پرش به محتوا

حسگر مولکولی

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
نمای کلی یک حسگر شیمیایی که شامل یک بخش فرستنده سیگنال و یک بخش تشخیص است که به نحوی متصل به یکدیگر است که ارتباط بین دو بخش را تسهیل می‌کند.

یک حسگر مولکولی یا حسگر شیمیایی عبارت است از یک ساختار مولکولی (مجموعه‌های آلی یا غیر آلی) که به منظور تشخیص یک آنالیت برای تولید یک تغییر قابل شناسایی یا یک سیگنال به کار می‌رود.[۱][۲][۳][۴] عملکرد یک حسگر شیمیایی، بستگی به فعل و انفعالاتی دارد که در سطح مولکولی رخ می‌دهد، و معمولاً مستلزم نظارت مستمر بر فعالیت یک گونه شیمیایی در یک ماتریس معین نظیر محلول، هوا، خون، بافت، فاضلاب، آب آشامیدنی و غیره است. عملکرد حسگرهای شیمیایی تحت عنوان حسگری شیمیایی نامیده می‌شود، که در واقع نوعی تشخیص مولکولی است. در طراحی همه حسگرهای شیمیایی یک بخش فرستنده سیگنال و یک بخش شناخت وجود دارد که این دو بخش یا به‌طور مستقیم یا از طریق یک نوع اتصال دهنده یا فضاگیر به یکدیگر متصل می‌شوند.[۵][۶][۷] این فرایند انتشار سیگنال اغلب از لحاظ نوری (اپتیکی) بر پایه تابش الکترومغناطیسی پی ریزی شده‌است و باعث تغییراتی در نور ماوراء بنفش و جذب مرئی یا خواص انتشار حسگرها می‌شود. حسگرهای شیمیایی همچنین ممکن است اساس الکتروشیمیایی داشته باشند. حسگرهای مولکولی کوچک با حسگرهای شیمیایی مرتبط هستند. با این حال این‌طور تصور می‌شود که این‌ها مولکول‌های دارای ساختاری ساده هستند و منعکس کننده لزوم تشکیل مولکول‌های کی لیت برای ترکیب یون‌ها در شیمی تجزیه می‌باشند. حسگرهای شیمیایی آنالوگ‌های مصنوعی حسگرهای زیستی هستند، اما چنین حسگرهایی ترکیبی از گیرنده بیولوژیکی مانند پادتن‌ها، آپتامرها یا پلیمرهای زیستی بزرگ است.

تصویری از مدل‌های معمول استفاده شده در ساخت سنسور.

حسگرهای شیمیایی مولکول‌هایی با منشأ مصنوعی را توصیف می‌کنند که حضور ماده یا انرژی را سیگنال دهی می‌کنند. می‌توان حسگر شیمیایی را به عنوان نوعی ابزار تحلیلی مورد ملاحظه قرار داد. حسگرهای شیمیایی در زندگی روزمره مورد استفاده قرار می‌گیرند و در زمینه‌های مختلفی مانند شیمی، بیوشیمی، ایمنی‌شناسی، فیزیولوژی و غیره و در پزشکی عمومی نظیر مراقبت‌های ویژه در تجزیه و تحلیل نمونه‌های خونی کاربرد دارند. حسگرهای شیمیایی را می‌توان به منظور شناسایی یا سیگنال یک آنالیت واحد یا ترکیبی از این گونه‌ها در محلول طراحی نمود.[۴][۸][۹][۱۰][۱۱] این کار را می‌توان از طریق یک اندازه‌گیری واحد یا از راه نظارت مستمر به انجام رساند. بخش فرستنده سیگنال به عنوان یک مبدل سیگنال عمل می‌کند که اطلاعات (رویداد شناخت بین حسگر شیمیایی و آنالیت) را به شیوه ای واضح و تکرارپذیر به یک پاسخ نوری تبدیل می‌کند.

اغلب اوقات تغییر (سیگنال) از طریق اندازه‌گیری خواص فیزیکی گوناگون حسگر شیمیایی، همانند ویژگی‌های نوری-فیزیکی که در جذب یا انتشار دیده می‌شود قابل مشاهده است که در آن طول موج‌های متفاوت طیف الکترومغناطیسی به کار برده می‌شود.[۱۲][۱۳] به این ترتیب، بیشتر حسگرهای شیمیایی یا به عنوان رنگ سنج (حالت زمین) یا با نام تابناک (حالت مضر، فلورسنت یا فسفرسنج) توصیف می‌شوند. حسگرهای شیمیایی رنگ سنج باعث تغییراتی در خواص جذبی (ثبت شده با استفاده از طیف‌سنجی مرئی-ماورای بنفش)، مانند شدت جذب و طول موج یا تغییراتی در کریستال (با استفاده از نور قطبی گرد و طیف‌سنجی سی دی) می‌شوند.[۱۴]

گیرنده برای انتخاب هپارین گیرنده برای انتخاب تانن گیرنده برای انتخاب سکسیتوکسین
اتصال هپارین اتصال تانیک اسید اتصال سکسیتوکسین

در مقابل، در مورد حسگرهای شیمیایی تابناک، تشخیص یک آنالیت با استفاده از طیف‌سنجی فلورسانس باعث تغییرات طیفی در برانگیختی فلورسانس یا طیف‌های انتشار می‌شود که با استفاده از یک دستگاه فلوریمتر ثبت می‌گردد.[۱۵] چنین تغییراتی در سایر ویژگی‌های حالت برانگیخته مانند بهره کوانتومی فلورسانس و قطبش حسگر شیمیایی و غیره نیز می‌تواند رخ دهد. تشخیص فلورسانس در اکثر طیف‌سنج‌های فلورسانس با غلظت کم (کمتر از 10-6 M) قابل دست یابی می‌باشد. این قابلیت، مزیت کاربرد مستقیم حسگرها در سیستم‌های فیبر نوری را به همراه دارد. نمونه‌هایی از کاربرد حسگرهای شیمیایی عبارتند از: نظارت بر محتوای خون، غلظت مواد مخدر و غیره و نیز نمونه‌های محیطی. یون‌ها و مولکول‌ها در سیستم‌های زیستی و محیطی به وفور وجود دارند و در فرایندهای بیولوژیکی و شیمیایی دخیل هستند.[۱۶] رشد و توسعه حسگرهای شیمیایی مولکولی به عنوان ردیاب‌هایی برای چنین آنالیتهایی، یک تجارت چند میلیارد دلاری سالانه است که هم SMEهای کوچک و هم شرکت‌های بزرگ داروسازی و شیمیایی است.

