حسگر مولکولی

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. 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. 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. 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. 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.
| 0 | 1 | 2 | 3 | 4 |
| --- | --- | --- | --- | --- |
: 
| 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. 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. 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. 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 و آنیون‌ها، و همچنین زیست مولکول‌ها.
یکی از اهداف مهم شیمی فرا مولکولی طراحی لیگاندهایی برای تشخیص گزینشی مهمان‌های مناسب نظیر کاتیون‌های فلزی و آنیون ها است. اصطلاح شیمی تجزیه فرا مولکولی اخیراً به منظور توصیف کاربرد حسگرهای مولکولی در شیمی تجزیه ابداع شده‌است. 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.