Sensor molecular - Molecular sensor
Um sensor molecular ou quimiossensor é uma estrutura molecular (complexos orgânicos ou inorgânicos) que é usada para detectar um analito para produzir uma mudança detectável ou um sinal . A ação de um quimiossensor, depende de uma interação que ocorre em nível molecular, geralmente envolve o monitoramento contínuo da atividade de uma espécie química em uma determinada matriz, como solução, ar, sangue, tecido, efluentes residuais, água potável, etc. A aplicação de quimiossensores é conhecida como quimiossensor, que é uma forma de reconhecimento molecular . Todos os quimiossensores são projetados para conter uma porção de sinalização e uma porção de reconhecimento , que são conectadas diretamente entre si ou por meio de algum tipo de conector ou espaçador. A sinalização é muitas vezes a radiação eletromagnética de base óptica , dando origem a mudanças em uma (ou ambas) a absorção ultravioleta e visível ou as propriedades de emissão dos sensores. Os quimiossensores também podem ser de base eletroquímica. Sensores de moléculas pequenas estão relacionados a quimiossensores. Estas são tradicionalmente, entretanto, consideradas moléculas estruturalmente simples e refletem a necessidade de formar moléculas quelantes para íons complexantes em química analítica . Os quimiossensores são análogos sintéticos dos biossensores , com a diferença de que os biossensores incorporam receptores biológicos, como anticorpos, aptâmeros ou grandes biopolímeros.
Chemosensors descreve moléculas de origem sintética que sinalizam a presença de matéria ou energia. Um quimiossensor pode ser considerado um tipo de dispositivo analítico . Os quimiossensores são usados na vida cotidiana e têm sido aplicados em várias áreas, como química, bioquímica, imunologia, fisiologia, etc. e na medicina em geral, como em análises críticas de amostras de sangue. Os quimiossensores podem ser projetados para detectar / sinalizar um único analito ou uma mistura dessas espécies em solução. Isso pode ser obtido por meio de uma única medição ou do uso de monitoramento contínuo. A porção de sinalização atua como um transdutor de sinal , convertendo a informação (evento de reconhecimento entre o quimiossensor e o analito) em uma resposta óptica de forma clara e reproduzível.
Mais comumente, a mudança (o sinal) é observada medindo as várias propriedades físicas do quimiossensor, como as propriedades fotofísicas vistas na absorção ou emissão , onde diferentes comprimentos de onda do espectro eletromagnético são usados. Consequentemente, a maioria dos quimiossensores são descritos como sendo colorimétricos ( estado fundamental ) ou luminescentes ( estado excitado , fluorescente ou fosforescente ). Os quimiossensores colorimétricos dão origem a mudanças em suas propriedades de absorção (registradas usando espectroscopia ultravioleta-visível ), como na intensidade de absorção e comprimento de onda ou na quiralidade (usando luz polarizada circularmente e espectroscopia de CD ).
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| Ligação de heparina | Ligação de ácido tânico | Ligação de saxitoxina |
Em contraste, então, no caso de quimiossensores luminescentes, a detecção de um analito, usando espectroscopia de fluorescência , dá origem a alterações espectrais na excitação de fluorescência ou nos espectros de emissão, que são registrados usando um fluorímetro . Essas mudanças também podem ocorrer em outras propriedades do estado excitado, como no tempo de vida do estado excitado, rendimento quântico de fluorescência e polarização, etc. do quimiossensor. A detecção de fluorescência pode ser alcançada em uma concentração baixa (abaixo de ~ 10-6 M) com a maioria dos espectrômetros de fluorescência. Isso oferece a vantagem de usar os sensores diretamente nos sistemas de fibra óptica. Exemplos do uso de quimiossensores são para monitorar o conteúdo sanguíneo, as concentrações de drogas, etc., bem como em amostras ambientais. Íons e moléculas ocorrem em abundância em sistemas biológicos e ambientais onde estão envolvidos / eliminam processos biológicos e químicos. O desenvolvimento de quimiossensores moleculares como sondas para tais analitos é um negócio anual de bilhões de dólares envolvendo pequenas PMEs, bem como grandes empresas farmacêuticas e químicas.