سمت چپ: نمونه ای از تغییر مشاهده شده در رنگ سنجی آزوبنزن مبتنی بر حسگر شیمیایی ۱ در محلول pH 7/4 براساس شناسایی یون مس .. شناسایی این پدیده از راه تغییر واضح در رنگ که با چشم غیر مسلح نیز قابل مشاهده است اتفاق می‌افتد. سمت راست: تغییرات مشابه در طیف جذب قابل مشاهده uv مربوط به حسگر شیمیایی جهت شناخت Cu (II) (نشان داده شده به رنگ آبی) و مربوط به حسگر آزاد (نشان داده شده به رنگ سبز). این تغییرات پس از افزودن EDTA وارونه می‌شوند و منجر به شکل‌گیری طیف اصلی (نشان داده شده به رنگ قرمز) می‌گردند.

در اوایل حسگرهای شیمیایی برای توصیف ترکیبی از تشخیص مولکولی با نوعی از گزارشگر مورد استفاده قرار گرفتند به گونه ای که حضور یک مهمان (که به آن آنالیت نیز گفته می‌شود) قابل مشاهده باشد.[۱۷] حسگرهای شیمیایی به گونه ای طراحی شده‌اند که دربر دارندهٔ یک بخش فرستنده سیگنال و یک بخش تشخیص مولکولی (که به آن شبکه اتصال یا گیرنده نیز می‌گویند) هستند. ترکیب این اجزا به شیوه‌های مختلفی صورت می‌گیرد از جمله به صورت یکپارچه، به هم پیچیده یا فاصله دار. حسگرهای شیمیایی به عنوان جزء اصلی حوزه تشخیص مولکولی در رشته شیمی فرا مولکولی مورد ملاحظه قرار می‌گیرند که بر تشخیص مولکولی متکی هستند. در حیطهٔ شیمی فرا مولکولی، حسگری شیمیایی نمونه ای از شیمی میزبان-مهماناست که در آن حضور یک مهمان (آنالیت) در محل میزبان (حسگر) منجر به رویداد تشخیص (مانند دریافت) می‌شود که می‌تواند در زمان واقعی بر آن نظارت شود. این امر مستلزم اتصال آنالایت به گیرنده با استفاده از انواع تعامل‌های اتصالی نظیر پیوند هیدروژنی، دوقطبی و تعامل الکترواستاتیک، اثر حلال هراسی، کی لیت فلزات و غیره است. بخش تشخیص یا اتصال دهنده مسئولیت گزینش پذیری و کارایی اتصال مهمان یا آنالیت را بر عهده دارد که این به جانمایی لیگاند، ویژگی‌های هدف (شعاع یونی، اندازه مولکول، جذب، بار، سختی و تعدد هماهنگی و غیره) و ماهیت حلال (pH، قدرت یونی، قطبیت) بستگی دارد. حسگرهای شیمیایی معمولاً قادر به تعامل برگشت‌پذیر با گونه‌های هدف هستند که این پیش شرط لازم برای نظارت مستمر است.

یکی از نخستین نمونه‌های یک حسگر شیمیایی فلورسنت، به منظور نظارت بر آنیون (فسفات) در یک محیط‌های آبی رقابتی تهیه شده‌است. حسگرهای شیمیایی در شکل آزاد خود یعنی A منتشر نشده‌اند اما به دنبال تشخیص فسفات توسط بخش گیرنده پلی آمین (از طریق ترکیب تعامل‌های اتصال الکترواستاتیک و هیدروژنی) یعنی B انتشار فلوئورسانس به تدریج تقویت می‌شود که این در نهایت منجر به شکل‌گیری ساختار C که یک شاختار رده بالای فلورسنت (میزبان: مهمان) می‌باشد، می‌شود.

روش‌های سیگنال دهی نوری (نظیر فلورسانس) حساس و گزینشی می‌باشند و پایه ای را برای پاسخ در زمان واقعی و مشاهده مقطعی فراهم می‌کنند. از آنجایی که حسگرهای شیمیایی هم برای هدف قرار دادن (به عنوان مثال تشخیص و اتصال گونه‌های خاص) طراحی شده‌اند و هم برای حساسیت نسبت به طیف‌های غلظتی گوناگون، می‌توان از آن‌ها در مشاهدهٔ رویدادهای زیستی واقعی در سطح سلولی استفاده کرد. از آنجایی که هر مولکول می‌تواند یک سیگنال یا بازخوانی را به همراه داشته باشد، که قابل اندازه‌گیری گزینشی است، حسگرهای شیمیایی اغلب غیر مهاجم نامیده می‌شوند و به همین دلیل توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند زیرا کاربردهای زیادی درون ماده بیولوژیک مانند سلول‌های زنده دارند. از جمله نمونه‌های زیاد حسگرهای شیمیایی که به منظور مشاهده عملکرد و خواص سلولی به کار رفته‌اند می‌توان به این موارد اشاره کرد:نظارت بر غلظت‌های جریان شار یون و انتقال‌های درون سلولی مانند Ca (II), Zn (II), Cu (II) و دیگر کاتیون‌های مهم فیزیولوژیکی[۱۸] و آنیون‌ها،[۱۹] و همچنین زیست مولکول‌ها.[۲۰][۲۱]

یکی از اهداف مهم شیمی فرا مولکولی طراحی لیگاندهایی برای تشخیص گزینشی مهمان‌های مناسب نظیر کاتیون‌های فلزی[۲۲] و آنیون ها[۲۳][۲۴] است. اصطلاح شیمی تجزیه فرا مولکولی اخیراً به منظور توصیف کاربرد حسگرهای مولکولی در شیمی تجزیه ابداع شده‌است.[۲۵] حسگرهای مولکولی کوچک با حسگرهای شیمیایی مرتبط هستند. با این حال، به شکل سنتی این گونه تصور می‌شود که آن‌ها مولکول‌های دارای ساختارهای ساده ای هستند که ننشانگر نیاز به شکل‌گیری مولکول‌های کی لیت برای ترکیب یون‌ها در شیمی تجزیه هستند. عملکرد حسگرهای زیستی نیز با حسگرهای شیمیایی مرتبط است، اما این‌ها کاربرد حسگرهای مصنوعی را واسطه گری نمی‌کنند.

