای آلی و غیر آلی تقسیم می شوند از مهمترین غشاهای آلی، غشاهای پلیمری هستند این غشاها چگال می باشند، به همین دلیل گزینش پذیری بالایی دارند. از مهمترین غشاهای غیر آلی می توان به غشاهای سرامیکی اشاره کرد. مهمترین ویژگی غشاهای سرامیکی متخلخل تراوایی بالای آنهاست. می توان با استفاده از یک سیستم ترکیبی از غشاهای آلی-غیر آلی، از گزینش پذیری خوب غشاهای پلیمری و در عین حال از تراوایی و استحکام مکانیکی، شیمیایی و گرمایی بالای غشاهای سرامیکی استفاده کرد به این ترتیب که غشاها برروی پایه های نانوساختار سرامیکی پوشش داده می شوند. غشاهای هیبریدی که در سالهای اخیر تحولات چشم گیری در فرآیندهای جداسازی گازها ایجاد کرده اند، می توانند به عنوان انتخابی مناسب در شیرین سازی گاز طبیعی مطرح شوند. استفاده از پایه های نانوساختار بر عملکرد این نوع غشاها بسیار اهمیت دارد. زیرا اکنون کارهای پژوهشی در این زمینه در مرزهای دانش است و مراکز تحقیقاتی مهم دنیا در مقیاس های آزمایشگاهی کارهای ارزشمندی را انجام می دهند [7].
1-13-مدل حلالیت نفوذ
بیشتر غشاهایی که اخیرا در فرایندهای جداسازی غشایی مورد استفاده قرار می گیرند غشاهای پلیمری و غیر متخلخل هستند و پایه عملکرد آنها مکانیسم حلالیت – نفوذ است. این مکانیسم در مقیاس مولکولی تراوش مولکولها از غشاء پلیمر است. در این مکانیسم فرض می شود مولکول در یک طرف غشا جذب می شود و از میان فضاهای خالی زنجیرهای پلیمر نفوذ می کند و در سطح دیگر دفع می شود. مطابق مدل حلالیت - نفوذ ، نقوذ مولکولها از میان غشا با دو پارامتر اصلی کنترل می شود : ضریب نفوذ (D) و ضریب حلالیت (S). ضریب حلالیت برابر نسبت دو پتانسیل جذب مثل فشار جزئی تعریف می شود. تراوایی(P) در رابطه (1-1)به صورت توانایی مولکولها برای نفوذ از غشا تعریف می شود.
(1-1)(1)

انتخاب پذیری غشا هم که توانایی جداسازی دو مولکول مانند A و B است به صورت نسبت تراوایی تعریف می شود.
(1-2)(2)

که از رابطه (1-1) و (1-2) رابطه (1-3) بدست می آید.
(1-3)
DA/ DB (انتخابگری نفوذ) نسبت ضرایب نفوذ دو مولکول و SA/ SB (انتخابگری حلالیت) نسبت ضرایب جذب قانون هنری است. توازن بین انتخابگری نسبت به نفوذ و انتخابگری نسبت به حلالیت مشخص کننده این است که آیا غشا در مخلوط خوراک نسبت به A انتخابگری دارد یا نسبت به B. گازها می توانند ضریب تراوایی بالایی داشته باشند ، چون ضریب حلالیت یا ضریب نفوذ یا حتی هر دو آنها زیاد است. عموما با افزایش اندازه مولکولهای گاز ضریب نفوذ کاهش و ضریب حلالیت افزایش می یابد. برای عملکرد خوب غشا هم تراوایی و هم انتخابگری باید بالا باشد. هر چه تراوایی بالا باشد سطح مورد نیاز غشا برای تصفیه گاز کمتر می شود و انتخابگری بالا خلوص گاز بالایی را در شرایط تراوایی یکسان به ما می دهد. پلیمرها با دمای گذار شیشه ای (Tg) بالا ، دمای ذوب بالا و کریستالی بودن بالا معمولا پیشنهاد می شوند. پلیمرهای شیشه ای (پلیمرهایی که زیر دمای گذار شیشه ای خود قرار دارند) استقامت بالایی دارند بنابراین مولکولهای ریز مثل H2 و He سریع عبور می کنند و مولکولهای بزرگ مثل هیدروکربن ها به آهستگی عبور می کنند. پلیمرهای تراوا انتخاب پذیری پایینی دارند.
با وجود تمام این مزایا غشاهای پلیمری نمی توانند به مشکل تناقض بین انتخابگری و تراوایی چیره شوند. در واقع غشاهای غیر آلی مثل غشاهای کربنی و زئولیتی دارای انتخابگری و تراوایی بالایی هستند اما در مقیاس بزرگ ساخت آنها سخت است. با توجه به نیاز بازدهی بالای غشاها در غشاهای پلیمری و غیرآلی یک نوع جدید غشاها اخیرا گسترش یافته به اسم غشاهای بستر آمیخته. غشاهای بستر آمیخته غشاهای ترکیبی هستند که ذرات جامد یا مایع یا هر دو آنها به عنوان پرکننده در بستر پلیمر جاسازی شده اند.

با غشاهای بستر آمیخته می توان به انتخابگری بالا با همان مقدار تراوایی یا تراوایی بیشتر در مقایسه با غشاهای پلیمری موجود دست یافت. با اضافه کردن فاز پخش شده می توان خواص جداسازی را بهبود بخشید.

شکل 1-8-فاز پیوسته و پراکنده در ساختار غشاهای بستر آمیخته
فاز بالک (B) عموما به عنوان پایه ، پلیمری یا سرامیکی است. فاز پخش شده (A) می تواند غربال مولکولی مایع باشد. مدل ماکسول ابزاری ساده و موثر برای پیش بینی خواص غشاهای بستر آمیخته است.
lefttop(1-4)
P: تراوایی : جزء حجمی فاز پخش شده ، زیر نویس MM اشاره به غشای بستر آمیخته دارد. M اشاره به فاز پیوسته و D اشاره به فاز پخش شده دارد.
1-14-تجهیزات لازم بررسی ساختار عملکرد غشاءها
1- میکروسکوپ الکترونیکی روبشی(SEM)
2- میکروسکوپ نیرواتمی(AFM)
3- اندازه گیری سطح غشاء با استفاده از زتاپتاسیل
4- اندازه گیری زاویه تماس
5- آنالیز طیف سنجی FTIR-ATR
6- آنالیز حرارتی ثقلی(TGA)
7- سیستم ارزیابی غشاها
1-15- تاریخچه گسترش غشا
مطالعات سیستماتیک پدیده غشا و فرآیندهای غشایی به قرن هجدهم برمی گردد. دانشمندان برای مثال اب نولت کلمه اسمز برای توصیف نفوذ آب از طریق دیافراگم را در سال 1748 ابداع کرد. در طول قرن نوزدهم و اوایل قرن بیستم غشا هیچ کاربرد صنعتی یا تجاری نداشت اما به عنوان ابزار آزمایشگاهی برای توسعه تئوری فیزیکی/ شیمیایی مورد استفاده قرار گرفت. به عنوان مثال محاسبه فشار اسمزی ایجاد شده توسط غشا توسط وانت هوف در سال 1887 که رفتار محلول های ایده آل رقیق را توضیح می دهد، استفاده شد. حدودا همان زمان، مفهوم کاملا گزینشی غشاء نیمه تراوا توسط ماکس ول و دیگران در توسعه نظریه جنبشی گازها استفاده شد. به زودی محققان آزمایشات غشا را با نوعی دیافراگم قابل دسترس به عنوان مثال، مثانه خوک، گاو یا ماهی و سوسیس روده ساخته شده از روده ی حیوانات شروع کردند. پس از آن غشاهای محلول شیمیایی (نیتروسلولز) ترجیح داده شد زیرا آنها بایستی قابل تکثیر باشند. در سال 1907 بچهلد روشی را ابداع کرد که برای آماده سازی غشاهای نیتروسلولزی با اندازه منافذ مدرج که با یک آزمایش حباب تعیین می شد، مورد استفاده قرار گرفت. در اوایل سال 1930 غشای میکرو منفذ به صورت تجاری در دسترس بود.در طی 20 سال آینده تکنولوژی غشای میکروفیلتراسیون برای پلیمرهای دیگر، به طور ویژه استات سلولز، گسترش پیدا کرد. اولین کاربرد غشاهای یافت شده در تست آب آشامیدنی در پایان جنگ جهانی دوم بود. در سال 1960 که علم مدرن غشا گسترش یافته بود، غشاها تنها در چند آزمایشگاه کوچک تخصصی، استفاده شد. هیچ غشای قابل توجه صنعتی وجود نداشت و مجموع فروش سالانه غشا برای تمام کاربردهای صنعتی احتمالا بیش از 20 میلیون دلار در سال 2003 نمی شود. غشاها دارای 4 مشکل هستند که مانع کاربرد وسیع شان به عنوان یک فرآیند جداسازی می شود: آنها غیرقابل اعتماد، بیش از حد آهسته، همچنین غیر گزینشی و بیش از حد گران هستند. راه حل های هرکدام از این مشکلات در طول 30سال گذشته گسترش یافتند. فرآیندهای جداسازی مبتنی بر غشا اکنون رایج هستند. در دوره 1960-1980 یک تغییر ویژه در وضعیت تکنولوژی غشا ایجاد شد. دیگر فرآیندهای شکل گیری غشا، از جمله پلیمریزاسیون بین سطحی و ریخته گری کامپوزیت و پوشش چند لایه برای ساخت غشاهایی با کارایی بالا توسعه داده شد. با استفاده از این فرآیند غشاهایی با لایه های گزینشی به ضخامت µm 1/0 یا کمتر حالا توسط تعدادی از شرکت ها تولید می شوند. در سال 1980 میکروفیلتراسیون و اولترافیلتراسیون و اسمز معکوس و الکترودیالیز فرآیندهای ایجاد شده و گسترش یافته در جهان هستند[19].
1-16- تاریخچه غشاهای بستر آمیخته
با توجه به نیاز بازدهی بالای غشاها در غشاهای پلیمری و غیر آلی، نوع جدید غشاها اخیراَ به نام غشاهای بستر آمیخته گسترش یافته است. غشاهای بستر آمیخته غشاهای ترکیبی هستند که در آنها جامد یا مایع یا هردو به عنوان پر کننده در بستر پلیمر جاسازی شده اند [3] پژوهش بر روی غشاهای بستر آمیخته از سال 1980 با سرعت قابل ملاحظه ای به صورت پیوسته رو به افزایش است. اکنون یافته های تجربی و آزمایشگاهی، برتری نسبی جداسازی غشاهای بستر آمیخته نسبت به غشاهای پلیمری خالص را نمایان گر ساخته است. با توجه به جدید بودن این نوع از غشاها، فضای کاری زیادی برای مطالعات آینده پیش رو قرار دارد [19].
استراتژی مورد استفاده در غشاهای بستر آمیخته مربوط به ترکیب خواص غشاهای پلیمری و غشاهای معدنی در یک غشا است و این کار با پخش پرکننده ها در بستر پلیمرها انجام می شود. همانطور که قبلا هم بیان شد سه نوع غشای بستر آمیخته داریم : جامد – پلیمر ، مایع – پلیمر و جامد – مایع – پلیمر. بستر پلیمر از پلیمرهای شیشه ای که ارزان هستند (مثل پلی ایمید ، پلی سولفون ، پلی اتر سولفون یا سلولوزاستات) یا پلیمرهای لاستیکی (کائوچویی ) ، (مثل silicone rubber) انتخاب می شوند. در غشاهای بستر آمیخته جامد – پلیمر پرکننده های جامدی که در پلیمر پخش می شوند شامل غربال های مولکولی ریزتخلخل مثل زئولیت ها ، کربن فعال ، غربال مولکولی کربنی ، سیلیکا ، C60 ، TiO2 و... می شوند. امروزه غشاهای بستر آمیخته پلیمر – زئولیت به صورت گسترده و با صرفه اقتصادی با ذرات پر کننده درشت زئولیت که در اندازه میکرون می باشند مورد استفاده قرار می گیرند. اخیرا استفاده از ذرات زئولیتی در اندازه نانو هم به عنوان پر کننده در غشاهای بستر آمیخته گزارش شده است[19].
در غشاهای بستر آمیخته پلیمر – مایع ، پلی اتیلن گلیکول (PEG) با فاز پیوسته ترکیب می شود. نوع جدید غشاهای بستر آمیخته جامد – مایع – پلیمر هستند که اخیرا گسترش پیدا کرده اند. فاز جامد مانند کربن فعال با پلیمر مایع مانند PEG اشباع می شود که به عنوان تثبیت کننده ی پلیمر مایع در فاز پلیمر پیوسته می باشد. از طرفی کربن فعال کارایی غشاهای بستر آمیخته را افزایش می دهد. با تجاری شدن فرایندهای جداسازی غشایی در اواسط 1980 دو نوع از غشاهای بستر آمیخته گسترش یافتند. نوع اول غشاهای بستر آمیخته جامد – پلیمر با جاذب جامد معدنی که در بستر پلیمر جاسازی شده است می باشد. پلیمر می تواند سلولوز استات ، پلی سولفون ، پلی اتر سولفون یا پلیمرهای مرکب پلی الکترولیت باشد. جاذب جامد می تواند زئولیت هایی مانند NaA ، NaY ، NaX ، AgX ، سیلیکالیت ، آلومینا یا کربن فعال باشد. نوع دوم غشاهای بستر آمیخته پلیمر مایع هستند که از ریخته گری PEG یا پرکننده های مایع دیگر بر روی پایه سلولوز استات یا پلی سولفون باشد[19].
هر دو نوع غشاهای بستر آمیخته برای جداسازی گازهای قطبی و غیرقطبی ، دی اکسید کربن از نیتروژن و متان و پارافین های سبک از اولفین های سبک مورد ارزیابی قرار گرفتند[18].