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Os quimiossensores foram usados pela primeira vez para descrever a combinação de um reconhecimento molecular com alguma forma de repórter para que a presença de um convidado possa ser observada (também referido como o analito, cf. acima). Os quimiossensores são projetados para conter uma porção de sinalização e uma porção de reconhecimento molecular (também chamada de sítio de ligação ou receptor). A combinação de ambos os componentes pode ser obtida de várias maneiras, como integrada, torcida ou espaçada. Os quimiossensores são considerados o principal componente da área de diagnóstico molecular , dentro da disciplina de química supramolecular , que depende do reconhecimento molecular . Em termos de química supramolecular, chemosensing é um exemplo de química hospedeiro-convidado , onde a presença de um convidado (o analito) no local hospedeiro (o sensor) dá origem a um evento de reconhecimento (por exemplo, detecção) que pode ser monitorado em tempo real . Isso requer a ligação do analito ao receptor, usando todos os tipos de interações de ligação, como ligação de hidrogênio , dipolo - e interações eletrostáticas , efeito solvofóbico, quelação de metal, etc. A porção de reconhecimento / ligação é responsável pela seletividade e ligação eficiente do convidado / analito, que dependem da topologia do ligante, características do alvo (raio iônico, tamanho da molécula, quiralidade, carga, número de coordenação e dureza, etc.) e a natureza do solvente (pH, força iônica, polaridade). Os quimiossensores são normalmente desenvolvidos para serem capazes de interagir com as espécies-alvo de maneira reversível, o que é um pré-requisito para o monitoramento contínuo.
Os métodos de sinalização óptica (como fluorescência ) são sensíveis e seletivos e fornecem uma plataforma para resposta em tempo real e observação local. Como os quimiossensores são projetados para serem direcionados (ou seja, podem reconhecer e ligar uma espécie específica) e sensíveis a vários intervalos de concentração, eles podem ser usados para observar eventos reais ao vivo no nível celular. Como cada molécula pode dar origem a um sinal / leitura, que pode ser medido seletivamente, os quimiossensores são frequentemente considerados não invasivos e, consequentemente, têm atraído atenção significativa para suas aplicações em matéria biológica, como em células vivas. Muitos exemplos de quimiossensores foram desenvolvidos para observar a função e propriedades celulares, incluindo o monitoramento das concentrações de fluxo de íons e transportes dentro das células, como Ca (II), Zn (II), Cu (II) e outros cátions e ânions fisiologicamente importantes, bem como biomoléculas.
O projeto de ligantes para o reconhecimento seletivo de convidados adequados, como cátions e ânions metálicos, tem sido um objetivo importante da química supramolecular. O termo química analítica supramolecular foi cunhado recentemente para descrever a aplicação de sensores moleculares à química analítica. Sensores de moléculas pequenas estão relacionados a quimiossensores. No entanto, essas são tradicionalmente consideradas moléculas estruturalmente simples e refletem a necessidade de formar moléculas quelantes para íons complexantes em química analítica.
História
Embora os quimiossensores tenham sido definidos pela primeira vez na década de 1980, o primeiro exemplo de tal quimiossensor fluorescente pode ser documentado como sendo o de Friedrich Goppelsroder , que em 1867 desenvolveu um método para a determinação / detecção de íon alumínio, usando ligante / quelato fluorescente. Este e o trabalho subsequente de outros, deu origem ao que é considerado como química analítica moderna.
Na década de 1980, o desenvolvimento do quimiossensor foi realizado por Anthony W. Czarnik, A. Prasanna de Silva e Roger Tsien , que desenvolveram vários tipos de sondas luminescentes para íons e moléculas em soluções e dentro de células biológicas, para aplicações em tempo real. Tsien passou a estudar e desenvolver ainda mais essa área de pesquisa, desenvolvendo e estudando proteínas fluorescentes para aplicações em biologia, como proteínas fluorescentes verdes (GFP), pelas quais recebeu o Prêmio Nobel de Química em 2008. O trabalho de Lynn Sousa em o final dos anos 1970, na detecção de íons de metais alcalinos, possivelmente resultando em um dos primeiros exemplos do uso da química supramolecular no projeto de detecção fluorescente, bem como no de J.-M. Lehn , H. Bouas-Laurent e colegas de trabalho na Université Bordeaux I, França. O desenvolvimento do PET sensing de íons de metais de transição foi desenvolvido por L. Fabbrizzi, entre outros.