تاریخچه

[ویرایش]

در حالی که حسگرهای شیمیایی نخستین بار در دهه ۱۹۸۰ تعریف شده بودند، ولی اولین نمونه از یک حسگر شیمیایی فلورسنت را می‌توان در اسناد فریدریش گپپالزرودر یافت که در سال ۱۸۶۷شیوه ای را برای تشخیص یون آلومینیوم با استفاده از لیگاند یا کی لیت فلورسنت ابداع کرد. این کار و مطالعات بعدی سایر محققان، منجر به تولد شاخه ای از شیمی با عنوان شیمی تجزیه مدرن شد.

در دهه ۱۹۸۰، پیشرفت قابل ملاحظه ای در حسگری شیمیایی توسط آنتونی زارنیک،[۲۶][۲۷][۲۸] پراسانا د سیلوا[۲۹][۳۰][۳۱] و راجر تسین،[۳۲][۳۳][۳۴] اتفاق افتاد. این افراد انواع گوناگونی از ردیاب‌های تابناکی برای یون‌ها و مولکول‌ها در محلول‌ها و درون سلول‌های زیستی برای کاربرد در زمان واقعی را ابداع کرده‌اند. تسین بعدها به مطالعه و پیشرفت در این حوزه پژوهشی ادامه داد و به تحقیق در زمینه پروتئین‌های فلورسنت برای کاربرد در زیست‌شناسی، مانند پروتئین‌های فلورسنت سبز (GFP) پرداخت و برای این مطالعه او جایزه نوبل شیمی در سال ۲۰۰۸ را دریافت کرد. لینسوسا در اواخر دهه ۱۹۷۰بر روی شناسایی یون‌های فلز قلیایی مطالعه کرد که این مطالعه احتمالاً منجر به یکی از نخستین نمونه‌های کاربرد شیمی فرا مولکولی در طراحی حسگری فلورسنت شد.[۳۵] و البته مطالعه لهن، بواس لارنت و همکارانشان در دانشگاه بوردکس فرانسه نیز ذز این زمینه تأثیر گذار بوده‌است.[۳۶] فابریتزی نیز در خصوص ابداع حسگری PET یون‌های فلز گذار مؤثر بوده‌است.[۳۷]

در حسگری شیمیایی امروزه کاربرد فلوروفور متصل به گیرنده از راه فضاگیر کووالانس را گیرنده-فلوروفور-فضاگیر می‌نامند. در چنین سیستم‌هایی، رویداد حسگری معمولاً این گونه تعریف می‌شود که پدیده حسگری ناشی از تغییراتی در ویژگی‌های فیزیکی-نوری سیستم‌های حسگری شیمیایی در نتیجه کی لیت القایی تقویت شده فلوئورسانس (CHEF)[۲۶][۲۷][۲۸] و مکانیزم‌های انتقال الکترون القای نوری (PET)[۲۹][۳۰][۳۱] می‌باشد. در اصل این دو مکانیسم بر پایه یک ایده واحد استوار هستند و آن این است که مسیر ارتباطی به شکل انتقال الکترون از طریق فضا از گیرنده‌های سرشار از الکترون به فلئوقورهای دارای کمبود الکترونی (از طریق فضا) می‌باشد. این منجر به فرونشانی فلورسانس (انتقال الکترون فعال) می‌شود و در غیاب آنالیت‌ها، انتشار حسگر شیمیایی برای هر دو مکانیزم خاموش می‌شود. با این حال، پس از تشکیل یک ارتباط پیچیده مهمان-میزبان بین آنالیت و گیرنده، مسیر ارتباطی شکسته می‌شود و انتشار فلورسانس از فلوروفورها تقویت شده یا «فعال» می‌شود. به عبارت دیگر، شدت فلورسانس و عملکرد کوانتومی به وسیله شناسایی آنالیت افزایش می‌یابد.

سمت چپ: نمونه ای از تغییرات طیف انتشار فلوئورسانس یک حسگر شیمیایی برای روی که در آن انتشار در نتیجه تشخیص یون روی در محلول بافر تقویت یا «فعال» می‌شود. سمت راست: تغییرات زیر یک لامپ UV که نشان دهنده تفاوت قابل ملاحظه در انتشار تابناکی در نتیجه افزودن Zn (II) می‌باشد: دریچه سمت چپ در غیاب (حسگر شیمیایی آزاد) دریچه سمت راست در حضور Zn (II).

فلوئوفورها و گیرنده همچنین می‌تواند در حسگر شیمیایی ادغام شوند. این منجر به تغییراتی در طول موج انتشار می‌شود که اغلب باعث تغییر رنگ می‌گردد. وقتی که پدیده حسگری باعث تشکیل یک سیگنال می‌شود، به گونه ای که برای چشم غیر مسلح قابل رویت باشد، به چنین حسگرهایی به‌طور معمول رنگ سنج گفته می‌شود. نمونه‌های زیادی از حسگرهای شیمیایی رنگ سنج برای یون‌هایی نظیر فلوراید ارائه شده‌است.[۳۸] شاخص pH می‌تواند به عنوان یک حسگر شیمیایی رنگ سنج برای پروتون‌ها مورد ملاحظه قرار گیرد. چنین حسگرهایی برای دیگر کاتیون‌ها و نیز آنیون‌ها و مولکول‌های آلی و زیستی بزرگ‌تر مانند پروتئین‌ها و کربوهیدرات‌ها مطرح شده‌اند.[۳۹]

اصول طراحی

[ویرایش]

حسگرهای شیمیایی مولکول‌هایی در اندازه نانو هستند و برای کاربرد در بافت زنده به کار می‌روند زیرا غیر سمی هستند. یک حسگر شیمیایی باید بتواند یک سیگنال قابل اندازه‌گیری را در پاسخ مستقیم به تشخیص آنالیت ارائه دهد. از این رو، پاسخ سیگنال به‌طور مستقیم به بزرگی پدیده حسگری (و به نوبه خود غلظت آنالیت) بستگی دارد. در این حال بخش فرستنده سیگنال به عنوان یک مبدل سیگنال عمل می‌کند و پدیده تشخیص را به یک پاسخ نوری تبدیل می‌کند. بخش تشخیص مسئولیت ساختن آنالیت به شیوه ای گزینشی و برگشت‌پذیر را بر عهده دارد. در مواردی که شبکه‌های اتصال «واکنش‌های شیمیایی برگشت‌ناپذیر» باشند، شاخص‌ها با نام تشعشع سنج‌های شیمیایی فلورسنت یا ردیاب‌های فلورسنت توصیف می‌شوند.

