Sensormolekul

Sensormolekul on selline molekul, mida saab kasutada mingite kindlate teiste molekulide või ioonide määramiseks lahusest. Selleks peab sensori ja analüüdi vaheline vastastikmõju põhjustama tuvastatava muutuse lahuse omadustes. Lahuses seondub uuritav molekul või ioon sensormolekuliga ja moodustab sensor-analüüt kompleksi, mida järgnevalt lahusest tema optiliste või elektrokeemiliste omaduste põhjal määratakse. Kompleks saab moodustuda näiteks vesiniksidemete, ühise ioonpaari tekke, solvofoobsete vastastikmõjude või hüdrofoobsete efektide abil. Selleks peab uuritav osake seonduma sensormolekuli siduvate rühmadega. Sageli on sensormolekulide puhul kasutusel luku ja võtme põhimõte, kus sensormolekul peaks seonduma vaid kindla, tema jaoks sobiva analüüdiga. Moodustunud kompleksi tuvastamiseks on palju meetodeid, mille kasutamise võimalus sõltub konkreetsest molekulist. Markerrühmade olemasolul kompleksis määratakse seda markerrühma poolt lisatud omaduse põhjal. Kõige levinumateks tuvastamisvõimalusteks on fotomeetriline määramine, fluorestsentsil põhinev tuvastamine ja Uv/Vis spektrite analüüs. Fotomeetriline tuvastamine Fotomeetrilise tuvastamise korral on sensor-analüüt kompleks värviline, sensormolekuli enda või analüüdi lahused aga värvitud või teist värvi. Kui lahus muudab sensormolekuli lisamisel värvi, on seal uuritav analüüt sees, tema kontsentratsioonist lahuses sõltub selle värvuse intensiivsus. Fotomeetrilise määramise korral on kvalitatiivne määramine sageli teostatav ka palja silmaga ja pole vaja keerulisi seadmeid, mis annab talle mõningase eelise teiste meetodite ees. Fluorestsentsil põhinev tuvastamine Kui sensormolekul-anioon kompleks või algne sensormolekul on fluorestseeruv, saab teda kindlaks määrata fluorestsentsi intensiivsuse või selle muutumise abil. Üldiselt lisatakse selleks sensormolekulile fluorestseeruv markerrühm. Sõltuvalt molekulist ja analüüdist võib kompleksi teke põhjustada nii fluorestsentsi intensiivsuse kustumist või suurenemist. Intensiivsuse muutuse toimumine sõltub konkreetsest liituvast ioonist, on võimalik, et see ühega muutub, teistega aga mitte. Uv/Vis tiitrimine Meetod kasutab ära seda, et kompleksi tekke tõttu muutub Uv/Vis spektri kuju ning maksimumi asukoht ja kõrgus, muutuse ulatus sõltub analüüdist ja tema kontsentratsioonist lahuses. Muud võimalused Kompleksi tekkel võivad muutuda ka molekuli elektrokeemilised omadused ja uurida saab nende muutust. Näiteks on võimalik valmistada sensormolekulil põhinev ioonselektiivne elektrood, leida ioonidest põhjustatud membraanpotentsiaal ja selle abil vastavate ioonide kontsentratsioon lahuses. Määramismeetoditena on lisaks eelpool nimetatutele kasutusel ka teisi meetodeid, näiteks NMR spektroskoopia, mille abil saab uurida vesiniksideme moodustamist ja võimalikku sensormolekuli deprotoneerumist. On olemas nii väga selektiivseid (mõeldud ühele kindlale molekulile või ioonile) kui ka väga mitteselektiivseid (seovad enamikku lihtsaid anioone või katioone, sensormolekul-analüüt kompleksi tugevus sõltub konkreetsest ioonist) sensormolekule. Sensormolekulid saavad selektiivsed olla ka mingi kindla aineklassi molekulide suhtes. Nende kasutamisel on oluline teada nii nende selektiivsust uuritavate ainete suhtes kui ka vaadeldavas lahuses leiduvaid võimalikke segajaid. Tähtsad on ka lahuse pH ja solvendiefektid. Solvendiefektid mõjutavad molekulide struktuuri ja paiknemist lahuses, mistõttu mõnede sensormolekulide tööks sobivad vaid aprotoonsed väikese veesisaldusega lahustid. Lahuse pH muutumine võib põhjustada nii määratavate anioonide kui ka sensormolekulide endi protoneerumist või deprotoneerumist, mistõttu