حسگر مولکولی

تاریخچه

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، پراسانا د سیلوا و راجر تسین، 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. و البته مطالعه لهن، بواس لارنت و همکارانشان در دانشگاه بوردکس فرانسه نیز ذز این زمینه تأثیر گذار بوده‌است. فابریتزی نیز در خصوص ابداع حسگری PET یون‌های فلز گذار مؤثر بوده‌است.
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) و مکانیزم‌های  انتقال الکترون القای نوری (PET) 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.
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 اطلاق می‌شود. نمونه‌های زیادی از حسگرهای شیمیایی رنگ سنج برای یون‌هایی نظیر فلوراید ارائه شده‌است. 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.

اصول طراحی

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 برگشت ناپذیر» 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

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. 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. 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 اطلاق 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. 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. 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.
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. 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)، انتشار اگزایمر و اکسیپلکس و انتشار انبوهش القایی (AIE). 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), 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. 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

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 شیمیاییی 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.
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. بخش غیرعادی بور باعث می‌شود که فلورسانس در بخش نور مرئی طیف الکترومغناطیسی به وقوع بپیوندد.