جهت فعال شدن حسگر لازم است که راه ارتباطی فعالی میان دو بخش برقرار باشد. در حسگرهای شیمیایی رنگ سنج، این راه ارتباطی معمولاً از طریق یکپارچه شدن ساختاری گیرنده و مبدل برقرار می‌شود. در حسگری شیمیایی فلورسنت-تابناکی، این دو بخش از طریق یک فضاگیر کووالان به یکدیگر متصل می‌شوند یا از یکدیگر فاصله می‌گیرند. راه ارتباطی از طریق انتقال الکترونی یا انتقال انرژی برای این حسگرهای شیمیایی فلورسنت برقرار می‌شود. کارایی تشخیص میزبان-مهمان میان گیرنده و آنالیت بستگی به عوامل متعددی دارد، شامل طراحی بخش گیرنده، که هدف آن تطابق با ماهیت ساختاری آنالیت هدف و نیز ماهیت محیطی است که پدیده حسگری در آن اتفاق می‌افتد (مانند نوع رسانه، یعنی خون، بزاق، ادرار و غیره در نمونه‌های زیستی). شکل بسط یافتهٔ این رویکرد پیدایش مین‌های مولکولی است که ردیاب‌های هیبریداسیون نوکلئوتید الیگومری مبتنی بر سیگنال دهی فلورسانس هستند که در آن‌ها پدیده تشخیص یا حسگری از طریق تقویت یا تضعیف تابناکی با استفاده از مکانیزم انتقال انرژی رزونانس فورستر (FRET) صورت می‌گیرد.

حسگری شیمیایی فلئورسنت

[ویرایش]

همه حسگرهای شیمیایی به گونه ای طراحی شده‌اند که در بردارنده دو بخش سیگنال دهی و تشخیص باشند. این دو بخش یا مستقیماً یکپارچه شده‌اند یا با کمک یک فضاگیر کووالان کوتاه به یکدیگر متصل شده‌اند که این بستگی به مکانسیم درگیر در پدیده سیگنال دهی ذارد. حسگر شیمیایی می‌تواند مبتنی بر خود سامانی حسگر و آنالیت باشد. نمونه ای از این طراحی عبارت است از تحلیل جا به جایی (شاخص) IDA.[۴۰] حسگر IDA برای آنیون‌هایی نظیر یون‌های سیترات یا فسفات طراحی شده‌است که در آن این یون‌ها می‌توانند جایگزین شاخص فلوئورسنت در یک ترکیب شاخص-میزبان شود.[۵] تراشه طعم به اصطلاح UT (دانشگاه تگزاس) یک نمونه اولیه از زبان الکترونیکی است و شیمی فرا مولکولی را با ابزارهایی با اطلاعات چرخان مبتنی بر تراشه‌های سیلیکونی و مولکول‌های گیرنده ایمن ترکیب می‌کند.

بیشتر نمونه‌های حسگرهای شیمیایی برای یون‌ها نظیر یون‌های فلزی قلیایی (Li +, Na +, K+ و غیره) و یونهای فلزی قلیایی خاکی (Mg2 +، Ca2 +، و غیره) به گونه ای طراحی شده‌اند که حالت برانگیختگی جزء فلوروفور حسگر شیمیایی توسط یک مبدل الکترونی خاموش می‌شود و این در حالی است که حسگر با این یون‌ها ترکیب نشده‌است. به این ترتیب هیچ انتشاری مشاهده نمی‌شود و گاهی این گونه گفته می‌شود که حسگر «خاموش» شده‌است. با ترکیب حسگر با یک کاتیون، شرایط انتقال الکترونی تغییر می‌کند، به گونه ای که فرایند خاموش سازی متوقف می‌گردد و انتشار فلورسنس «روشن» شود. احتمال PET تحت کنترل انرژی آزاد کلی سیستم (انرژی آزاد Gibbs ΔG) می‌باشد. نیروی محرکه PET توسط ΔGET بازنمایی می‌شود و تغییرات کلی در انرژی آزاد برای انتقال الکترونی را می‌توان با استفاده از معادله Rehm-Weller برآورد کرد.[۴۱] انتقال الکترونی عبارت است از فاصله ای که به طول فضاگیر بستگی دارد و با افزایش طول فضاگیر کاهش می‌یابد. خاموش سازی توسط انتقال الکترونی میان گونه‌های شارژ نشده منجر به شکل‌گیری یک جفت یون رادیکال می‌شود. این گاهی انتقال الکترونی اولیه نام گذاری می‌شود. انتقال الکترونی محتمل که بعد از PET اتفاق می‌افتد، «انتقال الکترونی ثانویه» نام گذاری می‌شود. خاموش سازی تقویت کی لیت (CHEQ) اثر وارونه ای است که برای CHEF دیده می‌شود.[۴۲] در CHEQ، در انتشار فلئورسنت حسگر شیمیایی در مقایسه با آنچه که در ابتدا برای شکل‌گیری حسگر آزاد میزبان-میهمان دیده می‌شود، کاهشی مشاهده می‌شود. از آنجایی که که انتقال الکترونی هدایت شده و جهت دار می‌باشد، چنین سیستم‌هایی با کمک اصل PET نیز توصیف می‌شوند، به این معنی که آن‌ها نوعی تقویت در PET از گیرنده به فلوروفور با تقویت میزان خاموش سازی می‌باشند. چنین تأثیری برای حسگری آنیون‌هایی مانند کربوکسیلات‌ها و فلورایدها به نمایش گذاشته شده‌است.[۴۳]