اخیرا نوع سومی گسترش یافته که ترکیبی از جامد – مایع – پلیمر است. در این نوع جامد مانند کربن فعال با پلیمر مایع مانند پلی اتیلن گلیکول اشباع می شود. کربن اشباع شده سپس در بستر پلیمر که پیوسته است پخش می شود. مخلوط حاصل بر روی غشای پلیمری متخلخل نشانده می شود. این نوع ترکیب دارای خواص فاز پیوسته پلیمری ، پرکننده های جامد و فاز مایع می باشد[19].

1-9-ساختار شیمیایی پلی سولفون
بخش دوم
مواد، تجهیزات و کارهای تجربی
قلب یک فرآیند غشایی، غشای به کار گرفته شده در آن فرآیند می باشد. برای پوشش دادن همه فرصت های پیش رو فرآیندهای جداسازی غشایی، بایستی بتوان از مواد مناسب تر و بهتری بهره گرفت. معیارهای انتخاب یک ماده مناسب برای ساخت غشا برای یک جداسازی از پیش تعیین شده فراوان می باشد. اما از میان این معیارها، تراوایی و گزینش پذیری غشا در درجه اهمیت بالاتری قرار دارند. تراوایی و گزینش پذیری بالا، انعطاف پذیری دیگر پارامترهای سیستم، مانند سطح مورد نیاز کمتر برای دستیابی به یک جداسازی مشخص را بیشتر می کنند بنابراین جداسازی کاراتری بدست خواهد آمد.
2-1-انتخاب مناسب فاز پلیمری
2-1-1- غشای پلیمر پلی سولفون
پلی سولفون به عنوان ترموپلاست (پلاستیک گرما نرم) استفاده می شود. نام های دیگر آن عبارتند از لاسولف، ادل، التراستون. این پلیمر دارای گروههای آروماتیکی و سولفون (SO2) است و در سال 1965تولید شد، این پلیمر از واکنش دی فنل و بیس (4-کلرو فنیل) سولفون بدست می آید.ضریب تراوش پذیری پایین، انتخابگری بالا قابلیت خوب شکل پذیری بصورت فیلم و پایداری حرارتی از جمله خواص پلی سولفون برای کاربردهای جداسازی گازها می باشد.

به واسطه خواص خوب مکانیکی، مقاومت شیمیایی بالا و دمای تبدیل شیشه ای بالا پلیمر پلی سولفون به مقدار زیادی در تهیه غشاهای نامتقارن (معمولاً در محدوده الترافیلتراسیون و میکروفیلتراسیون) مورد استفاده قرار می گیرد. از غشاهای پلی سولفونی همچنین به عنوان لایه حفاظتی در تهیه غشاهای نانوفیلتراسیون و اسمز معکوس استفاده می شود [20] غشاهای الترافیلتراسیون پلی سولفونی، ترشوندگی بسیار پایینی را دارند. بواسطه برهمکنشهای هیدروفوبی بین غشا و حل شوندهای آبگریز این خاصیت در غشاهای پلی سولفونی مشکلات انسداد زیادی را در پی خواهد داشت [22] بطور کلی افزودنی ها باعث تشکیل روزنه ها، افزایش آبدوستی غشا و ایجاد ساختار اسفنجی در غشا می شود [21] به منظور آبدوست تر نمودن غشاهای پلی سولفونی روشهای متعددی مورد استفاده قرار گرفته است این روشها شامل ترکیب پلیمرها [23] اصلاح شیمیایی [24] استفاده از پلاسما به منظور اصلاح [25] گرافت پلیمری با استفاده از اشعه ماوراء بنفش[26] و استفاده از نانو مواد مانند دی اکسید تیتانیوم و اکسیدآلومینیوم در تهیه غشاهای الترافیلتراسیون می باشد [27] .
یکی از مزایای پلی سولفون حسایست آن نسبت به نور می باشد بطوریکه غشاهای پلی سولفونی تحت تابش نور ماوراءبنفش تولید رادیکالهای آزاد می نماید. انجام گرافت با استفاده از تابش اشعه ماورابنفش بطور کنترل شده ای خصوصیات سطحی غشا را اصلاح می کند، بطوریکه با گرافت مونومرهای مشخص بر سطح غشا، به راحتی می توان غشاهایی با خصوصیات ویژه تولید نمود. نوع مونومر در این زمینه نقش مهمّی را بازی می کند[28] یاماگیشیو همکارانش گرافت مونومرهای وینیلی بر سطح غشاهای پلی سولفونی و پلی اترسولفونی را با استفاده از ترکیب موادهای مختلف مورد مطالعه قرار دادند[29]. با استفاده از این روش در ابتدا با تابش اشعه ماوراءبنفش به سطح غشا، رادیکالهای آزاد بوجود می آید. رادیکالهای بوجود آمده واکنش پذیر می باشد و پلیمراسیون مونومرهای وینیلی در این موفقیت ها صورت می پذیرد. در تابشهای شدیدتر و غلظتهای بالا از مونومر، بوسیله گرافت زنجیره پلیمری بر دیواره روزنه ها، روزنه های غشایی اولترافیلتراسیون تبدیل به روزنه هایی در محدوده نانوفیلتراسیون خواهد شد. از سویی دیگر مطابق با نوع مونومروینیلی، عوامل فعال شیمیایی همچون گروههای کربوکسیل و سولفات بردهانه دیواره روزنه هایی غشا شکل می گیرد. از طریق این دو واکنش یعنی کاهش حجم آزاد روزنه ها و باردار کردن دیواره روزنه ها، غشاهای الترافیلتراسیون اولیه تبدیل به غشاهای نانوفیلتراسیون می شود[30و31و32].
یاکسین ما و همکارانش غشاء نانوکامپوزیتی پلی سولفون - خاک رس را با درصدهای وزنی مختلفی از خاک رس به روش وارونگی فاز ناشی از غیر حلال آماده کرده اند. N-Nدی متیل استامید ،LiCl و آب مقطر به ترتیب به عنوان حلال، یک ماده منعقد کننده و یک عامل تشکیل منافذ، استفاده شده. مورفولوژی و ساختار غشاء توسط اسکن میکروسکوپ الکترونی مورد بررسی قرار گرفته، عملکرد غشا در شرایط عبور پروتئین، تخلخل، زاویه تماس، شار عبوری آب خالص، مقاومت کششی ارزیابی شده است. نتایج بدست آمده حاکی از آن است که خاک رس پراکندگی خوبی در پلی سولفون داشته و افزودن خاک رس باعث افزایش آبدوستی غشا و افزایش مقاومت کششی غشا می شود [33].
آرش ملاحسینی و همکارانش غشای اولترافیلتراسیون پلی سولفون ضد باکتری را با استفاده از نانوذرات نقره تولید کردهاند. جهت توصیف مورفولوژی غشا ، آزمونهای پراش اشعه ایکس (XRD)، میکروسکوپ الکترونی (SEM)، میکروسکوپ نیروی اتمی(AFM)، و زاویه تماس انجام گرفته. مطالعات SEM نشان داده که اندازه منافذ سطح با اضافه کردن نانوذرات نقره در محلول ریخته گری شده،کاهش یافته. پارامترهای زبری سطح به دست آمده از تصاویر AFM مشخص می کند که نانوذرات نقره با اندازه70 نانومتر باعث به وجود آمدن سطحی ناهموارتر برای غشاء می شوند.این نوع غشا دارای خاصیت ضد باکتری بسیار بالایی می باشد[34و35و36].
احمد اکبری و همکارانش غشاهای پلی سولفون اولترافیلتراسیون که از طریق فرایند وارونگی فاز تهیه کردند، با تابش اشعه UV در حضور مونومر اسید اکریلیک(AA) بهینه کرده و به فرم نانوساختاری تبدیل کرده اند.در محلول پلیمری اولیه % 17 پلی سولفون، % 75 ، حلال-n متیل پیرولیدون و % 8 پلی اتیلن گلایکول (PEG) با اوزان مولکولی 200 ، 400و 600 به عنوان افزودنی استفاده شده. همه غشاها دارای ساختار غیرمتقارن میباشند. نتایج مربوط به آنالیزهای SEM بیانگر این موضوع می باشد.با افزایش وزن مولکولی PEG در محلول پلیمری، نفوذپذیری غشاها (PWF)افزایش می یابد. در عملیات گرافت با افزایش غلظت AA و زمان تابش ، PWF کاهش می یابد و میزان جداسازی نمکهایی چون سدیم کلرید و سدیم سولفات و اتیلن دی آمین تترا استیک اسید(EDTA) و ماکرومولکولهایی نظیر PEG بهبود می یابد. آستانه شکست غشاها به میزان 10000 دالتون اندازهگیری شده که دلالت بر اندازه روزنه هایی در محدوده 6/4 نانومتر دارد. آنالیز FTIR ،گرافت AA روی پلی سولفون را ثابت می کند [37].
یاکینگ ژانگ و همکارانش ذرات فسفریله TiO2 و SiO2 (PTS) را با خاصیت آبدوستی بالایی برای اولین بار با روش سل ژل ساخته اند و سپس برای آماده سازی یک غشای کامپوزیتی PTS/PSF از طریق فرآیند وارونگی فاز به یک غشای پلی سولفون (PSF) اضافه کرده اند. خواص ذرات غشا توسط اسکن میکروسکوپ الکترونی (SEM) ، طیف سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه، زاویه تماس آب، نفوذ شار، مقاومت کششی مورد مطالعه قرار گرفتند. نتایج نشان می دهد که ذرات PTS به صورت یکنواخت در غشا کامپوزیت PTS/PSF پراکنده شده اند و زاویه تماس آب از 0/78 به 5/45 درجه کاهش می یابد که خاصیت آبدوستی ذرات PTS را نشان می دهد و همچنین این نوع غشا خاصیت ضد رسوب و ویژگی های ضد تراکم نسبت به سایر غشاها، مانند SiO2/PSF را دارا می باشد. نتایج حاصل شده این می باشد که غشاء کامپوزیت PTS/PSF برای تصفیه فاضلاب حاوی روغن مطلوب هستند[38].
2-1-2-دلایل انتخاب نانو مواد
موضوع فناوری نانو طی سالهای اخیر بطور فزاینده‌ای مطرح شده است. عرصه نانو، محدوده‌ای بین ابعاد میکرو و ابعاد مولکولی است و این محدوده‌ای است که دانشمندان مواد و شیمیدان‌ها در آن به مطالعاتی پرداخته‌اند و اتفاقاً مورد توجه آنها نیز قرار گرفته است، مانند مطالعه در ساختار بلورها. ولی تکنولوژی که توسط علوم مواد و شیمی توسعه یافته و به نانومقیاس معروف است، نباید به عنوان نانوتکنولوژی تلقی شود. هدف اصلی در نانوتکنولوژی ایجاد کاربردهای انقلابی و خواص فوق‌العاده مواد، با سازماندهی و جنبش آنها و همچنین طراحی ابزار در مقیاس نانو می‌باشد. نانوکامپوزیت‌های خاک رس - پلیمر یک مثال موردی از نانوتکنولوژی هستند. در این نوع مواد، از خاک رس‌های نوع اسمکتیت ( Smectite ) از قبیل هکتوریت، مونت موریلونیت و میکای سنتزی، به عنوان پرکننده برای بهبود خواص پلیمرها استفاده می‌شود. خاک رس‌های نوع اسمکتیت، ساختاری لایه‌ای دارند و هر لایه، از اتمهای سیلیسیم کوئورانیه شده بصورت چهار وجهی که به یک صفحه هشت وجهی با لبه‌های مشترک از Al(OH) 3 یا Mg(OH) 2 متصل شده، تشکیل شده است. با توجه به طبیعت پیوند بین این اتمها، انتظار می‌رود این مواد خواص مکانیکی فوق‌العاده‌ای را در جهت موازی این لایه‌ها نشان دهند ولی خواص مکانیکی دقیق این لایه‌ها هنوز شناخته نشده‌اند. اخیراً با استفاده از روشهای مدل‌سازی تخمین زده شده که ضریب یانگ در راستای لایه‌ها، پنجاه تا چهارصد برابر بیشتر از یک پلیمر عادی است. لایه‌ها نسبت صفحه‌ای (aspect ratio) بالایی دارند و هر لایه تقریباً یک نانومتر ضخامت دارد، در حالیکه شعاع آن از سی نانومتر تا چند میکرون، متفاوت می‌باشد. صدها یا هزاران عدد از این لایه‌ها بوسیله یک نیروی واندروالسی ضعیف، روی هم انباشته می‌شوند تا یک جزء رسی را تشکیل دهند. با یک پیکربندی مناسب این امکان وجود دارد که رس‌ها را به اشکال و ساختارهای گوناگونی، درون یک پلیمر، به شکل سازمان‌یافته قرار دهیم. اصلی که در نانوکامپوزیت‌های خاک رس - پلیمر رعایت می‌شود، این است که نه تنها دانه‌های رسی را از هم جدا می‌کنند، بلکه لایه‌های هر دانه را نیز از هم جدا می‌کنند با انجام این عمل، خواص مکانیکی فوق‌العاده هر لایه نیز بطور موثر بکار می‌آید و این در حالی است که در اجزای تقویت شده نیز بطور چشمگیری افزایش پیدا می‌کند، زیرا هر جزء رسی خود از صدها تا هزاران لایه تشکیل شده است. امتیاز نانوکامپوزیتهای خاک رس - پلیمر این است که تاثیر قابل توجهی بر خواص اپتیکی پلیمر ندارند. ضخامت یک لایه رس منفرد، بسیار کمتر از طول موج نور مرئی است، بنابراین نانوکامپوزیت‌های خاک رس - پلیمر که خوب ورقه شده باشد، از نظر اپتیکی شفاف می‌باشد. با این دلایل، نتیجه می‌گیریم که نانوکامپوزیتهای خاک رس/ پلیمر نمایش خوبی از نانوتکنولوژی می‌باشد. با سازماندهی و چینش ساختار کلی در پلیمرها در مقیاس نانومتر، مواد جدید با خواص نو یافت شده‌اند. نکته دیگر در توسعه نانوکامپوزیتهای خاک رس - پلیمر این است که این تکنولوژی، فوراً می‌تواند کاربرد تجاری پیدا کند، در حالیکه بیشتر نانوتکنولوژی‌های دیگر، هنوز در مرحله مفاهیم و اثبات هستند.