No quimiosenseamento, o uso de fluoróforo conectado ao receptor por meio de um espaçador covalente é agora comumente referido como princípio de fluoróforos-espaçador-receptor. Em tais sistemas, o evento de detecção é normalmente descrito como sendo devido a mudanças nas propriedades fotofísicas dos sistemas quimiossensores devido aos mecanismos de fluorescência aumentada induzida por quelação (CHEF) e transferência de elétrons fotoinduzida (PET). Em princípio, os dois mecanismos são baseados na mesma ideia; a via de comunicação é na forma de uma transferência de elétrons através do espaço dos receptores ricos em elétrons para os fluoróforos deficientes em elétrons (através do espaço). Isso resulta em extinção de fluorescência (transferência de elétrons ativa), e a emissão do quimiossensor é 'desligada', para ambos os mecanismos na ausência dos analitos. No entanto, ao formar um complexo hospedeiro-hóspede entre o analito e o receptor, a via de comunicação é interrompida e a emissão de fluorescência dos fluoróforos é aumentada, ou 'ligada'. Em outras palavras, a intensidade de fluorescência e o rendimento quântico são aumentados após o reconhecimento do analito.
O receptor de fluoróforos também pode ser integrado dentro do quimiossensor. Isso leva a mudanças no comprimento de onda de emissão, o que geralmente resulta em mudança na cor. Quando o evento de detecção resulta na formação de um sinal que é visível a olho nu, esses sensores são normalmente chamados de colorimétricos . Muitos exemplos de quimiossensores colorimétricos para íons, como o fluoreto , foram desenvolvidos. Um indicador de pH pode ser considerado um quimiossensor colorimétrico para prótons. Esses sensores foram desenvolvidos para outros cátions, bem como ânions e moléculas orgânicas e biológicas maiores, como proteínas e carboidratos.
Princípios de design
Os quimiossensores são moléculas de tamanho nanométrico e, para aplicação in vivo, precisam ser atóxicos. Um quimiossensor deve ser capaz de fornecer um sinal mensurável em resposta direta ao reconhecimento do analito. Portanto, a resposta do sinal está diretamente relacionada à magnitude do evento de detecção (e, por sua vez, à concentração do analito). Enquanto a porção de sinalização atua como um transdutor de sinal, convertendo o evento de reconhecimento em uma resposta óptica. A porção de reconhecimento é responsável pela ligação ao analito de maneira seletiva e reversível. Se os locais de ligação são 'reações químicas irreversíveis', os indicadores são descritos como quimio-medidores fluorescentes ou sondas fluorescentes .
Uma via de comunicação ativa deve ser aberta entre as duas metades para que o sensor opere. Em quimiossensores colorimétricos, isso geralmente depende do receptor e do transdutor para serem integrados estruturalmente. No quimiossensor luminescente / fluorescente, essas duas partes podem ser "espaçadas" ou conectadas com um espaçador covalente. A via de comunicação é através da transferência de elétrons ou transferência de energia para esses quimiossensores fluorescentes. A eficácia do reconhecimento hospedeiro-convidado entre o receptor e o analito depende de vários fatores, incluindo o desenho da porção do receptor, cujo objetivo é corresponder tanto à natureza da natureza estrutural do analito alvo, quanto ao natureza do ambiente no qual o evento de detecção ocorre (por exemplo, o tipo de meio, ou seja, sangue, saliva, urina, etc. em amostras biológicas). Uma extensão a esta abordagem é o desenvolvimento de faróis moleculares , que são sondas de hibridização de oligonucleotídeos com base na sinalização de fluorescência, onde o reconhecimento ou o evento de detecção é comunicado através do aumento ou redução da luminescência através do uso do mecanismo de transferência de energia de ressonância de Förster (FRET).