شمار زیادی از نمونه‌های حسگرهای شیمیایی توسط دانشمندان علوم فیزیکی، زندگی و علوم زیستی ارائه شده‌است. حسگرهای شیمیایی به دلیل برخوردداری از فعال سازی انتشار فلئورسنس ناشی از پدیده تشخیص، قابل مقایسه با «برج مراقبت‌های شبانه» هستند. از آن جایی که این فرایند برگشت‌پذیر می‌باشد، تقویت انتشار به غلظت وابسته است، یعنی تنها در غلظت‌های بالا (گیرنده کاملاً متصل) اشباع می‌شود؛ بنابراین، می‌توان میان تابناکی (شدت، بهره کوانتوم و در بعضی موارد طول عمر) و غلظت آنالیت همبستگی ایجاد کرد. از طریق طراحی دقیق و ارزشیابی ماهیت راه ارتباطی، حسگرهای مشابهی بر مبنای کاربرد کلید «روشن-خاموش» یا «روشن-خاموش-روشن» یا «خاموش-روشن-خاموش» طراحی شده‌اند. همچنین الحاق حسگرهای شیمیایی به سطوحی نظیر نقاط کوانتومی، نانوذرات، یا پلیمرها، از حوزه‌های پژوهشی در حال رشد می‌باشند.[۴۴][۴۵][۴۶] نمونه‌های دیگری از حسگرهای شیمیایی که بر پایه اصل فعال سازی یا غیرفعال سازی انتشار فلورسنت کار می‌کنند عبارتند از: انتقال انرژی رزونانسی فورستر (FRET)، مبادله شارژ داخلی (ICT)، مبادله شارژ داخلی پیچشی (TICT)، انتشار مبتنی بر فلز (مانند تابناکی لانتانید)،[۴۷][۴۸] انتشار اگزایمر و اکسیپلکس و انتشار انبوهش القایی (AIE).[۴۹][۵۰] حسگرهای شیمیایی یکی از اولین نمونه‌های مولکولی بودند که از طریق کاربرد محرکات خارجی به حالت‌های روشن و خاموش منجر می‌شدند و به این ترتیب می‌توانند تحت عنوان دستگاه مولکولی مصنوعی طبقه‌بندی شوند. این دستگاه در سال ۲۰۱۶ منجر به جایزه نوبل شیمی به Jean-Pierre Sauvage Fraser Stoddart و Bernard L. Feringa شد.

کاربرد این اصول طراحی مشابه که در حسگری شیمیایی مورد استفاده قرار می‌گیرد، همچنین راه را برای رشد و تکامل حالت‌های دریچه‌های منطقی مولکولی (MLGM),[۵۱][۵۲] هموار کرد که این نظریه نخستین بار توسط سیلوا و همکارانش در سال ۱۹۹۳ با استفاده از PET و بر مبنای حسگرهای شیمیایی فلوئورسنت ارائه شد.[۵۳] مولکول‌ها به گونه ای ساخته شده‌اند که منطبق با جبر بولی عمل کنند که در آن یک عملکرد منطقی بر مبنای یک یا چند ورودی فیزیکی یا شیمیایی صورت می‌پذیرد. این حوزه توسعه بسیاری یافته‌است: از سیستم‌های منطقی ساده مبتنی بر یک ورودی شیمیایی واحد تا مولکول‌هایی که قادر به انجام عملیات پیچیده و زنجیره ای هستند.

کاربرد حسگرهای شیمیایی

[ویرایش]
تحلیل گر مراقبت حیاتی POTI به منظور حسگری مولکول‌ها و یون‌های گوناگونی طراحی شده‌است که برای تحلیل مراقبت نمونه‌های خونی حائز اهمیت می‌باشند. این نوع تحلیل گر کننده در آمبولانس‌ها و بیمارستان‌های سراسر دنیا مورد استفاده قرار می‌گیرد. این سیستم برپایه نظارت بر تغییرات حسگرهای شیمیایی گوناگون از طریق تعدیل در خواص فلورسانس آن‌ها پی ریزی شده‌است.

حسگرهای شیمیایی از طریق کارکردکرایی سطح بر روی ذرات و دانه‌هایی نظیر نانوذرات مبتنی بر فلز، نقاط کوانتومی، ذرات می‌تنی بر کربن و در مواد نرم نظیر پلیمرها به کار گرفته شده‌اند و این منجر به تسهیل کاربردهای گوناگون آن‌ها می‌شود.

گیرنده‌های دیگری هستند که به یک مولکول خاص حساس نمی‌باشند ولی به یک دسته مرکب مولکولی حساسیت نشان می‌دهند و این حسگرهای شیمیایی در حسگرهای مبتنی بر آرایه (یا ریز آرایه) مورد استفاده قرار می‌گیرند. حسگرهای آرایه محور از اتصال آنالیت با گیرنده‌های دیفرانسیل بهره می‌گیرند. به عنوان نمونه می‌توان به تحلیل گروهی اسیدتانیک‌های متعدد که در ویسکی اسکاچ جا افتاده در بشکه‌های بلوط انباشته می‌شوند اشاره کرد. نتایج گروه‌بندی نشانگر همبستگی با جا افتادگی بود ولی اجزاء انفرادی این همبستگی را نشان ندادند. گیرنده مشابهی را می‌توان برای تحلیل تارتات‌های درون شراب به کار برد.

کاربرد حسگرهای شیمیایی در تصویربرداری سلولی به‌طور خاص امیدوار کننده است چرا که اکثر فرایندهای زیستی با کمک فناوری‌های تصویربرداری مانند فلورسانس هم کانون و میکروسکوپ با قدرت تفکیک بالا نظارت می‌شود.

حسگر شیمیایی فلوئورسانس ردیابی نظارت فعالیت آنزیمی با استفاده از میکروسکوپ فلوئورسانس هم کانون. الف) ردیاب تابناک نیست و به داخل سلول‌ها منتقل نشده‌است. ب) واحد قند توسط یک گلیکوزیداز که آن را شکافته و حسگر شیمیایی را در داخل سلولها آزاد می‌کند تشخیص داده می‌شود.

ساکسیتوکسین مرکب نوعی نوروتوکسین است که در سلاح شیمیایی و صدف یافت می‌شود. یک حسگر تجربی برای این ترکیب نیز بر مینایPET پی ریزی شده‌است. تعامل ساکسیتوکسین با بخش اتر تاج حسگر باعث از بین رفتن فرایند PET بر فلوروفور و فلورسانس می‌شود و آن را از حالت خاموش به حالت روشن درمی‌آورد.[۴] بخش غیرعادی بور باعث می‌شود که فلورسانس در بخش نور مرئی طیف الکترومغناطیسی به وقوع بپیوندد.