2-2-کارهای تجربی
2-2-1-مواد و تجهیزات
در این پژوهش برای ساخت غشا نانوکامپوزیتی از پلیمر پلی‌سولفون (PSf) استفاده شده‌است. دیگر مواد مورد استفاده عبارت‌اند از حلال N-متیل‌پیرولیدون (NMP) از شرکت LOBA Chemie، آب‌مقطر، نانو‌سیلیکا (Nano SiO2) و نانوکلی (Nano Clay) از شرکت پیشگامان نانومواد ایران.
تجهیزات مورد استفاده در این پژوهش عبارت‌انداز: ترازو، هیتر با همزن مغناطیسی، آون و حمام فراصوت.
2-2-2-ساخت غشا
2-2-2-1- ساخت فیلم غشای پلیمری اولترافیلتراسیون PSf
به منظور ساخت غشای پلیمری اولترافیلتراسیون با پلیمر PSf در ابتدا پلیمر به مدت 12 ساعت در آون (شکل 2-1) تحت دمای °C70 خشک شده است تا رطوبت و حلالهای باقیمانده از آن خارج شود. سپس مقدار معینی از پلیمر برای ساخت محلول 15% وزنی به حلال NMP اضافه شده است. پس از آن محلول در حمام آب قرار داده شده و در دمای محیط به مدت 1روز همزده شده است تا پلیمر به طور کامل حل شود (شکل 2-2). محلول حاصل به مدت 5 دقیقه در حمام فراصوت قرار داده شده تا یک محلول کاملا یکنواخت بهدست آید. محلول پایانی به دست آمده توسط فیلمکش بر روی شیشه ریختهگری شده و پس از30 ثانیه در حمام آب‌مقطر در دمای محیط (ضدحلال) فرو برده میشود تا لایه غشایی شکل گرفته و از شیشه جدا گردد. غشای بهدست آمده به‌مدت 12 ساعت در آب‌مقطر باقی می‌ماند تا حلال به‌طور کامل از غشا خارج شود. حمام فراصوت استفاده شده در این پژوهش در شکل 2-3 نشان داده شده است.

شکل 2-1- آون مورد استفاده بهمنظور ساخت و خشک کردن غشا
شکل2-2- حمام آب و سیستم بازگشتی در ساخت غشا
شکل2-3-حمام اولتراسونیک مورد استفاده برای پخش کردن یکنواخت ذرات2-2-2-2- ساخت غشاهای نانوکامپوزیتی PSf
در پژوهش حاضر به منظور ساخت غشای نانوکامپوزیتی، به محلول آماده شده برای ساخت غشای اولترافیلتراسیون نانوذرات نانوسیلیکا و نانوخاک رس اضافه می‌شوند. مقدار مشخصی از نانوسیلیکا به محلول اضافه می‌شود و به‌مدت 12ساعت در دمای محیط 24 درجه روی دور تند هم‌زده می‌شود. سپس 5دقیقه در حمام فراصوت در دمای محیط قرار می‌گیرد تا یک محلول کاملاً یکنواخت و همگن حاصل شود. محلول پایانی به دست آمده توسط فیلمکش بر روی شیشه ریختهگری شده و پس از30 ثانیه در حمام آب‌مقطر در دمای محیط (ضدحلال) فرو برده میشود تا لایه غشایی شکل گرفته و از شیشه جدا گردد. مراحل اضافه کردن نانوکلی مشابه مراحل ذکر شده‌است با این تفاوت که برای بهتر پخش شدن ذرات کلی، پودر نانوکلی اندازه‌گیری شده به 5 قسمت مساوی تقسیم شده و در فاصله‌های زمانی مناسب به محلول اضافه می‌شود. غشاهای حاصل تا زمان استفاده در آب‌مقطر نگه‌داری می‌شود.
2-2-3- شار آب خالص
2-2-3-1- مدول غشایی2056576469327مدول استفاده شده در آزمایشها، مکعب مستطیل میباشد. این مدول با مساحت موثر 785/20 سانتیمترمربع تهیه شده است و جنس آن فولاد ضدزنگ میباشد. مدول در شکل 2-4 نشان داده شده است.
شکل 2-4- مدول غشایی استفاده شده جهت اندازهگیری میزان تراوایی
2-2-3-2- آزمون تراوش
در آزمایشهای تراوش، آب خالص در فشارهای مختلف وارد مدول غشایی شدهاست مقدار آب عبوری از غشا با ترازو اندازهگیری شده است. مقدار آب عبوری از غشا پس از رسیدن به حالت پایا اندازه گیری شده است. به علت شدت جریان مناسب جریان تراوش کرده، نیازی به ایجاد خلا در سمت تراوه و یا استفاده از جریان جارو‌کننده نبوده است.
2-2-3-3-نحوه انجام آزمایشها
بهمنظور انجام آزمایشهای شار آب خالص، غشاهای تهیه شده که در آب مقطر قرار دارند را در مدول غشایی قرار داده میشوند. سپس فشار 5/0 Bar بر روی غشا اعمال میگردد و به مدت 15دقیقه در این فشار باقی میمانند تا به حالت پایا برسند. سپس فشار تا فشارهای بالاتر افزایش داده میشود. این کار در هر غشا تکرار میشود و جریان عبوری از غشا با دقت gr/min 01/0 ثبت میگردد.
2-2-3-4- محاسبه میزان آب خالص عبوری غشادر شرایط پایا، شار آب خالص از غشا با استفاده از رابطه ( 2-1 ) محاسبه شده است. واحد شار kg/m2h است. از این رو شار آب خالص به‌صورت مقدار آب عبوری از غشا بر واحد سطح بر واحد زمان اندازه‌گیری شده‌است.
J=mA*t ) (2-1

–379

1-3-1-1- فرآیندهای خشک احیاناپذیر........................................................................................................13
1-3-1-2- فرآیندهای خشک احیاپذیر..........................................................................................................15
1-3-1-3- فرآیندهای خشک هیبریدی........................................................................................................17
1-3-2- فرآیندهای مرطوب...........................................................................................................................18
1-3-2- 1- سولفورزدایی با حلال‌های شیمیایی (آمین‌ها)............................................................................19
1-3-2-2- سولفورزدایی با حلال‌های فیزیکی..............................................................................................20
1-3-2-2-1- حلال فیزیکی سلکسول.........................................................................................................21
1-3-2-2-2- محلول‌های سودسوزآور..........................................................................................................23
1-3-2-3- سولفورزدایی با حلال‌های هیبریدی............................................................................................24
1-3-3- جمع‌بندی فرآیندهای شیرین‌سازی گاز مایع....................................................................................25
فصل دوم : فرآیند شیرین‌سازی گاز مایع با محلول فیزیکی سود.........................................................................28
2-1- مقدمه.....................................................................................................................................................29
2-2- شرح فرآیند مرکاپتان‌زدایی از گاز مایع توسط سود...............................................................................29
2-2-1- شرح فرآیند واحد استخراج پروپان....................................................................................................29
2-2-2- شرح فرآیند واحد استخراج بوتان.....................................................................................................30
2-2-3- شرح فرآیند واحد احیا کاستیک........................................................................................................32
2-3- واکنش‌های فرآیند مرکاپتان‌زدایی توسط سود......................................................................................33
2-3-1- واکنش‌های اصلی.............................................................................................................................33
2-3-2- واکنش‌های فرعی............................................................................................................................35
2-4- کاتالیست فرآیند مرکاپتان‌زدایی توسط سود.........................................................................................38
2-5- بررسی عوامل مؤثر بر فرآیند استخراج مرکاپتانها و تصفیه گاز مایع..................................................40
2-5-1- تعادل فازها و یونیزاسیون اسیدها و بازهای موجود..........................................................................40
2-5-1-1- تعادل اسیدها و بازهای موجود در فاز آبی...................................................................................41
2-5-1-2- تعادل بین فازهای هیدروکربنی و آبی.........................................................................................43
2-5-2- تأثیر نوع مرکاپتان بر فرآیند استخراج..............................................................................................48
2-5-3- تأثیر غلظت محلول هیدروکسید بر فرآیند استخراج و واکنش تبدیل مرکاپتان‌ها به مرکاپتایدهای‌سدیم...........................................................................................................................................50
2-5-4- مقدار سود مصرفی موردنیاز..............................................................................................................52
2-5-5- تأثیر دما بر فرآیند استخراج..............................................................................................................55
2-5-6- روابط تجربی ارائه‌شده برای ضرایب توزیع و استخراج....................................................................56
2-5-7- جمع‌بندی عوامل مؤثر بر فرآیند استخراج مرکاپتان از گاز مایع......................................................60
2-6- عوامل مؤثر بر فرآیند احیا سود..............................................................................................................61
2-6-1- تأثیر غلظت سود بر واکنش تبدیل مرکاپتایدهای‌سدیم به دی‌سولفیدها.........................................61
2-6-2- تأثیر غلظت سود بر حلالیت کاتالیست در محلول سود...................................................................63
2-6-3- تأثیر غلظت سود بر نفوذ مرکاپتایدها و رادیکال‌های آزاد................................................................64
2-6-4- تأثیر دما بر واکنش اکسیداسیون مرکاپتایدهای‌سدیم......................................................................65
2-6-5- تأثیر دما بر فعالیت کاتالیست در محلول سود..................................................................................66
2-6-6- تأثیر ساختار مولکولی مرکاپتان بر سرعت واکنش...........................................................................68
2-6-7- تأثیر روش تهیه محلول کاتالیست توزیع‌شده در سود بر سرعت واکنش........................................68
2-6-8- تأثیر محیط گازی بر فعالیت کاتالیست CoSPc و سرعت واکنش.................................................70
2-6-9- تأثیر سرعت اختلاط محلول کاتالیستی سود و هوا بر سرعت واکنش اکسیداسیون مرکاپتایدسدیم..................................................................................................................................................71
2-6-10- جمع‌بندی عوامل مؤثر بر فرآیند احیا سود.....................................................................................71
فصل سوم : نتایج تحقیقات پیشین روی فرآیند شیرین‌سازی گاز مایع با محلول فیزیکی سود...........................73
فصل چهارم : تشریح شبیه‌سازی و بررسی نتایج حاصل از آن..............................................................................77
4-1- مقدمه.....................................................................................................................................................78
4-2- تشریح شبیه‌سازی.................................................................................................................................81
4-3- مقایسه نتایج شبیه‌سازی با مقادیر طراحی............................................................................................89
4-4- بهینه‌سازی متغیرهای علمیاتی بخش احیاء سود...................................................................................91
4-4-1- مقدار بهینه هوای ورودی به بستر اکسیدایزر برای احیاء سود..........................................................91
4-4-2- مقدار بهینه غلظت محلول سود ورودی به بستر اکسیدایزر برای احیاء سود...................................93
4-4-3- مقدار بهینه برای دمای اکسیدایزر....................................................................................................95
فصل پنجم : جمع‌بندی مطالب و نتیجه‌گیری.......................................................................................................96
فهرست منابع فارسی............................................................................................................................................100
فهرست منابع غیرفارسی......................................................................................................................................101
چکیده انگلیسی....................................................................................................................................................104
صفحه عنوان به زبان انگلیسی............................................................................................................................105
فهرست جداول
عنوان صفحه
جدول 1-1- حداکثر غلظت مجاز برای مرکاپتان‌های سبک و سولفیدهیدروژن....................................................9
جدول 1-2- انواع جاذب‌ها یا حلال‌های مورداستفاده در فرآیندهای شیرین‌سازی گاز مایع...............................10
جدول 1-3- توانایی جاذب‌ها و حلال‌های مختلف در جداسازی ناخالصی‌های سولفور.......................................11
جدول 1-4- حلالیت نسبی گازهای مختلف در حلال سلکسول.........................................................................22
جدول 1-5- هزینه‌های عملیاتی و سرمایه‌گذاری موردنیاز برای شیرین‌سازی pbsd 10000 سوخت جت توسط دو فرآیند شیرین‌سازی با سود و شیرین‌سازی با کمک غربال‌های مولکولی........................................................27
جدول 2-1- ثابت تعادلی برای واکنش سولفیدکربنیل و آب................................................................................37
جدول 2-2- مقایسه فعالیت و پایداری انواع کاتالیست‌های مورداستفاده در شیرین‌سازی برش‌های هیدروکربنی سبک توسط محلول سودسوزآور............................................................................................................................39
جدول 2-3- ثابت یونیزاسیون اسیدهای موجود در ترکیبات نفتی در دمای 34 درجه سانتی‌گراد........................43