on vajalik leida sensormolekuli kasutamiseks sobiv pH vahemik. Selektiivsust mõjutab ka sensormolekulide ja analüütide hüdrofoobsus – hüdrofoobsed ioonid seonduvad üldiselt paremini hüdrofoobsete siduvate rühmadega. Tähtsad on ka steerilised efektid, sest sensor-analüüt kompleksi moodustumiseks peab seotav analüüt jõudma siduvatele rühmadele piisavalt lähedale. Oluline on kindlaks määrata ka kompleksimoodustumise stöhhiomeetria – alati pole sensor-analüüt molekulide suhe kompleksi moodustamisel 1:1, see võib sõltuda nii konkreetsest ioonist kui ka iooni kontsentratsioonist lahuses. Sensormolekul peab sisaldama siduvat rühma või siduvaid rühmi, mille külge uuritav osake saaks kompleksi moodustamiseks seonduda. On võimalikud ka puurikujulised molekulid, mille korral uuritav osake kinnitub tsüklikujulise ahelaga molekuli ahela keskele jäävasse vabasse ruumi. Sageli lisatakse sensormolekulidele ka markerrühm, mille abil saab sensor-analüüt kompleksi tuvastada. Näiteks võidakse sensormolekulile lisada fluorestseeruv rühm. Kompleksi moodustamise korral toimub sellisel juhul fluorestsentsi intensiivsuse muutus, mida uuritakse. Võimalik on molekulile lisada ka mitu markerrühma ja tuvastada saadud kompleksi mitmel viisil. Kasutatakse ka selliseid markerrühmi, mis kompleksi moodustamisel sensormolekuli küljest lahti tulevad ja mida edasi lahusest määratakse. Antud meetodi eelisteks on indikaatorrühma sõltumatus siduvatest rühmadest, samuti aitab see mõnel juhul parandada analüüsi selektiivsust. Kui sensormolekuliga seonduvad hästi kaks iooni, millest määrata on vaja vaid üht, tuleks üritada leida selline eralduv indikaatorrühm, mille suudab eemaldada vaid määratav ioon. Sellisel juhul on sensor muudetud vajalikule ioonile selektiivseks. On olemas väga palju erinevaid sensormolekule, mida saab jaotada analüüdi liigi järgi. Anioonselektiivsed sensormolekulid seovad anioone (negatiivse laenguga ioone). Mõned anioonselektiivsete sensormolekulide klassid on näiteks indolokarbasoolid, uuread ja tiouuread, naftalimiidid ja akridoonid. Katioonselektiivsed sensormolekulid seovad positiivse laenguga ioone. Nende tuntuimateks näideteks on EDTA (seob metalliioone) ja pH indikaatorid (vesinikioonide suhtes selektiivsed molekulid). On olemas ka sensormolekule, mis interakteeruvad neutraalsete molekulidega lahuses, peamiselt kasutatakse neid bioorgaaniliste molekulide (valgud, peptiidid, DNA lõigud) uurimiseks. Sensormolekulidel on palju kasutusvaldkondi. EDTA-d kasutatakse titrandina metalliioonide määramiseks lahustest. Sensormolekulid on ka pH indikaatorid: nad on fotomeetrilised ja selektiivsed lahuses leiduvate vesinikioonide suhtes. Valkude uurimisel on kasutusel spetsiaalselt selleks otstarbeks mõeldud ühendid. Sensormolekulide süsteeme kasutatakse ka elektroonilise nina töös (väikesele pinnale on kantud palju erinevaid sensormolekule, millest igaüks on spetsiifiline kindlale analüüdile või kindlatele analüütidele – nii saab määrata keerulisest segust korraga palju komponente). Immunokeemia põhineb uuritavate analüütide seondumisel vastavate antikehadega, meetodile on sageli omane väga suur selektiivsus. Anslyn, E.V. "Supramolecular Analytical Chemistry". J. Org. Chem, Vol. 72, No. 3, 2007: 687–699, doi: 10.1021/jo0617971 Santos, C.M.G, McCabe, T, Watson, G.W, Kruger, P.E, and Gunnlaugsson, T. "The Recognition and Sensing of Anions through “Positive Allosteric Effects” Using Simple Urea-Amide Receptors". J. Org. Chem. 2008, 73, 9235–9244, doi: 10.1021/jo8014424 Beer, P.D, Gale, P.A. "Anion Recognition and Sensing: The State of the Art and Future Perspectives". Angew. Chem. Int. Ed. 2001, 40: 486–516