جستارهای وابسته

[ویرایش]

منابع

[ویرایش]
  1. ↑ Wu, Di; Sedgwick, Adam C.; Gunnlaugsson, Thorfinnur; Akkaya, Engin U.; Yoon, Juyoung; James, Tony D. (2017-12-07). "Fluorescent chemosensors: the past, present and future". Chemical Society Reviews. 46 (23): 7105–7123. doi:10.1039/c7cs00240h. ISSN 1460-4744. PMID 29019488.
  2. ↑ Wang, Binghe; Anslyn, Eric V. (2011-08-24). Chemosensors: Principles, Strategies, and Applications (به انگلیسی). John Wiley & Sons. doi:10.1002/9781118019580. ISBN 978-1-118-01957-3.
  3. ↑ Czarnik, Anthony W. (1994-10-01). "Chemical Communication in Water Using Fluorescent Chemosensors". Accounts of Chemical Research. 27 (10): 302–308. doi:10.1021/ar00046a003. ISSN 0001-4842.
  4. ↑ ۴٫۰ ۴٫۱ ۴٫۲ de Silva, A. Prasanna; Gunaratne, H. Q. Nimal; Gunnlaugsson, Thorfinnur; Huxley, Allen J. M.; McCoy, Colin P.; Rademacher, Jude T.; Rice, Terence E. (1997-08-05). "Signaling Recognition Events with Fluorescent Sensors and Switches". Chemical Reviews (به انگلیسی). 97 (5): 1515–1566. doi:10.1021/cr960386p. PMID 11851458.
  5. ↑ ۵٫۰ ۵٫۱ "Fluorescent Chemosensors for Ion and Molecule Recognition – ACS Symposium Series (ACS Publications)" (به انگلیسی). {{cite journal}}: Cite journal requires |journal= (help)
  6. ↑ Bissell, Richard A.; Silva, A. Prasanna de; Gunaratne, H. Q. Nimal; Lynch, P. L. Mark; Maguire, Glenn E. M.; Sandanayake, K. R. A. Samankumara (1992-01-01). "Molecular fluorescent signalling with 'fluor–spacer–receptor' systems: approaches to sensing and switching devices via supramolecular photophysics". Chem. Soc. Rev. (به انگلیسی). 21 (3): 187–195. doi:10.1039/cs9922100187. ISSN 1460-4744.
  7. ↑ Desvergne, J. P.; Czarnik, A. W. (1997-04-30). Chemosensors of Ion and Molecule Recognition (به انگلیسی). Springer Science & Business Media. ISBN 978-0-7923-4555-8.
  8. ↑ F., Callan, J.; P., de Silva, A.; C., Magri, D. (2005). "Luminescent sensors and switches in the early 21st century". Tetrahedron (به انگلیسی). 61 (36). ISSN 0040-4020.
  9. ↑ de Silva, A. P.; Fox, D. B.; Moody, T. S.; Weir, S. M. (January 2001). "The development of molecular fluorescent switches". Trends in Biotechnology. 19 (1): 29–34. ISSN 0167-7799. PMID 11146100.
  10. ↑ Supramolecular chemistry: from molecules to nanomaterials. Chichester, West Sussex: Wiley. 2012. ISBN 978-0-470-74640-0. OCLC 753634033.
  11. ↑ Fabbrizzi, Luigi; Licchelli, Maurizio; Pallavicini, Piersandro (1999-10-01). "Transition Metals as Switches". Accounts of Chemical Research. 32 (10): 846–853. doi:10.1021/ar990013l. ISSN 0001-4842.
  12. ↑ Turro, Nicholas J. (1991). Modern Molecular Photochemistry (به انگلیسی). University Science Books. ISBN 978-0-935702-71-2.
  13. ↑ 1936-, Balzani, Vincenzo (1990). Supramolecular photochemistry. New York: Ellis Horwood. ISBN 978-0-13-877531-5. OCLC 22183798.{{cite book}}: CS1 maint: numeric names: فهرست نویسندگان (link)
  14. ↑ Daly, Brian; Ling, Jue; Silva, A. Prasanna de (2015-06-22). "Current developments in fluorescent PET (photoinduced electron transfer) sensors and switches". Chemical Society Reviews (به انگلیسی). 44 (13): 4203–4211. doi:10.1039/C4CS00334A. ISSN 1460-4744. PMID 25695939.
  15. ↑ Duke, Rebecca M.; Veale, Emma B.; Pfeffer, Frederick M.; Kruger, Paul E.; Gunnlaugsson, Thorfinnur (2010-09-17). "Colorimetric and fluorescent anion sensors: an overview of recent developments in the use of 1,8-naphthalimide-based chemosensors". Chemical Society Reviews (به انگلیسی). 39 (10): 3936–53. doi:10.1039/B910560N. ISSN 1460-4744. PMID 20818454.
  16. ↑ Que, Emily L.; Domaille, Dylan W.; Chang, Christopher J. (2008-05-01). "Metals in Neurobiology: Probing Their Chemistry and Biology with Molecular Imaging". Chemical Reviews. 108 (5): 1517–1549. doi:10.1021/cr078203u. ISSN 0009-2665. PMID 18426241.
  17. ↑ Silva, A. Prasanna de; Moody, Thomas S.; Wright, Glenn D. (2009-11-16). "Fluorescent PET (Photoinduced Electron Transfer) sensors as potent analytical tools". Analyst (به انگلیسی). 134 (12): 2385–93. Bibcode:2009Ana...134.2385D. doi:10.1039/B912527M. ISSN 1364-5528. PMID 19918605.
  18. ↑ Cotruvo, Joseph A.; Aron, Allegra T.; Ramos-Torres, Karla M.; Chang, Christopher J. (2015-07-07). "Synthetic fluorescent probes for studying copper in biological systems". Chemical Society Reviews. 44 (13): 4400–4414. doi:10.1039/c4cs00346b. PMC 4478099. PMID 25692243.
  19. ↑ Ashton, Trent D.; Jolliffe, Katrina A.; Pfeffer, Frederick M. (2015-07-07). "Luminescent probes for the bioimaging of small anionic species in vitro and in vivo". Chemical Society Reviews (به انگلیسی). 44 (14): 4547–4595. doi:10.1039/C4CS00372A. ISSN 1460-4744. PMID 25673509.