جدول 2-4- مقدار اکتیویته آب در غلظت‌های مختلف محلول سود در دمای 32 درجه سانتی‌گراد...................45
جدول 2-5- ضریب استخراج KE برای مرکاپتان‌ها و سولفیدهیدروژن بر اساس کار yabroff.........................47
جدول 2-6- ثابت‌های معادله (2-7)....................................................................................................................47
جدول 2-7- حلالیت مرکاپتان‌ها در آب خالص در دمای 20 درجه سانتی‌گراد...................................................48
جدول 2-8- ماتریس طراحی و نتایج آزمایشگاهی...............................................................................................54
جدول 2-9- مقدار ثابت A برحسب نوع مرکاپتان برای معادله (2-17)..............................................................57
جدول 2-10- مقدار ثابت B برای معادله (2-18)................................................................................................58
جدول 2-11- میزان جذب CO+2 به‌عنوان جزء فعال کاتالیست و مقدار تبدیل پروپیل مرکاپتایدسدیم به دی‌سولفید در محلول سود......................................................................................................................................64
جدول 4-1- مقایسه نتایج طراحی شرکت اکْسِنس با نتایج شبیه‌سازی فعلی برای جریان سود ورودی به اکسیدایزر و سود احیاشده خروجی از آن................................................................................................................89
جدول 4-2- مقایسه نتایج طراحی شرکت اکْسِنس با نتایج شبیه‌سازی فعلی برای سود احیاشده برگشتی به واحدهای استخراج..................................................................................................................................................90
جدول 4-3- مقایسه نتایج طراحی شرکت اکْسِِنْس با نتایج شبیه‌سازی فعلی برای جریان هوای خروجی از مخزن جداکننده دی‌سولفیداویل از سود.................................................................................................................90
فهرست اشکال
عنوان صفحه
شکل 2-1- دیاگرام جریان بخش استخراج..........................................................................................................31
شکل 2-2- دیاگرام جریان بخش احیاء سود........................................................................................................32
شکل 2-3- ساختار مولکولی کاتالیست سولفونیتدکبالت‌فتالوسیانین....................................................................38
شکل 2-4- مقایسه بین مقادیر ضریب استخراج (KE) تجربی و تئوری به‌دست‌آمده از معادله (2-10).........46
شکل 2-5- حلالیت نرمال‌مرکاپتان‌ها در آب و توزیع مرکاپتان‌ها بین فاز هیدروکربنی ایزواکتان و فاز آبی محلول سود 5/0 نرمال..........................................................................................................................................49
شکل 2-6- اثر مقدار و غلظت محلول سود در استخراج مرکاپتان‌ها...................................................................51
شکل 2-7- تغییرات ویسکوزیته محلول سود با غلظت آن..................................................................................51
شکل 2-8- تأثیر غلظت سود بر واکنش پروپیل‌مرکاپتان و سود..........................................................................52
شکل 2-9- قابلیت اشباع سود توسط مرکاپتان‌ها (Y’2, Y2)، به‌عنوان یک عامل محدودکننده، برحسب غلظت محلول سود.............................................................................................................................................................53
شکل 2-10- اثر درجه حرارت بر روی ضریب استخراج متیل و اتیل مرکاپتان‌ها برای سیستم ایزواکتان و محلول سود 25/4 مولار.........................................................................................................................................55
شکل 2-11- اثر درجه حرارت بر روی ضریب استخراج بوتیل‌مرکاپتان در سیستم ایزواکتان و محلول سود 5/0 نرمال......................................................................................................................................................................56
شکل 2-12- مقدار متغیر B مربوط به معادله 2-18 برحسب مولاریته سود.......................................................59
شکل 2-13- ضریب استخراج KE برای مرکاپتان‌های C2,C1 در سیستم ایزواکتان و محلول سود..................60
شکل 2-14- تأثیر غلظت سود بر واکنش اکسیداسیون پروپیل مرکاپتایدهای‌سدیم به دی‌سولفیداویل.............62
شکل 2-15- طیف ماوراءبنفش کاتالیست CoSPc برای 100 میلی‌لیتر محلول سود با غلظت‌های مختلف.....63
شکل 2-16- تغییرات چسبندگی محلول سود با غلظت آن.................................................................................65
شکل 2-17- تأثیر دما بر واکنش اکسیداسیون پروپان مرکاپتایدسدیم (سایر پارامترهای عملیاتی ثابت)...........65
شکل 2-18- مقدار جذب جزء فعال کاتالیست (CO+2) و درنتیجه فعالیت کاتالیست بر اساس دما و زمان نگهداری کاتالیست.................................................................................................................................................66
شکل 2-19- تأثیر دمای نگهداری کاتالیست بر سرعت واکنش اکسیداسیون پروپان مرکاپتایدسدیم................67
شکل 2-20- تأثیر ساختار مولکولی مرکاپتایدهای‌سدیم بر واکنش اکسیداسیون آن‌ها.......................................68
شکل 2-21- مقایسه مقدار جذب امواج ماوراءبنفش و درنتیجه فعالیت کاتالیست برای محلول کاتالیستی سود تهیه‌شده به روش‌های مختلف...............................................................................................................................69
شکل 2-22- تأثیر روش تهیه محلول سود و کاتالیست بر سرعت واکنش اکسیداسیون پروپان مرکاپتایدسدیم........................................................................................................................................................69
شکل 2-23- فعالیت کاتالیست سولفونیتدکبالت‌فتالوسیانین در مجاورت محیط‌های گازی مختلف....................70
شکل 2-24- تأثیر سرعت اختلاط بر واکنش اکسیداسیون پروپان مرکاپتایدسدیم.............................................71
شکل 4-1- تکمیل اطلاعات ضروری در پوشه Setup.......................................................................................81
شکل 4-2- انتخاب مواد تشکیل‌دهنده جریان‌ها..................................................................................................82
شکل 4-3- انتخاب مدل ترمودینامیکی...............................................................................................................84
شکل 4-4- تکمیل پوشه مشخصات جریان‌ها.....................................................................................................85
شکل 4-5- تکمیل پوشه مشخصات تجهیزات....................................................................................................86
شکل 4-6- تعریف استوکیومتری واکنش‌ها.........................................................................................................87
شکل 4-7- تکمیل سربرگ مربوط به ضرایب تعادل واکنش‌ها...........................................................................88
شکل 4-8- تکمیل سربرگ مربوط به ضرایب تعادل نمک‌ها..............................................................................88
شکل 4-9- تأثیر مقدار هوای مورداستفاده بر راندمان احیاء سود.........................................................................93
شکل 4-10- تأثیر غلظت محلول سود بر مقدار احیاء سود..................................................................................94
شکل 4-11- تأثیر دمای اکسیدایزر بر میزان احیاء سود....................................................................................99
چکیده
حذف مرکاپتان‌ها از جریان‌های هیدروکربنی توسط روش‌های گوناگونی انجام می‌پذیرد. استفاده از محلول سودسوزآور و بسترهای غربال موکولی ازجمله پرکاربردترین روش‌ها هستند. در صنایع نفت و گاز کشور ما، اغلب جهت حذف مرکاپتان‌های سبک از روش شستشو با محلول کاستیک نسبتاً رقیق استفاده می‌شود. در این پروژه فرآیند احیا کاستیک شرح داده می‌شود و عوامل مؤثر بر این فرآیند بررسی می‌گردد. همچنین در مورد مقدار بهینه پارامترهای عملیاتی این فرآیند بحث می‌شود. غلظت سود مصرفی، دمای عملیات و دبی اکسیژن ورودی به راکتور (اکسیدایزر) مهم‌ترین پارامترهای عملیاتی می‌باشند. نتایج این مطالعه نشان می‌دهد که غلظت بهینه سود برای تبدیل مرکاپتایدهای‌سدیم به دی‌سولفیدها در حدود 9/1 مول بر لیتر است اما به دلیل چرخش محلول سود در سیستم، مقدار بهینه غلظت سود باید برای کل سیستم مشخص شود. با توجه به نتایج آزمایشگاهی مقدار بهینه غلظت سود برای مرکاپتان‌زدایی از گاز مایع بین 75/2 و 25/4 مول بر لیتر است. ضمناً دمای پیشنهادی برای خروجی اکسیدایزر 50 درجه سانتی‌گراد می‌باشد؛ بنابراین پروفایل دما در اکسیدایزر 10 درجه سانتی‌گراد خواهد بود. همچنین 06/1 الی 1/1 مقدار استوکیومتری اکسیژن برای سودی که در ورودی اکسیدایزر دارای ppm 8680 وزنی مرکاپتاید است، پیشنهاد می‌شود.
مقدمه
هدف از انجام این پروژه بررسی فرآیند احیا سود و عوامل مؤثر بر آن و بهینه‌سازی پارامترهای عملیاتی واحد مذکور می‌باشد. در فصل اول به‌منظور کسب اطلاعات پایه‌ای موردنیاز، انواع ناخالصی‌های گوگردی موجود در گاز مایع و لزوم جداسازی آن‌ها موردبررسی قرارگرفته و روش‌های مختلف شیرین‌سازی گاز مایع، موارد کاربرد هر یک و نیز مزایا و معایب مربوطه آورده ‌شده است تا در صورت نیاز با توجه به طراحی مجتمع پارس جنوبی و امکانات موجود، از تجهیزات مکمل برای بهبود عملکرد فرآیند استفاده شود به‌گونه‌ای که تغییرات اعمال‌شده ازلحاظ اقتصادی نیز توجیه‌پذیر باشد.
در فصل دوم به روش مورداستفاده در فازهای 4 و 5 پرداخته‌شده و فرآیند مرکاپتان‌زدایی از گاز مایع توسط حلال فیزیکی سود به‌تفصیل بررسی‌شده است.
در فصل سوم، نتایج تحقیقات پیشین روی فرآیند شیرین‌سازی گاز مایع با محلول فیزیکی سود آورده شده است.
در فصل چهارم، مراحل شبیه‌سازی تشریح شده و نتایج حاصل از شبیه‌سازی فرآیند آورده شده و مقادیر بهینه پارامترهای عملیاتی برای فرآیند احیا سود، مورد تجزیه‌وتحلیل قرارگرفته‌اند. لازم به ذکر است که شبیه‌سازی واحد مذکور توسط نرم‌افزارهای Plus Aspen و Aspen Dynamic و بر پایه نتایج آزمایشگاهی و روابط تجربی ارائه‌شده در فصل دوم صورت گرفته است.
درنهایت در فصل پنجم جمع‌بندی، نتیجه‌گیری و پیشنهاد‌ها مربوطه آورده شده است.
فصل اول:
انواع ناخالصی‌های سولفور موجود در گاز مایع و روش‌های جداسازی آن‌ها
1-1- انواع ناخالصی‌های سولفور موجود در گاز مایع
گاز مایع به‌عنوان سوخت صنعتی، سوخت خانگی و ماده شیمیایی خام کاربرد فراوانی دارد و اغلب دارای ناخالصی‌های دی‌اکسیدکربن، سولفیدهیدروژن، سولفیدکربنیل، دی‌سولفیدکربن و مرکاپتان‌های نوع متیل و اتیل می‌باشد.
با توجه به مضرات ناخالصی‌های سولفور، یکی از مهم‌ترین فرآیندهای تصفیه گاز مایع در صنعت، فرآیند شیرین‌سازی آن می‌باشد. امروزه مقادیر مجاز سولفور موجود در گاز مایع به‌شدت کاهش‌یافته است. برای مثال مقدار سولفور مجاز در پروپان و بوتان مورداستفاده در تولید پلی‌پروپیلن و پلی بوتیلن کمتر از ppm 5 می‌باشد. این امر موجب شده تا در صنایع تولیدی بالادستی و نیز صنایع تصفیه پایین‌دستی مقادیر سولفور مجاز کمتری در طراحی فرآیندها مدنظر قرار گیرد [1].
ناخالصی‌های سولفور موجود در گاز مایع به دو گروه اصلی (عمده) و فرعی (محتمل) تقسیم می‌گردند که در ادامه آورده شده‌اند.
1-1-1- ناخالصی‌های اصلی و عمده
سولفیدهیدروژن
سولفیدهیدروژن به‌طورکلی از واکنش‌های کراکینگ مولکول‌های سولفور ناشی می‌شود و غلظت‌های بالای ppm 2 آن موجب خاصیت خورندگی شدید گاز می‌گردد. همچنین درصورتی‌که برش نفتی به‌عنوان ماده خام استفاده شود، سولفیدهیدروژن باعث تشکیل سولفور آزاد و مرکاپتان‌ها می‌گردد.
سولفیدهیدروژن مخرب‌ترین ناخالصی‌ای هست که می‌تواند در گاز مایع وجود داشته باشد.
سولفیدکربنیل
سولفیدکربنیل ممکن است در برش پروپان موجود باشد و اگرچه به‌خودی‌خود، خورنده نیست اما در حضور آب هیدرولیز شده و سولفیدهیدروژن تولید می‌کند و درنتیجه گاه موجب خاصیت خورندگی محصول می‌شود.
تشکیل سولفیدکربنیل اساساً توسط واکنش هیدرولیزی برگشت‌پذیر و تعادلی زیر صورت می‌گیرد:
COS + H2O ↔ H2S + CO2 (1-1)
هنگام برداشت از مخزن، به دلیل اینکه گاز طبیعی معمولاً با آب اشباع‌شده است، سولفیدکربنیل تشکیل نمی‌شود. البته در بعضی موارد در غیاب آب هم سولفیدکربنیل تشکیل می‌شود. مثلاً در غربال‌های مولکولی مخصوص آب‌زدایی، در اثر واکنش سولفیدهیدروژن با دی‌اکسیدکربن، سولفیدکربنیل تشکیل می‌شود. سولفیدکربنیل تشکیل‌شده در غربال‌های مولکولی که بالادست واحد گاز مایع قرار دارند، در محصول پروپان تجمع می‌کند. حتی مقادیر حجمی بسیار کم سولفیدکربنیل در صورت فراهم بودن شرایط تعادلی مناسب، با آب ترکیب‌شده و سولفیدهیدروژن تولید می‌کند.
حضور سولفیدکربنیل در محصول پروپان فروشی معمولاً بررسی نمی‌شود چراکه این ترکیب مستقیماً تست خوردگی را تحت تأثیر قرار نمی‌دهد. در صورت حضور آب در سیستم انتقال پروپان، وجود حتی مقادیر بسیار کم سولفیدکربنیل و هیدرولیز آن منجر به مردود شدن محصول دریافتی در مقصد (در تست خوردگی) خواهد شد. تشکیل سولفیدکربنیل در واحدهای آب‌زدایی که از غربال‌های مولکولی 4 یا 5 انگستروم استفاده می‌کنند، تسریع می‌شود. غربال‌های مولکولی ذکرشده تشکیل سولفیدکربنیل را به دلایل زیر تسریع می‌کنند:
سطح تماس زیاد کریستال‌های زئولیت موجود به‌عنوان کاتالیست
ساختار کریستالی
غلظت بالای سولفیدهیدروژن و دی‌اکسیدکربن در سوراخ‌های غربال به دلیل جذب سریع و کمبود آب
تکنولوژی‌های موجود برای جداسازی سولفیدکربنیل شامل شیرین‌سازی با آمین یا جاذب می‌باشد. درصورتی‌که سولفیدکربنیل تنها ناخالصی موجود در محصول پروپان باشد، شیرین‌سازی با جاذب اغلب اقتصادی‌تر است [2].
دی‌سولفیدکربن
دی‌سولفیدکربن اگرچه به‌خودی‌خود، خورنده نیست اما در حضور آب هیدرولیز شده و سولفیدهیدروژن تولید می‌کند و درنتیجه موجب خاصیت خورندگی محصول می‌شود.
مرکاپتان‌های نوع متیل و اتیل (CH3SH و C2H5SH)
مرکاپتان‌ها و محصولات حاصل از احتراق آن‌ها در صورت زیاد بودن باعث بوی بد محصولات نفتی سبک مانند گاز مایع و بنزین می‌شوند اما خاصیت خورندگی ندارند. مرکاپتان‌ها همچنین منشأ تشکیل صمغ‌ها هستند. غلظت مرکاپتان‌ها در محصولات نفتی بسته به مخزنی که نفت از آن برداشت‌شده و نیز نحوه توزیع سولفور در نفت خام متغیر است. مقادیر قابل‌توجهی از مرکاپتان‌ها از تجزیه سایر ترکیبات سولفور در خلال فرایندهای تقطیر و کراکینگ نفت، تولید می‌شوند [3].
برش پروپان تنها شامل متیل‌مرکاپتان می‌باشد و مقدار اتیل‌مرکاپتان موجود در آن بسیار کم است.
برش بوتان تنها شامل مرکاپتان‌های اتیل و متیل می‌باشد.
فرمول شیمیایی برای همه مرکاپتان‌ها R-SH می‌باشد که در آن R گروه هیدروکربن، S اتم سولفور و H اتم هیدروژن می‌باشد [4].
1-1-2- ناخالصی‌های فرعی و متحمل
سولفیدهای‌دی‌الکیل (RSR)
دی‌آلکیل‌ها در اثر واکنش بین مرکاپتان‌ها و اولفین‌ها تشکیل می‌شوند. این ترکیبات نامطلوب نیستند و تصفیه نمی‌شوند.
دی‌سولفیدها
منشأ تولید دی‌سولفیدها، اکسیداسیون مرکاپتان‌ها می‌باشد. این ترکیبات ازلحاظ حرارتی ناپایدار هستند و در دماهای بین 170-150 درجه سانتی‌گراد به مرکاپتان‌ها تجزیه می‌شوند.
عنصر سولفور
عناصر سولفور از اکسیداسیون سولفیدهیدروژن تولید می‌شوند:
H2S + 1/2 O2 ↔ H2O + S (1-2)
مخلوط سولفیدهیدروژن و گوگرد عنصری حتی در مقادیر کمتر از ppm 5/0 شدیداً خورنده است و باعث مردود شدن محصول در تست خوردگی می‌شود.
ترکیبات اکسیژن‌دار مانند اسیدهای نفتنیک
به‌غیراز موارد بسیار معدود، اسیدهای نفتنیک در برش‌های چگالیده با نقطه‌جوش نهایی کمتر از 160 درجه سانتی‌گراد حضور ندارند. در مقابل این ترکیبات در محصول گاز مایع به‌دست‌آمده از شکست حرارتی، حاضر هستند. حضور مبهم برش نفت سفید معمولاً با حضور اسیدهای نفتنیک گره‌خورده است. ترکیب این اسیدها با فلزات باعث تشکیل نمک‌هایی می‌گردد که ممکن است منجر به مسدود شدن فیلترها شوند. نمک‌های مذکور همچنین موجب تسریع تشکیل صمغ‌ها می‌شوند.
1-2- دلایل جداسازی ناخالصی‌های اصلی سولفور موجود در گاز مایع
متیل و اتیل مرکاپتان‌ها، سولفیدهیدروژن، سولفیدکربنیل و دی‌سولفیدکربن در صورت حضور در گاز مایع باید به دلایل زیر جداسازی شوند:
سولفیدکربنیل در حضور آب تمایل به هیدرولیز شدن و تولید سولفیدهیدروژن و دی‌اکسیدکربن دارد؛ بنابراین سولفیدکربنیل موجود در برش پروپان به‌منظور جلوگیری از خوردگی باید جداسازی شود.
سولفیدهیدروژن و مرکاپتان‌های C1 و C2 بسیار سمی هستند و دارای بوی بسیار بد و فراریت بالا می‌باشند. (نقطه‌جوش متیل‌مرکاپتان 6 درجه سانتی‌گراد و اتیل‌مرکاپتان 35 درجه سانتی‌گراد است). حضور این ناخالصی‌ها در گاز باعث بروز مشکلات اکولوژیکی در خلال انتقال، ذخیره‌سازی و به‌ویژه هنگام سرریز جریان هیدروکربنی می‌شود.
سولفیدهیدروژن و مرکاپتان‌های اتیل و متیل باعث خوردگی خط لوله و سیستم ذخیره‌سازی در خلال فرآیند تصفیه یا انتقال سیال، می‌شوند.
سولفیدهیدروژن و مرکاپتان‌های متیل و اتیل محلول در آب هستند (حلالیت متیل‌مرکاپتان در آب بالای 3 درصد حجمی است) و مشکلاتی را هنگام تصفیه آب پسماند تانک‌ها و واحدهای نمک‌زدایی ایجاد می‌کنند.
تجربه صنایع پالایش روسیه نشان می‌دهد که مرکاپتان‌ها در راکتورهای hydro treating نوع IB-180 ◦C باعث تشکیل سریع کک روی لایه کاتالیست می‌شوند. علت این پدیده سرعت بالای تجزیه حرارتی مرکاپتان‌ها در دماهای (2500-220) درجه سانتی‌گراد می‌باشد که قبل از ورود به راکتور صورت گرفته است [5].
بعضی از مرکاپتان‌های دارای نقطه‌جوش بالاتر موجود در برش بنزین با سایر ناخالصی‌ها واکنش داده و صمغ‌های غیر فرار تولید می‌کنند. این صمغ‌ها در داخل قسمت‌های مختلف موتور باقی می‌مانند [4].
جدول 1-1- حداکثر غلظت مجاز برای مرکاپتان‌های سبک و سولفیدهیدروژن [5]
نوع مرکاپتان فرمول شیمیایی نقطه‌جوش
(درجه سانتی‌گراد) MPCW.Z. (میلی‌گرم بر مترمکعب) MPCW.S. (میلی‌گرم بر مترمکعب) مقدار مجاز ازلحاظ بوی بد (میلی‌گرم بر مترمکعب)
متیل‌مرکاپتان CH3SH 6 8/0 9×10-6 2×10-5
اتیل‌مرکاپتان C2H5SH 36 1 3×10-5 6×10-5
ایزو پروپیل‌مرکاپتان I-C3H7SH 60 5/1 1×10-4 2×10-4
سولفیدهیدروژن H2S -61 10 8×10-3 2/1×10-5
1-3- روش‌های جداسازی ناخالصی‌های سولفور موجود در گاز مایع
برای جداسازی ناخالصی‌های گاز مایع، با توجه به نوع ناخالصی‌ها و مقدار آن‌ها روش‌های مختلفی وجود دارند. به‌طورکلی فرآیندهای سولفورزدایی از گاز مایع به دو دسته خشک و مرطوب تقسیم‌بندی می‌شوند.
فرآیندهای خشک شامل جاذب‌های احیاناپذیر، جاذب‌های احیاپذیر و جاذب‌های هیبریدی (ترکیبی از جاذب‌های احیاپذیر و احیاناپذیر) می‌شود.
فرآیندهای مرطوب شامل حلال‌های شیمیایی (آمین‌ها)، حلال‌های فیزیکی و حلال هیبریدی (ترکیبی از حلال‌های شیمیایی و فیزیکی) می‌شود.
در جدول (1-2) انواع جاذب‌ها و حلال‌های مورداستفاده برای شیرین‌سازی گاز مایع آورده شده است.
جدول 1-2- انواع جاذب‌ها یا حلال‌های مورداستفاده در فرآیندهای شیرین‌سازی گاز مایع
جاذب‌ها و کاتالیست‌های مورداستفاده در فرآیندهای خشک احیا‌پذیر جاذب‌های مورداستفاده در فرآیندهای خشک احیاناپذیر فرآیندهای مرطوب
اکسیدهای ترکیبی فلزات جامدات قلیایی حلال‌های شیمیایی حلال‌های فیزیکی حلال‌های هیبریدی (شیمیایی/ فیزیکی)
غربال‌های مولکولی اکسیدهای روی بهبودیافته هیدروکسیدسدیم جامد آمین‌های ترکیبی هیدروکسیدسدیم حلال‌های خانواده فلکسورب
مونو‌اتانول‌آمین آلومینای فعال اکسید آهن مانند آهن اسفنجی یا سولفاترت هیدروکسیدپتاسیم جامد دی‌اتانول‌آمین سلکسول LE-701
ژل سیلیکای فعال اکسیدهای ترکیبی دارای پایه اکسیدمس ترکیب از جامدات آلکالین شامل هیدروکسیدهای سدیم و پتاسیم جامد دی‌گلیکول‌آمین متانول سولفینول‌ام‌دی
دی‌ایزو‌پروپانول‌آمین حلال‌های شرکت DOW
کربن فعال اکسیدهای ترکیبی نیکل متیل‌دی‌اتانول‌آمین مورفری سرب اکسون
جدول (1-3) علاوه بر معرفی جاذب‌ها و حلال‌های مورداستفاده در صنایع شیرین‌سازی توانایی جاذب‌ها و حلال‌های مختلف را در جداسازی ناخالصی‌های سولفور ارائه می‌نماید.
جدول 1-3- توانایی جاذب‌ها و حلال‌های مختلف در جداسازی ناخالصی‌های سولفور
حلال یا جاذب توضیح توانایی جداسازی سولفیدهیدروژن توانایی جداسازی مرکاپتان‌ها و سولفیدکربنیل توانایی جداسازی انتخابی سولفیدهیدروژن امکان کاهش قدرت حلال
مونو‌اتانول‌آمین (MEA) حلال شیمیایی بله به‌طور نسبی خیر بله (توسط CO2 و COS و CS2)
دی‌اتانول‌آمین (DEA) حلال شیمیایی بله به‌طور نسبی خیر تا حدی (توسط CO2 و COS و CS2)
دی‌گلیکول‌آمین (DGA) حلال شیمیایی بله به‌طور نسبی خیر بله (توسط CO2 و COS و CS2)
متیل‌دی‌اتانول‌آمین (MDEA) حلال شیمیایی بله به‌طور نسبی بله خیر
آمین ترکیبی از نوع Dow's Gas Spec شامل MDEA/ DIPA حلال شیمیایی بله به‌طور نسبی بله خیر
آمین ترکیبی از نوع BASF's aMDEA حلال شیمیایی بله به‌طور نسبی بله خیر
آمین ترکیبی از نوع Exxon's Flexsorb دارای آمین پایه MDEA حلال شیمیایی بله به‌طور نسبی- سولفیدکربنیل را کاملاً حذف می‌کند. - خیر
آمین ترکیبی از نوع Union Carbide's Ucarsol دارای آمین پایه TEA حلال شیمیایی بله به‌طور نسبی - -
سلکسول (Selexol) حلال فیزیکی بله بله بله خیر
سود (هیدروکسیدسدیم) حلال فیزیکی بله بله بله خیر
سولفینول (Sulfinol) حلال هیبریدی بله بله اما نه کاملاً بله تا حدی توسط CO2 و CS2
حلال‌های شرکت DOW حلال هیبریدی بله بله (بازده بسیار بالا) بله -
حلال‌های خانواده فلکسورب Flexsorb SE or Felex sorb PS حلال هیبریدی بله بله اما نه تا مقدار زیر 30 ppm (برای برش گاز مایع) - -
غربال‌های مولکولی (Molecular Sieves) جاذب احیاپذیر بله بله (بازده بسیار بالا) بله -
آهن اسفنجی (اکسید آهن) (Iron Spange) جاذب احیاناپذیر بله به‌طور نسبی (بازده بسیار پایین) بله -
اکسیدهای روی بهبودیافته جاذب احیاناپذیر بله بله برای سولفیدکربنیل بله -
اکسیدهای ترکیبی دارای پایه اکسیدمس جاذب احیاناپذیر بله بله (بازده بسیار بالا) بله -
اکسیدهای ترکیبی دارای پایه اکسیدنیکل جاذب احیاناپذیر بله بله (بازده بسیار بالا) بله -
جامد قلیایی ترکیبی سافنولایم‌آرجی
(Sufnolime RG) جاذب احیاناپذیر بله به‌طور نسبی خیر -
هات‌پتاسیم‌بنفیلد
(Hot Potassium Benfield) جاذب احیاناپذیر قلیایی بله خیر خیر خیر
1-3-1- فرآیندهای خشک
فرآیندهای خشک بر اساس قابلیت احیای جاذب مورداستفاده به سه دسته احیاناپذیر، احیاپذیر و هیبریدی (ترکیبی از فرآیندهای احیاناپذیر و احیاپذیر) تقسیم می‌گردند که در ادامه هرکدام شرح داده می‌شوند.
1-3-1-1- فرآیندهای خشک احیاناپذیر
در این فرآیندها جداسازی سولفیدهیدروژن و مرکاپتان‌ها از جریان گاز توسط یک جاذب جامد و از طریق واکنش صورت می‌گیرد. اکثر این فرآیندها احیاناپذیر هستند اگرچه بعضی از آن‌ها قابلیت احیا نسبی دارند و در هر سیکل احیا، جاذب بخشی از فعالیت خود را از دست می‌دهد.
جاذب‌های احیاناپذیر شامل اکسیدهای فلزی، اکسیدهای ترکیبی فلزات و جامدات قلیایی می‌باشند.