  20. ↑ Poynton, Fergus E.; Bright, Sandra A.; Blasco, Salvador; Williams, D. Clive; Kelly, John M.; Gunnlaugsson, Thorfinnur (2017-12-11). "The development of ruthenium(II) polypyridyl complexes and conjugates for in vitro cellular and in vivo applications". Chemical Society Reviews (به انگلیسی). 46 (24): 7706–7756. doi:10.1039/C7CS00680B. ISSN 1460-4744. PMID 29177281.
  21. ↑ Lin, Vivian S.; Chen, Wei; Xian, Ming; Chang, Christopher J. (2015-07-07). "Chemical probes for molecular imaging and detection of hydrogen sulfide and reactive sulfur species in biological systems". Chemical Society Reviews (به انگلیسی). 44 (14): 4596–4618. doi:10.1039/C4CS00298A. ISSN 1460-4744. PMC 4456340. PMID 25474627.
  22. ↑ Hamilton, Graham R. C.; Sahoo, Suban K.; Kamila, Sukanta; Singh, Narinder; Kaur, Navneet; Hyland, Barry W.; Callan, John F. (2015-07-07). "Optical probes for the detection of protons, and alkali and alkaline earth metal cations". Chemical Society Reviews. 44 (13): 4415–4432. doi:10.1039/c4cs00365a. ISSN 1460-4744. PMID 25742963.
  23. ↑ Gale, Philip A.; Caltagirone, Claudia (2015-06-22). "Anion sensing by small molecules and molecular ensembles". Chemical Society Reviews (به انگلیسی). 44 (13): 4212–4227. doi:10.1039/C4CS00179F. ISSN 1460-4744. PMID 24975326.
  24. ↑ Gunnlaugsson, Thorfinnur; Glynn, Mark; Hussey), Gillian M. Tocci (née; Kruger, Paul E.; Pfeffer, Frederick M. (2006). "Anion recognition and sensing in organic and aqueous media using luminescent and colorimetric sensors". Coordination Chemistry Reviews. 250 (23–24): 3094–3117. doi:10.1016/j.ccr.2006.08.017.
  25. ↑ Supramolecular Analytical Chemistry Eric V. Anslyn J. Org. Chem.; 2007; 72(3) pp. 687–699; (Perspective) doi:10.1021/jo0617971
  26. ↑ ۲۶٫۰ ۲۶٫۱ Huston, Michael E.; Akkaya, Engin U.; Czarnik, Anthony W. (1989-11-01). "Chelation enhanced fluorescence detection of non-metal ions". Journal of the American Chemical Society. 111 (23): 8735–8737. doi:10.1021/ja00205a034. ISSN 0002-7863.
  27. ↑ ۲۷٫۰ ۲۷٫۱ Huston, Michael E.; Haider, Karl W.; Czarnik, Anthony W. (June 1988). "Chelation enhanced fluorescence in 9,10-bis[[(2-(dimethylamino)ethyl)methylamino]methyl]anthracene". Journal of the American Chemical Society. 110 (13): 4460–4462. doi:10.1021/ja00221a083. ISSN 0002-7863.
  28. ↑ ۲۸٫۰ ۲۸٫۱ Akkaya, Engin U.; Huston, Michael E.; Czarnik, Anthony W. (1990-04-01). "Chelation-enhanced fluorescence of anthrylazamacrocycle conjugate probes in aqueous solution". Journal of the American Chemical Society. 112 (9): 3590–3593. doi:10.1021/ja00165a051. ISSN 0002-7863.
  29. ↑ ۲۹٫۰ ۲۹٫۱ Silva, A. Prasanna de; Rupasinghe, R. A. D. Dayasiri (1985-01-01). "A new class of fluorescent pH indicators based on photo-induced electron transfer". Journal of the Chemical Society, Chemical Communications (به انگلیسی). 0 (23): 1669. doi:10.1039/C39850001669. ISSN 0022-4936.
  30. ↑ ۳۰٫۰ ۳۰٫۱ Silva, A. Prasanna de; Silva, Saliya A. de (1986-01-01). "Fluorescent signalling crown ethers; 'switching on' of fluorescence by alkali metal ion recognition and binding in situ". Journal of the Chemical Society, Chemical Communications (به انگلیسی). 0 (23): 1709–1710. doi:10.1039/C39860001709. ISSN 0022-4936.
  31. ↑ ۳۱٫۰ ۳۱٫۱ Silva, A. Prasanna de; Gunaratne, H. Q. Nimal; Gunnlaugsson, Thorfinnur; Nieuwenhuizen, Mark (1996-01-01). "Fluorescent switches with high selectivity towards sodium ions: correlation of ion-induced conformation switching with fluorescence function". Chemical Communications (به انگلیسی). 0 (16): 1967. doi:10.1039/CC9960001967. ISSN 1364-548X.
  32. ↑ Minta, A.; Tsien, R. Y. (1989-11-15). "Fluorescent indicators for cytosolic sodium". The Journal of Biological Chemistry. 264 (32): 19449–19457. ISSN 0021-9258. PMID 2808435.
  33. ↑ Tsien, R. Y. (1989). Fluorescent indicators of ion concentrations. Methods in Cell Biology. Vol. 30. pp. 127–156. doi:10.1016/S0091-679X(08)60978-4. ISBN 978-0-12-564130-2. ISSN 0091-679X. PMID 2538708.
  34. ↑ Minta, A.; Kao, J. P.; Tsien, R. Y. (1989-05-15). "Fluorescent indicators for cytosolic calcium based on rhodamine and fluorescein chromophores". The Journal of Biological Chemistry. 264 (14): 8171–8178. ISSN 0021-9258. PMID 2498308.
  35. ↑ Sousa, Lynn R.; Larson, James M. (1977-01-01). "Crown ether model systems for the study of photoexcited state response to geometrically oriented perturbers. The effect of alkali metal ions on emission from naphthalene derivatives". Journal of the American Chemical Society. 99 (1): 307–310. doi:10.1021/ja00443a084. ISSN 0002-7863.