در فرآیندهای احیاناپذیر دارای جاذب اکسید فلزی به دلیل اینکه مبنای فرآیند واکنش اکسیداسیون می‌باشد، ناخالصی‌های سولفوری که امکان اکسیده شدن در شرایط فرآیند را ندارند به این روش جداسازی نمی‌شوند. در این فرآیندها، گاز شور به درون بستر از گرانول‌های جاذب (اکسید فلزی) فرستاده می‌شود که این گرانول‌ها معمولاً با ناخالصی سولفور به‌ویژه سولفیدهیدروژن واکنش داده و سولفید فلزی پایدار تولید می‌کنند. تشکیل سولفید فلزی در جاذب یک واکنش غیرقابل‌برگشت است که ما را از یک محصول تصفیه‌شده با خلوص بالا مطمئن می‌سازد.
جاذب مصرف‌شده ممکن است بازیافت شود و یا اینکه به‌عنوان زباله بی‌خطر دور ریخته شود. اگرچه واکنش جاذب با ناخالصی‌های گوگردی تحت تأثیر فشار نمی‌باشد اما در دماهای بالا بهتر انجام می‌شود. بنابراین به دلیل افزایش فعالیت جاذب با ازدیاد دما، بسترهای جاذب معمولاً در پایین‌دست کمپرسورها نصب می‌شوند.
در فرآیندهای دارای قابلیت احیا نسبی، سولفید فلزی تشکیل‌شده قادر است که با اکسیژن واکنش داده و درنتیجه سولفور عنصری به همراه اکسید فلزی احیاشده تولید کند. بنابراین این نوع از فرآیندهای خشک شیرین‌سازی دو دسته‌اند. در یک دسته در اثر واکنش اکسیداسیون، سولفور تولیدشده و در دسته دیگر اکسیدهای سولفوری تولید می‌شوند. فرآیندهای خشک سولفورزدایی با جاذب، بسیار ساده و تمیز هستند. جاذب مصرف‌شده (سولفید فلزی) ممکن است برای بازیافت فلز فروخته شود و درنتیجه هزینه‌های انهدام مواد مصرف‌شده و زائد کاهش‌یافته یا حذف می‌شود.
برای ظرفیت‌های سولفورزدایی بالا و در مقیاس صنعتی، استفاده از اکسیدهای فلزی بهبودیافته ضروری می‌باشد. همچنین به‌منظور جداسازی ناخالصی‌های سولفور آلی که دارای فعالیت کمتری هستند مانند مرکاپتان‌ها و نیز انجام فرآیند در دماهای عملیاتی پایین‌تر از 120 درجه سانتی‌گراد باید از اکسیدهای فلزی ترکیبی که شامل فلزاتی نظیر روی، مس، منگنز، آلومینیم، سرب، نقره و آهن هستند استفاده کرد [6].
اکسیدروی فعال بهبودیافته، اکسید آهن، اکسیدهای دارای پایه نیکل، اکسیدهای دارای پایه مس، اکسیدهای ترکیبی مس و روی، ترکیبی از اکسیدهای مس و روی درون پوشش آلومینا و نیز ترکیبی از اکسیدهای روی و مس و آلومینا به شکل قرص انواعی از جاذب‌های صنعتی هستند که امروزه بکار می‌روند.
جاذب‌های ترکیبی اکسیدهای فلزی، مانند آنچه ذکر شد، قادر به سولفورزدایی در دماهای پایین بوده (پایین‌تر از 120 درجه سانتی‌گراد) و فرمولاسیون آن‌ها به‌گونه‌ای است که دارای سطح‌فعال وسیعی هستند [7 و 1].
در فرآیندهای احیاناپذیر دارای جاذب جامد قلیایی، از جاذب‌های هیدروکسیدی، نظیر آنچه در فرآیندهای گاز با سودسوزآور به کار می‌رود، استفاده می‌شود. شکل بهبودیافتۀ جامدهایی که پایه قلیایی دارند مانند نوع سافنولایم‌آرجی که مخلوطی از هیدروکسیدها در یک جامد دانه‌ای می‌باشد، قادر است سولفیدهیدروژن، دی‌اکسیدکربن، سولفیدکربنیل، دی‌اکسیدگوگرد و ترکیبات گوگرددار آلی را حذف کند اما توانایی آن بیشتر در حذف سولفیدهیدروژن و دی‌اکسیدکربن است. بستر پرشده در میان دو‌لایه از ساچمه سرامیکی در بالا و پایین نگه‌داشته می‌شود و جهت جریان به سمت بالاست.
در این فرآیند واکنش‌های زیر صورت می‌گیرد:
2NaOH+H2S⟶Na2S+2H2O (1-3)
Ca(OH)2+CO2⟶CaCO3+H2O (1-4)
سافنولایم‌آرجی علاوه بر سولفیدهیدروژن، دی‌اکسیدکربن را حذف می‌کند. نوع دیگری از جاذب‌های جامد قلیایی، هیدروکسید‌پتاسیم جامد می‌باشد. هیدروکسید‌پتاسیم جامد، به‌عنوان باز جامد قادر به جداسازی تنها مقادیر کم سولفیدهیدروژن، سولفیدکربنیل و مرکاپتان‌ها از جریان پروپان و گاز مایع است و زمانی کاربرد دارد که شیرین‌سازی مقادیر کم پروپان ترش در عملیات ناپیوسته مدنظر باشد. چون ماده مورداستفاده در این فرآیندها یک نوع باز غیرقابل احیا می‌باشد. ممکن است پسماند آن موجب بروز مشکلاتی گردد [7].
1-3-1-2- فرآیندهای خشک احیاپذیر
جاذب‌هایی که در فرآیندهای خشک احیاپذیر بکار می‌روند عبارتند از غربال‌های مولکولی. در بعضی موارد در کنار غربال‌های مولکولی از آلومینای فعال، سیلیکاژل، کربن فعال و غیره به‌عنوان کاتالیست هیدرولیز استفاده می‌شود. غربال‌های مولکولی به‌عنوان جاذب‌های احیاپذیر طی سی سال اخیر کاربردهای بسیاری داشته‌اند. این انواع از جاذب‌ها علاوه بر جداسازی سولفیدهیدروژن و دی‌اکسیدکربن قادر به جداسازی ترکیبات سولفور آلی مانند سولفیدکربنیل، دی‌سولفیدکربن و مرکاپتان‌های سبک با بازده بالا می‌باشند. این جاذب‌ها معمولاً برای حذف آب از جریان‌های گازی فشار بالا و حذف مرکاپتان‌ها به همراه دیگر آلاینده‌ها از محصولات هیدروکربنی سبک به کار می‌روند و عموماً در مواردی استفاده می‌شوند که خلوص بسیار بالای محصول موردنیاز است؛ بنابراین درصورتی‌که از غربال‌های مولکولی مناسب استفاده گردد، امکان رطوبت‌زدایی و شیرین‌سازی گاز مایع در یک مرحله وجود دارد و محصولی با مشخصات رطوبتی و سولفور موردنیاز تولید خواهد شد که تست خوردگی را نیز برای سولفورهای فرار با موفقیت طی می‌کند.
به‌طورکلی رطوبت‌زدایی توسط غربال‌های مولکولی 3 و 4 انگستروم انجام می‌شود درحالی‌که حذف دی‌اکسیدکربن و ترکیبات گوگردی با غربال‌های مولکولی بزرگ‌تر از 5 انگستروم صورت می‌گیرد.
یکی از تکنولوژی‌های شیرین‌سازی برش‌های هیدروکربنی با استفاده از غربال‌های مولکولی تکنولوژی زئوکم می‌باشد. شرکت زئوکم معمولاً صدها تن در سال غربال مولکولی را برای موارد شیرین‌سازی مختلف در سرتاسر جهان، در مقیاس‌های بزرگی چون پالایشگاه، کارخانجات گاز و غیره تا مقیاس‌های کوچک تأمین می‌کند و تجربه زیادی در این زمینه دارد. این شرکت بر اساس مطالعات انجام‌شده بر روی فرآیندهای صنعتی و با تکیه‌بر نتایج آزمایشات صورت گرفته پارامترهای عملیاتی فرآیندهای شیرین‌سازی با غربال‌های مولکولی را ازلحاظ اقتصادی بهینه‌سازی نموده است. در بسیاری از موارد شیرین‌سازی برش‌های هیدروکربنی مایع سبک مدنظر که دارای ناخالصی‌های مرکاپتانی هستند. با توجه به اینکه سینتیک جذب در فاز مایع بسیار کندتر از سینتیک جذب در فاز گاز است، طبیعتاً بهره‌برداری از غربال‌های مولکولی برای شیرین‌سازی گاز مایع مشکل‌تر می‌باشد. درزمینهی افزایش سرعت جذب یا به‌عبارت‌دیگر افزایش ظرفیت غربال‌های مولکولی نیز، تکنولوژی زئوکم پیشرفت‌های زیادی داشته است و برای مثال ظرفیت جذب غربال‌های مولکولی برای جداسازی ناخالصی‌های گوگردی موجود در گاز مایع مانند مرکاپتان‌ها در حدود 13 الی 20 درصد افزایش‌یافته است.
همان‌گونه که قبلاً ذکر شد غربال‌های مولکولی احیاپذیر هستند و روش احیاء بستر غربال‌های مولکولی در هر دو مورد شیرین‌سازی گاز طبیعی یا گاز مایع مشابه است. معمولاً مقدار کمی از گاز طبیعی یا گاز مایع شیرین شده برای حرارت دادن و احیاء بستر به کار می‌رود. در فرآیند شیرین‌سازی گاز مایع مراحل پر کردن و تخلیه بستر از گاز مایع احیاء کننده به مراحل فرآیندی احیاء بستر اضافه می‌شود [10 و 9 و 8].
مزایای فرآیندهای خشک احیاپذیر به شرح زیر است:
فرآیندهای شیرین‌سازی با غربال مولکولی، ترکیبات گوگردی مانند سولفیدهیدروژن، سولفیدکربنیل و مرکاپتان‌ها را به‌طور گزینشی حذف می‌نماید.
در صورت استفاده از غربال مولکولی امکان رطوبت‌زدایی و شیرین‌سازی گاز طبیعی یا گاز مایع به‌طور همزمان وجود دارد.
در صورت زیاد بودن سولفیدکربنیل در برش هیدروکربنی پروپان، می‌توان با نصب یک بستر کاتالیستی هیدرولیز که تبدیل‌کننده سولفیدکربنیل به سولفیدهیدروژن و دی‌اکسیدکربن است، در بالادست بستر غربال مولکولی مقدار جداسازی سولفیدکربنیل را افزایش داد.
با افزایش تعداد دفعات احیاء بستر می‌توان ظرفیت گوگردزدایی را افزایش داد.
در کارخانه‌ای که دارای واحد غربال مولکولی برای رطوبت‌زدایی است و برای گوگردزدایی از روش‌های دیگری مانند حلال‌های فیزیکی استفاده می‌شود، در صورت نیاز با جایگزین کردن غربال‌های مولکولی رطوبت‌زدایی با انواعی که قادر به گوگردزدایی نیز هستند، ناخالصی‌های سولفور باقیمانده در محصول شیرین شده را می‌توان تا مقادیر بسیار پایین‌تر وزنی و حتی تا زیر ppm 5 وزنی کاهش داد.
1-3-1-3- فرآیندهای خشک هیبریدی
فرآیندهای هیبریدی مانند سلکسورب نوعی از فرآیندهای احیاناپذیر هستند که از فرآیندهای خشک احیاپذیر و احیاناپذیر توأماً استفاده می‌کنند، در این فرآیندها پس از بسترهای جاذب احیاناپذیر، بستری از غربال‌های مولکولی استاندارد درجه (4A) مانند Zeochem's 24-01 به‌منظور خشک‌کردن و حذف CO2 به کار می‌رود.
فرآیندهای هیبریدی دارای مزایای ذیل هستند:
با افزایش تعداد دفعات احیاء، امکان جداسازی بیشتر ترکیبات گوگردی وجود دارد.
همچنین گاز احیاء کننده می‌تواند دوباره به کار رود بنابراین فرآیند در تمام موارد اقتصادی است. علت امکان استفاده مجدد از گاز احیاء کننده غربال‌های مولکولی آن است که این غربال‌ها فقط برای رطوبت‌زدایی و حذف دی‌اکسیدکربن به‌کاررفته‌اند.
هزینه‌های عملیاتی طولانی‌مدت آن در مقایسه با دیگر فرآیندهای خشک پایین‌تر است.
عیب فرآیندهای هیبریدی آن است که چون پیچیده می‌باشند و بستر جاذب گوگرد باید هر 6 ماه یا در مورد مقادیر بالای گوگرد حتی سریع‌تر تعویض شود، هزینه‌های سرمایه‌گذاری برای تجهیزات بالاست.
1-3-2- فرآیندهای مرطوب
فرآیندهای مرطوب که البته احیاپذیر هستند، با کمک حلال‌های فیزیکی (مانند سود)، حلال‌های هیبریدی (فیزیکی- شیمیایی) یا حلال‌های شیمیایی (آمین‌ها) انجام می‌شوند.
حلال‌های فیزیکی مانند سود (هیدروکسیدسدیم)، سلکسورب و غیره برای جداسازی مرکاپتان‌ها و ترکیبات گوگردی سنگین‌تر و نیز مقادیر کم سولفیدهیدروژن و دی‌اکسیدکربن به کار می‌روند. حلال فیزیکی هیدروکسیدپتاسیم نیز در جداسازی سولفیدهیدروژن و متیل‌مرکاپتان از گاز مایع مؤثر می‌باشد.
حلال‌های شیمیایی یا آمین‌ها قادر به جداسازی سولفیدهیدروژن و دی‌اکسیدکربن از جریان گاز می‌باشند و برای جداسازی ترکیبات گوگردی سنگین‌تر مانند مرکاپتان‌ها، آمین‌ها به‌اندازه کافی قوی نیستند که بتوانند تمام مرکاپتان‌های اتیل و متیل را از جریان گاز مایع حذف کنند. درنتیجه حلال‌های شیمیایی (آمین‌ها) زمانی برای شیرین‌سازی جریان‌های گازی به کار می‌روند که ناخالصی‌های اصلی موجود و مشکل‌زا، سولفیدهیدروژن و دی‌اکسیدکربن باشند. اگرچه حلال‌های فیزیکی مقادیر بسیار زیاد مرکاپتان را از جریان گاز مایع جداسازی می‌کنند و از این نظر از حلال‌های شیمیایی (آمین‌ها) قوی‌تر هستند اما در عوض حلالیت فاز هیدروکربنی در حلال‌های فیزیکی بیشتر از حلالیت آن در حلال‌های شیمیایی است.
حلال‌های هیبریدی عملکردی مابین عملکرد حلال‌های شیمیایی (آمین‌ها) و حلال‌های فیزیکی دارند. حلال‌های هیبریدی این توانایی را دارند که در عین جداسازی مرکاپتان‌ها و برخی دیگر از ترکیبات آلی، مقادیر کمتری از برش هیدروکربنی را در مقایسه با حلال‌های فیزیکی در خود جذب ‌کنند. البته نباید فراموش کرد که ازلحاظ جداسازی مرکاپتان‌ها حلال‌های هیبریدی بازده حلال‌های فیزیکی را ندارند اما از حلال‌های آمینی قوی‌تر هستند [12 و 11 و 3].
1-3-2-1- سولفورزدایی با حلال‌های شیمیایی (آمین‌ها)
حلال‌های آمینی دهه‌هاست که برای جداسازی سولفیدهیدروژن و دی‌اکسیدکربن از برش‌های مختلف گاز استفاده می‌شوند؛ اما بازده آن‌ها در حذف مرکاپتان چندان مطلوب نیست. ازآنجاکه مرکاپتان‌ها نسبت به سولفیدهیدروژن یا دی‌اکسیدکربن اسیدهای بسیار ضعیف‌تری هستند، تنها به میزان کمی با آمین‌ها واکنش می‌دهند و به همین دلیل برای حذف مؤثر مرکاپتان‌های بازهای قوی‌تری چون محلول‌های سودسوزآور موردنیاز هستند [11].
روش‌های اولیه طراحی واحدهای شیرین‌سازی گاز با آمین طی سالیان متمادی اصلاح‌شده‌اند و اصلاح این روش‌ها با گذشت زمان و کسب تجربیات بیشتر همچنان ادامه دارد.
فرآیندهای آمینی تصفیه گاز مایع و تصفیه گاز طبیعی مشابه هستند چراکه در هر دو مورد یک فاز هیدروکربنی با چگالی پایین (مایع یا گاز) با یک فاز مایع سنگین‌تر و غیرقابل امتزاج (محلول آبی الکالونامین) تماس برقرار می‌کند. CO2، H2S و COS از فاز هیدروکربنی به فاز آبی منتقل می‌شوند و در آنجا با آمین واکنش می‌دهند. آمین مصرف‌شده، بازیافت شده و به سیستم بازگردانده می‌شود. در واحدهای تصفیه گاز، به دلیل حجم زیاد گاز موجود و ظرفیت محدود گاز در حالت طغیان کرده، فاز گاز معمولاً (نه همیشه) فاز پیوسته است؛ اما در مورد گاز مایع اگرچه دبی حجمی فاز هیدروکربن نسبتاً پایین است اما به‌هرحال دبی آن بالاتر از دبی حجمی فاز آمین است و در طراحی فرآیند هر یک از فازهای آمین یا هیدروکربن ممکن است به‌عنوان فاز پیوسته در نظر گرفته شوند [3].
آمین‌های متداول در شیرین‌سازی عبارتند از مونو‌اتانول‌آمین (MEA)، دی‌اتانول‌آمین (DEA)، دی‌اتیلن‌گلیکول‌آمین (DGA)، دی‌ایزو‌پروپانول‌آمین (DIPA) و متیل‌دی‌اتانول‌آمین (MDEA). همچنین آمین‌هایی ترکیبی که مخلوطی از چندین آمین با برخی افزودنی‌ها هستند در صنایع به کار می‌روند که بسیار مؤثرتر از متیل‌دی‌اتانول‌آمین به‌تنهایی هستند. این آمین‌های ترکیبی معمولاً دارای آمین پایه و سه‌تایی متیل‌دی‌اتانول‌آمین (MDEA) یا تری‌‌اتانول‌آمین (TEA) می‌باشند و آمین‌های دیگری نظیر مونو‌اتانول‌آمین یا دی‌‌‌ایزو‌پروپانول‌آمین به آن‌ها افزوده می‌شوند تا آمین ترکیبی ساخته شود. آمین‌های ترکیبی علاوه بر جداسازی سولفیدهیدروژن و دی‌اکسیدکربن قادر به جداسازی ترکیبات سولفور آلی نظیر سولفیدکربنیل و دی‌سولفیدکربن نیز می‌باشند.
حلال آمینی مناسب بر اساس نوع و مقدار ترکیبات اسیدی و همچنین مشخصات گاز تعیین می‌شود. تفاوت عمده در کاربرد حلال‌های آمینی مختلف، تفاوت در غلظت محلول، میزان جذب، نقطه‌جوش و تجزیه‌پذیری هر یک از آن‌هاست.
مونو‌اتانول‌آمین (MEA) معمولاً به میزان 10 تا 20 درصد وزنی در محلول آبی به کار می‌رود. دی‌اتانول‌آمین (DEA) نیز به میزان 10 تا 30 درصد وزنی در محلول آبی استفاده می‌شود. دی‌‌ایزو‌پروپانول‌آمین (DIPA)، دی‌اتیلن‌گلیکول‌آمین (DGA) و متیل‌دی‌اتانول‌آمین (MDEA) در غلظت‌های بالاتر به کار می‌روند. محدوده غلظتی که برای دی‌ایزو‌پروپانول‌آمین و متیل‌دی‌اتانول‌آمین به کار می‌رود معمولاً 30 تا 50 درصد وزنی در محلول آبی است.
پالایشگاه‌های قدیمی گوگردزدایی از گاز طبیعی عمدتاً از حلال‌های مونو‌اتانول‌آمین و دی‌اتانول‌آمین استفاده می‌کردند [13 و 12].
1-3-2-2- سولفورزدایی با حلال‌های فیزیکی
از حلال‌های فیزیکی برای حذف ترکیبات گوگردی مانند سولفیدکربنیل، دی‌سولفیدکربن، دی‌متیل‌دی‌سولفاید، متیل‌مرکاپتان، اتیل‌مرکاپتان و پروپیل مرکاپتان‌ها استفاده می‌شود. برخی ناخالصی‌های گوگردی، مانند مرکاپتان‌ها در آب به‌راحتی یونیزه نشده و اسید تولید نمی‌کنند یا اصطلاحاً مانند سولفیدهیدروژن فعال نیستند، درنتیجه حلال‌های آمینی قادر به جداسازی آن‌ها نمی‌باشند. برای جداسازی این ناخالصی‌ها از طریق روش‌های مرطوب باید از یک حلال فیزیکی استفاده کرد.
حلال‌های فیزیکی دارای فراریت کم، ویسکوزیته پایین تا متوسط، نقطه‌جوش بالا و پایداری شیمیایی و حرارتی بسیار خوبی می‌باشند.
حلالیت ناخالصی‌های سولفیدهیدروژن، دی‌اکسیدکربن، متیل‌مرکاپتان، دی‌سولفیدکربن و دی‌اکسیدگوگرد در حلال‌های فیزیکی بهتر از حلالیت متان، اتان، مونوکسیدکربن، هیدروژن، نیتروژن و اکسیژن در این حلال‌ها می‌باشد اما هیدروکربن‌های سنگین‌تر و آب نیز در این حلال‌ها حل می‌شوند؛ بنابراین حلال‌های فیزیکی به دلیل تفاوت حلالیت مواد مختلف در آن‌ها یک یا چند جزء از ناخالصی‌های موجود در جریان گاز را به‌طور گزینشی جذب می‌کنند [12].
تمایل حلال‌های فیزیکی برای جذب ترکیبات اسیدی باید بیش از تمایل آن‌ها برای جذب هیدروکربن‌ها باشد. این امر از طریق کنترل نحوه توزیع حلال و نیز کنترل آب موجود در آن و شرایط عملیاتی، امکان‌پذیر می‌گردد.
پس از بررسی تأثیر پارامترهای عملیاتی مختلف در محدود ساختن هم‌جذبی هیدروکربن‌ها به همراه ناخالصی‌ها توسط حلال فیزیکی، دبی حلال فیزیکی به‌عنوان مؤثرترین عامل شناخته‌شده است. با کاهش دبی حلال، جذب هیدروکربن‌های پروپان و بوتان توسط حلال حداقل می‌شود درحالی‌که جذب مرکاپتان‌ها توسط حلال در حد عالی حفظ می‌شود. علت این امر حلالیت کمتر پروپان و بوتان در حلال در مقایسه با حلالیت زیاد ناخالصی‌ها می‌باشد.
برخی طراحی‌های فرآیند از سیستم‌های اختلاط شدیدی استفاده می‌کنند که فازهای سود هیدروکربن را امولسیون می‌کند. در این موارد یک فیلتر شنی یا تجهیز شستشو دهنده با آب، قطرات آبی به دام افتاده در فاز روغنی را از محصول هیدروکربن جدا می‌کند. در فرآیندهای مدرن تماس میان فازها بدون نیاز به اختلاط انجام‌شده و درنتیجه بدون نیاز به مراحل پاک‌سازی ذکرشده فازها به‌خوبی از یکدیگر جدا می‌شوند [14].
1-3-2-2-1- حلال فیزیکی سلکسول
حلال سلکسول یک حلال فیزیکی و البته احیاپذیر است که قادر به حذف گزینشی یا ترکیبی ناخالصی‌هایی چون CO2، H2S، COS، CS2 و H2O و مرکاپتان‌ها از جریان‌های مختلف گاز طبیعی یا سنتزی می‌باشد.
ازجمله خصوصیات این حلال، نیاز به انرژی احیای اندک (احیاء اغلب با پایین آوردن فشار انجام می‌شود)، پایداری شیمیایی و حرارتی (حتی با اکسیژن)، خورندگی پایین، خاصیت ضد کف زایی و میزان پایین اتلاف حلال حین تصفیه گاز می‌باشد.
در جدول (1-4) حلالیت نسبی گازهای مختلف در حلال فیزیکی سلکسول آورده شده است. همان‌گونه که در این جدول مشخص می‌باشد، قابلیت انحلال ناخالصی‌های CO، COS، H2S، CS2 و مرکاپتان‌ها، حلال را برای کاربردهای وسیع تصفیه گاز مؤثر می‌سازد. آب نیز به‌راحتی توسط این حلال جذب می‌شود و درنتیجه امکان شیرین‌سازی همزمان با رطوبت‌زدایی از جریان گاز وجود دارد [15].
جدول 1-4- حلالیت نسبی گازهای مختلف در حلال سلکسول [16]
نوع ماده حلالیت در حلال سلکسول نوع ماده حلالیت در حلال سلکسول نوع ماده حلالیت در حلال سلکسول
هیدروژن 2/0 نیتروژن 3/0 مونوکسیدکربن 43/0
متان 0/1 اتان 5/6 اتیلن 2/7
دی‌اکسیدکربن 2/15 پروپان 4/15 ایزوبوتان 0/28
نرمال بوتان 0/36 سولفیدکربنیل 0/35 ایزوپنتان 0/68
استیلن 0/68 آمونیاک 73 نرمال‌پنتان 83
سولفیدهیدروژن 134 هگزان 167 متیل‌مرکاپتان 340
هپتان 360 دی‌سولفیدکربن 360 دی‌اکسید‌گوگرد 1400
بنزن 3800 آب 11000 با توجه به جدول (1-4) حلالیت زیاد مرکاپتان‌ها، سولفیدهیدروژن، سولفیدکربنیل و دیگر ترکیبات گوگردی در حلال نسبت به حلالیت کم اتان، متان، پروپان و تا حدی بوتان (حلالیت متیل‌مرکاپتان تقریباً 10 برابر بوتان است)، این حلال را برای شیرین‌سازی گاز طبیعی و برش پروپان مایع مناسب می‌سازد.
هم‌جذبی هیدروکربن‌های سنگین‌تر از پروپان نیاز به ملاحظات بیشتر در ارزیابی بازده حلال سلکسول و طراحی فرآیند دارد. این حلال قادر است که ناخالصی‌های گوگرد موجود در گاز طبیعی را به مقادیری کمتر از ppm 16 و مقدار دی‌اکسیدکربن موجود را به مقادیر کمتر از ppm 2000 برساند و گاز طبیعی شیرینی با نقطه شبنم گاز و نقطه شبنم آب مطلوب تولید نماید [15].
1-3-2-2-2- محلول‌های سودسوزآور
مدت زیادی است که در صنعت پالایش فرآورده‌های هیدروکربنی مایع، از محلول‌های سودسوزآور برای استخراج ناخالصی‌های اسیدی مانند سولفیدهیدروژن، مرکاپتان‌ها و سایر ترکیبات گوگرددار آلی استفاده می‌شود. هنوز هم فرآیندهای شیرین‌سازی با استفاده از حلال سودسوزآور پرطرفدارترین بین فرآیندهای مرطوب می‌باشند. حلال فیزیکی سودسوزآور درصورتی‌که به‌درستی بازیافت و تصفیه شود، هیچ‌گونه پسماند مضر و خطرناکی را به وجود نیاورده و مورد تأیید قوانین زیست‌محیطی نیز می‌باشد. گازهای پالایشگاهی، گاز مایع و نفتای سبک اغلب در سراسر جهان توسط حلال فیزیکی سود تصفیه می‌شوند. اگرچه پیش از فرآیند شستشو با سود ناخالصی‌های سولفیدهیدروژن و دی‌اکسیدکربن باید توسط حلال‌های آمینی یا جاذب‌های خشک جداسازی شده باشند.
سود استفاده‌شده در فرآیندهای شیرین‌سازی گاز مایع که غنی از مرکاپتان است، در یک سیستم تصفیه کاتالیستی بازیافت می‌شود [14].