  36. ↑ Konopelski, Joseph P.; Kotzyba-Hibert, Florence; Lehn, Jean-Marie; Desvergne, Jean-Pierre; Fagès, Frédéric; Castellan, Alain; Bouas-Laurent, Henri (1985-01-01). "Synthesis, cation binding, and photophysical properties of macrobicyclic anthraceno-cryptands". Journal of the Chemical Society, Chemical Communications (به انگلیسی). 0 (7): 433–436. doi:10.1039/C39850000433. ISSN 0022-4936.
  37. ↑ Fabbrizzi, Luigi; Poggi, Antonio (1995-01-01). "Sensors and switches from supramolecular chemistry". Chemical Society Reviews (به انگلیسی). 24 (3): 197. doi:10.1039/CS9952400197. ISSN 1460-4744.
  38. ↑ Devaraj, S.; Saravanakumar, D.; Kandaswamy, M. (2009-02-02). "Dual responsive chemosensors for anion and cation: Synthesis and studies of selective chemosensor for F− and Cu(II) ions". Sensors and Actuators B: Chemical (به انگلیسی). 136 (1): 13–19. doi:10.1016/j.snb.2008.11.018. ISSN 0925-4005.
  39. ↑ Calatrava-Pérez, Elena; Bright, Sandra A.; Achermann, Stefan; Moylan, Claire; Senge, Mathias O.; Veale, Emma B.; Williams, D. Clive; Gunnlaugsson, Thorfinnur; Scanlan, Eoin M. (2016-11-18). "Glycosidase activated release of fluorescent 1,8-naphthalimide probes for tumor cell imaging from glycosylated 'pro-probes'". Chemical Communications (Cambridge, England). 52 (89): 13086–13089. doi:10.1039/c6cc06451e. ISSN 1364-548X. PMID 27722254.
  40. ↑ Nguyen, Binh T.; Anslyn, Eric V. (2006-12-01). "Indicator–displacement assays". Coordination Chemistry Reviews (به انگلیسی). 250 (23–24): 3118–3127. doi:10.1016/j.ccr.2006.04.009. ISSN 0010-8545.
  41. ↑ Weller, A. (1968-01-01). "Electron-transfer and complex formation in the excited state". Pure and Applied Chemistry (به انگلیسی). 16 (1). doi:10.1351/pac196816010115. ISSN 1365-3075.
  42. ↑ Yoon, Juyoung; Czarnik, Anthony W. (1992-07-01). "Fluorescent chemosensors of carbohydrates. A means of chemically communicating the binding of polyols in water based on chelation-enhanced quenching". Journal of the American Chemical Society. 114 (14): 5874–5875. doi:10.1021/ja00040a067. ISSN 0002-7863.
  43. ↑ Gale, Philip A.; Caltagirone, Claudia (2018-01-01). "Fluorescent and colorimetric sensors for anionic species". Coordination Chemistry Reviews (به انگلیسی). 354: 2–27. doi:10.1016/j.ccr.2017.05.003. ISSN 0010-8545.
  44. ↑ Silvi, Serena; Credi, Alberto (2015-06-22). "Luminescent sensors based on quantum dot–molecule conjugates". Chemical Society Reviews (به انگلیسی). 44 (13): 4275–4289. doi:10.1039/C4CS00400K. ISSN 1460-4744. PMID 25912483.
  45. ↑ Baptista, Frederico R.; Belhout, S. A.; Giordani, S.; Quinn, S. J. (2015-06-22). "Recent developments in carbon nanomaterial sensors". Chemical Society Reviews (به انگلیسی). 44 (13): 4433–4453. doi:10.1039/C4CS00379A. ISSN 1460-4744. PMID 25980819.
  46. ↑ Wolfbeis, Otto S. (2015-07-07). "An overview of nanoparticles commonly used in fluorescent bioimaging". Chemical Society Reviews (به انگلیسی). 44 (14): 4743–4768. doi:10.1039/C4CS00392F. ISSN 1460-4744. PMID 25620543.
  47. ↑ Amoroso, Angelo J.; Pope, Simon J. A. (2015-07-07). "Using lanthanide ions in molecular bioimaging". Chemical Society Reviews (به انگلیسی). 44 (14): 4723–4742. doi:10.1039/C4CS00293H. ISSN 1460-4744. PMID 25588358.
  48. ↑ Gunnlaugsson, Thorfinnur; Pope, Simon J.A. (2014). Luminescence of Lanthanide Ions in Coordination Compounds and Nanomaterials (به انگلیسی). Wiley-Blackwell. pp. 231–268. doi:10.1002/9781118682760.ch06. ISBN 978-1-118-68276-0.
  49. ↑ Aggregation‐Induced Emission: Fundamentals and Applications, Volumes 1 and 2 (به انگلیسی). Wiley Online Books. 2013. doi:10.1002/9781118735183. ISBN 978-1-118-73518-3.
  50. ↑ Hong, Yuning; Lam, Jacky W. Y.; Tang, Ben Zhong (2011-10-17). "Aggregation-induced emission". Chemical Society Reviews (به انگلیسی). 40 (11): 5361–88. doi:10.1039/c1cs15113d. ISSN 1460-4744. PMID 21799992.
  51. ↑ Silva, A Prasanna de (2012-11-29). Molecular Logic-based Computation. Monographs in Supramolecular Chemistry (به انگلیسی). doi:10.1039/9781849733021. ISBN 978-1-84973-148-5.
  52. ↑ Erbas-Cakmak, Sundus; Kolemen, Safacan; Sedgwick, Adam C.; Gunnlaugsson, Thorfinnur; James, Tony D.; Yoon, Juyoung; Akkaya, Engin U. (2018-04-03). "Molecular logic gates: the past, present and future". Chemical Society Reviews (به انگلیسی). 47 (7): 2228–2248. doi:10.1039/C7CS00491E. ISSN 1460-4744. PMID 29493684.
  53. ↑ de Silva, Prasanna A.; Gunaratne, Nimal H. Q.; McCoy, Colin P. (July 1993). "A molecular photoionic AND gate based on fluorescent signalling". Nature (به انگلیسی). 364 (6432): 42–44. Bibcode:1993Natur.364...42D. doi:10.1038/364042a0. ISSN 1476-4687.
برگرفته از «https://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=حسگر_مولکولی&oldid=40764806»