متأسفانه، ترکیبات گوگردی موجود در برش‌های هیدروکربنی سنگین مانند نفتای سنگین، سوخت جت و دیزل نمی‌توانند با سود استخراج شوند و محلول‌های سود در این زمینه‌ تنها برای تبدیل مرکاپتان‌های بدبو و خورنده به روغن‌های دی‌سولفید مجاز بکار می‌روند.
با توجه به مطالب ذکرشده، حلال سود در صنایع پالایش برای حذف ترکیبات گوگردی از برش‌های هیدروکربنی سبک و یا اکسایش مرکاپتان‌های موجود در برش‌های سنگین‌تر به کار می‌رود.
در خلال فرآیندهای شیرین‌سازی برش‌های سنگین با سود محصولات جانبی آلی‌ای نظیر سود فنولی و محلول‌های سود نفتنی تولید می‌شوند که بایستی هنگام طراحی واحد تصفیه در نظر گرفته شوند. بخشی از فنول‌ها موجود در بنزین‌های حاصل از شکست به‌طور اتفاقی با حلال فیزیکی سود استخراج می‌شوند. محلول‌های سود فنولی و نفتنی ممکن است فروخته شوند یا به‌گونه‌ای مناسب در واحد به کار روند [14].
مزایای حلال فیزیکی سود‌سوزآور به شرح زیر است:
در میان حلال‌های فیزیکی، سود یکی از ارزان‌ترین بازهای غیرآلی موجود در صنایع پالایش هیدروکربن‌ها می‌باشد. در طولانی‌مدت قیمت سود با سرعت اندکی کمتر از تورم افزایش‌یافته است.
در واحدهای فرآیندی، پمپ کردن و کنترل سود آسان است. در دماهای عملیاتی زیر 93 درجه سانتی‌گراد، لازمه متالوژی معمولاً کربن استیلی است که هزینه پایینی می‌برد.
در مقایسه با فرآیندهای خشک احیاپذیری که در آن‌ها از غربال‌های مولکولی استفاده می‌شود، هزینه‌های سرمایه‌گذاری و عملیاتی فرآیندهای مرطوب استفاده‌کننده از سودسوزآور 80 الی 90 درصد پایین‌تر است. فرآیندهای شیرین‌سازی گاز مایع با سود در مقایسه با غربال‌های مولکولی نه‌تنها ارزان‌تر هستند بلکه اطمینان از حصول محصولی با مشخصات موردنظر در صورت استفاده از سود بیشتر است.
سود مصرف‌شده برای شیرین‌سازی برش هیدروکربنی سبک گاز مایع به‌راحتی توسط یک فرآیند اکسیداسیون کاتالیستی احیاشده و به برج استخراج مرکاپتان‌ها برگردانده می‌شود. ازآنجاکه سود در هیدروکربن‌ها محلول نیست، جداسازی کامل فازها می‌تواند در واحدی که به‌خوبی طراحی‌شده است، به دست آید.
در مقایسه با دیگر مواد شیمیایی مورداستفاده در صنایع پالایش و پتروشیمی، سود حین ذخیره، انتقال و در ارتباط با پرسنلی که با آن سروکار دارند، ایمنی بیشتری دارد و مقررات ایمنی مرتبط با سودسوزآور به‌سختی مقررات وضع‌شده برای مواد شیمیایی دیگر موجود در پالایشگاه‌ها مانند سولفیدهیدروژن، آمین‌ها، آمونیاک گازی، اسیدسولفوریک و اسیدهیدروفلوریک و غیره نمی‌باشد [14].
1-3-2-3- سولفورزدایی با حلال‌های هیبریدی
حلال‌هایی که به‌عنوان حلال «هیبریدی» دسته‌بندی می‌شوند، ترکیبی از حلال‌های شیمیایی و فیزیکی می‌باشند. این حلال‌ها معمولاً شامل (30- 20) درصد وزنی آب، (60- 40) درصد وزنی آمین و (40- 10) درصد وزنی حلال فیزیکی می‌باشند [14]. ترکیب آمینی مورداستفاده در حلال‌های هیبریدی معمولاً متیل‌دی‌اتانول‌آمین (MDEA) یا دی‌ایزو‌پروپانول‌آمین (DIPA) می‌باشد.
حلال‌های هیبریدی عملکردی مابین عملکرد حلال‌های شیمیایی (آمین‌ها) و حلال‌های فیزیکی دارند. اگرچه حلال‌های فیزیکی مقادیر بسیار زیاد مرکاپتان را از جریان گاز مایع جداسازی می‌کنند و از این نظر از حلال‌های شیمیایی (آمین‌ها) قوی‌تر هستند اما در عوض حلالیت فاز هیدروکربنی در حلال‌های فیزیکی بیشتر از حلالیت آن در حلال‌‌های شیمیایی است. حلال‌های هیبریدی این توانایی را دارند که در عین جداسازی مرکاپتان‌ها و برخی دیگر از ترکیبات آلی، مقادیر کمتری از برش هیدروکربنی را در مقایسه با حلال‌های فیزیکی در خود جذب می‌کنند. البته نباید فراموش کرد که ازلحاظ جداسازی مرکاپتان‌ها حلال‌های هیبریدی بازده حلال‌های فیزیکی را ندارند اما از حلال‌های آمینی قوی‌تر هستند.
از انواع مختلف حلال‌های هیبریدی می‌توان از سولفینول حلال‌های اختصاصی ارائه‌شده توسط شرکت داو و حلال‌های هیبریدی فلکسورب نام برد.
به‌هرحال باوجود توانایی این حلال‌ها در جداسازی مرکاپتان‌ها، درصورتی‌که مقدار مجاز سولفور در محصول گاز مایع کمتر از 30 میلی‌گرم بر مترمکعب در محل دریافت محصول باشد. مقدار سولفور قبل از عملیات انتقال باید کمتر از 20 الی 25 میلی‌گرم بر مترمکعب باشد. در این صورت پس از بازیابی ترکیبات اسیدی توسط حلال‌های هیبریدی باید عملیات شیرین‌سازی تکمیلی نیز صورت گیرد تا مرکاپتان‌ها و سایر ترکیبات در صورت حضور در گاز مایع جداسازی شوند [11 و 9].
1-3-3- جمع‌بندی فرآیندهای شیرین‌سازی گاز مایع
حلال‌های آمینی مدت‌هاست که به‌عنوان حلال‌های شیمیایی مؤثر در جداسازی سولفیدهیدروژن و دی‌اکسیدکربن به‌کاررفته‌اند اما این حلال‌ها برای جداسازی مرکاپتان‌ها چندان مؤثر نیستند.
آمین‌های ترکیبی علاوه بر جداسازی سولفیدهیدروژن و دی‌اکسیدکربن قادر به جداسازی ترکیبات سولفور آلی نظیر سولفیدکربنیل و دی‌سولفیدکربن نیز می‌باشند. حلال‌های آمینی معمولی سولفیدکربنیل را به میزان کافی جذب نمی‌کنند یا جذب سولفیدکربنیل به قیمت جذب همزمان هیدروکربن‌ها توسط آمین انجام می‌شود. حلال‌های ترکیبی مانند a MDEA متعلق به شرکت BASF می‌توانند مقدار سولفیدکربنیل زیادی را، تقریباً 99 درصد، جذب کنند درحالی‌که حلالیت کمی برای هیدروکربن‌ها دارند و این در‌حالیست که دبی حلال موردنیاز زیاد نیست. مطالعه بر روی این آمین‌ها برای افزایش قدرت آن‌ها در جداسازی مرکاپتان‌های موجود در گاز مایع (شامل متیل و اتیل مرکاپتان‌ها) و سایر ترکیبات آلی در حال انجام است.
مرکاپتان‌ها در مقایسه با سولفیدهیدروژن و دی‌اکسیدکربن اسیدهای بسیار ضعیف‌تری هستند واکنش آن‌ها با آمین‌ها بسیار کم انجام می‌شود. درنتیجه بازهای قوی‌تری مانند محلول‌های سود برای جداسازی مؤثر مرکاپتان‌ها به کار می‌روند.
حلال‌های هیبریدی در جذب مرکاپتان‌ها موفق‌تر از حلال‌های آمینی هستند اما درصورتی‌که محصولی با مشخصات سولفور زیر ppm 30 جرمی مدنظر باشد این حلال‌ها هم برای جداسازی مرکاپتان‌ها پاسخگو نیستند، اگرچه در جداسازی سولفیدهیدروژن، دی‌اکسیدکربن و ترکیبات گوگردی آلی نظیر دی‌سولفیدکربن و سولفیدکربنیل بازده بالایی دارند.


طراحی فرآیندهایی که از حلال‌های هیبریدی استفاده می‌کنند مانند فرآیندهای آمینی است؛ اما هزینه‌های سرمایه‌گذاری و نیازمندی‌های انرژی برای حلال‌های هیبریدی کمتر است و علت اصلی آن بازده بالای حلال هیبریدی در دبی‌های کمتر می‌باشد. در مقایسه با حلال‌های آمینی دبی حلال هیبریدی در حال چرخش 30 الی 50 درصد کمتر است.
غربال‌های مولکولی که احیاپذیر هم هستند، نیز قادر به جداسازی ترکیبات سولفور آلی و مرکاپتان‌ها هستند و البته این جاذب‌ها سولفیدهیدروژن و دی‌اکسیدکربن را نیز با بازده بالا جداسازی می‌کنند. غربال‌های مولکولی این مزیت را نیز دارا هستند که همزمان با فرآیند شیرین‌سازی، عمل رطوبت‌زدایی را نیز از جریان هیدروکربنی انجام می‌دهند.
از میان فرآیندهای خشک، ازلحاظ توانایی جداسازی ناخالصی‌ها، تنها فرآیندهای شیرین‌سازی توسط غربال‌های مولکولی قادر به رقابت با حلال‌های فیزیکی مثل سود هستند.
در مقایسه با فرآیندهای شیرین‌سازی مرطوب که در آن‌ها از حلال‌های فیزیکی نظیر سود استفاده می‌شود، استفاده از غربال‌های مولکولی نیازمند صرف هزینه‌های سرمایه‌گذاری بالایی بوده و هزینه‌های عملیاتی مربوط به احیاء بستر آن‌ها نیز زیاد می‌باشد.
در جدول (1-5) هزینه‌های عملیاتی و سرمایه‌گذاری به‌منظور شیرین‌سازی bpsd 10000 سوخت جت، برای فرآیند مرطوب سود و فرآیند خشک غربال‌های مولکولی باهم مقایسه شده است در مقایسه با فرآیند تصفیه توسط غربال‌های مولکولی، فرآیند شیرین‌سازی با سود نه‌تنها ارزان‌تر است بلکه امکان دستیابی به محصولاتی باکیفیت مطمئن‌تر ازلحاظ ناخالصی‌های گوگردی، بیشتر است.
جدول 1-5- هزینه‌های عملیاتی و سرمایه‌گذاری موردنیاز برای شیرین‌سازی pbsd 10000 سوخت جت توسط دو فرآیند شیرین‌سازی با سود و شیرین‌سازی با کمک غربال‌های مولکولی [14]
هزینه‌های سرمایه‌گذاری
(دلار آمریکا به ازای هر بشکه) هزینه‌های عملیاتی
(دلار آمریکا به ازای هر بشکه)
شیرین‌سازی با سود
(فرایند احیاپذیر) 100-200 0/0172 0/005 0/06 0/023
شیرین‌سازی با غربال‌های مولکولی
(فرایند احیاپذیر) 1500-2500 0/380 0/025 0/012 0/417
به‌هرحال توصیه می‌شود که پیش از مشخص کردن یک تکنولوژی خاص برای شیرین‌سازی گاز مایع یا برش‌های تشکیل‌دهنده آن، آنالیز کاملی برای تعیین میزان و انواع ترکیبات گوگردی، آب، دی‌اکسیدکربن و ترکیبات اولفینی مانند اتیلن، پروپیلن و بوتیلن در صورت وجود در برش پروپان یا بوتان انجام شود. این اطلاعات کمک می‌کند تا روشی بهینه برای برخورد با محصولات مختلف یا فروش آن‌ها در نظر گرفته شود.
فصل دوم:
فرآیند شیرین‌سازی گاز مایع با محلول فیزیکی سود
2-1- مقدمه
فرآیند شیرین‌سازی گاز مایع توسط محلول سود دارای حدود 50 سال سابقه در صنایع تصفیه گاز می‌باشد. به دلیل پیشرفت‌های صورت گرفته در فرآیند و کاتالیست شیرین‌سازی برش‌های گاز توسط سود، این فرآیند یکی از موفق‌ترین فرآیندهای تحت لیسانس شرکت‌های مذکور بوده است. علی‌رغم قوانین جدید که محدودکننده مقدار سولفور مجاز در محصول می‌باشند، فرآیند شیرین‌سازی با سود هنوز یکی از فرآیندهای کلیدی برای جداسازی مرکاپتان‌ها و یا شیرین‌سازی آن‌ها می‌باشد. در تمام انواع فرآیندهای مذکور، اکسیداسیون کاتالیستی مرکاپتان‌ها به دی‌سولفیدها در محیط بازی هیدروکسیدسدیم صورت می‌گیرد.
2-2- شرح فرآیند‌ مرکاپتان‌زدایی از گاز مایع
2-2-1- شرح فرآیند واحد استخراج پروپان
هدف این واحد حذف مرکاپتان‌ها و آب از پروپان است. خوراک ورودی، پروپان ترش از واحد 107 و محصولات، پروپان خشک (که به سمت واحد 147 هدایت می‌شود) و محلول کاستیک با مرکاپتان (که برای احیا به سمت واحد 113 هدایت می‌شود) می‌باشد.
در این واحد ترکیبات سولفور بخصوص مرکاپتان‌ها و آب موجود در جریان گاز ترش پروپان صادره از واحد 107 حذف می‌شود. بر اساس طراحی انجام‌شده از محلول کاستیک سودا با غلظت 15 تا %20 برای تصفیه پروپان ترش استفاده می‌شود و محلول سود پس از جذب مرکا