Quimiossensor fluorescente
Todos os quimiossensores são projetados para conter uma porção de sinalização e uma porção de reconhecimento. Estes são integrados diretamente ou conectados com um espaçador covalente curto dependendo do mecanismo envolvido no evento de sinalização. O quimiossensor pode ser baseado na automontagem do sensor e do analito. Um exemplo de tal projeto são os ensaios de deslocamento (indicador) IDA. O sensor IDA para ânions, como íons citrato ou fosfato, foi desenvolvido pelo qual esses íons podem deslocar um indicador fluorescente em um complexo indicador-hospedeiro. O chamado chip de sabor UT (Universidade do Texas) é um protótipo de língua eletrônica e combina química supramolecular com dispositivos de carga acoplada baseados em pastilhas de silício e moléculas receptoras imobilizadas.
A maioria dos exemplos de quimiossensores para íons , como os de íons de metais alcalinos (Li +, Na +, K +, etc.) e íons de metais alcalino-terrosos (Mg2 +, Ca2 +, etc.) são projetados de modo que o estado excitado do componente fluoróforo do o quimiossensor é extinto por uma transferência de elétrons quando o sensor não é complexado a esses íons. Nenhuma emissão é observada, e o sensor é algumas vezes referido como estando 'desligado'. Ao complexar o sensor com um cátion, as condições para a transferência de elétrons são alteradas para que o processo de extinção seja bloqueado e a emissão de fluorescência seja "ligada". A probabilidade de PET é governada pela energia livre geral do sistema (a energia livre de Gibbs ΔG). A força motriz para PET é representada por ΔGET, as mudanças globais na energia livre para a transferência de elétrons podem ser estimadas usando a equação de Rehm-Weller. A transferência de elétrons depende da distância e diminui com o aumento do comprimento do espaçador. A extinção por transferência de elétrons entre espécies não carregadas leva à formação de um par de íons radical. Isso às vezes é referido como sendo a transferência de elétrons primária. A possível transferência de elétrons, que ocorre após o PET, é chamada de 'transferência secundária de elétrons'. Quelation Enhancement Quenching (CHEQ) é o efeito oposto visto para CHEF. No CHEQ, uma redução é observada na emissão fluorescente do quimiossensor em comparação com aquela vista originalmente para o sensor 'livre' na formação hospedeiro-hóspede. Como a transferência de elétrons é direcional, tais sistemas também foram descritos pelo princípio do PET, sendo descritos como um aumento no PET do receptor para o fluoróforo com maior grau de extinção. Esse efeito foi demonstrado para a detecção de ânions , como carboxilatos e fluoretos.
Um grande número de exemplos de quimiossensores foi desenvolvido por cientistas nas ciências físicas, biológicas e ambientais. As vantagens da emissão de fluorescência sendo "ligada" a partir de "desligada" no evento de reconhecimento, permitindo que os quimiossensores sejam comparados a "faróis à noite". Como o processo é reversível, o aumento da emissão é dependente da concentração, tornando-se apenas 'saturado' em altas concentrações (receptor totalmente ligado). Portanto, uma correlação pode ser feita entre a luminescência (intensidade, rendimento quântico e em alguns casos o tempo de vida) e a concentração do analito. Por meio de um projeto cuidadoso e avaliação da natureza do caminho de comunicação, sensores semelhantes baseados no uso de comutação 'liga-desliga' ou 'liga-desliga' ou 'liga-desliga' foram projetados. A incorporação de quimiossensores em superfícies, como pontos quânticos , nanopartículas ou polímeros também é uma área de pesquisa em rápido crescimento. Outros exemplos de quimiossensores que funcionam no princípio de ligar ou desligar a emissão fluorescente incluem, transferência de energia de ressonância Förster (FRET), transferência de carga interna (ICT), transferência de carga interna torcida (TICT), emissão baseada em metal (como em luminescência de lantanídeos), e emissão de excímero e exciplex e emissão induzida por agregação (AIE). Os quimiossensores foram um dos primeiros exemplos de moléculas que poderiam resultar na alternância entre os estados 'ligado' ou 'desligado' por meio do uso de estímulos externos e, como tal, podem ser classificados como máquina molecular sintética , à qual foi concedido o Prêmio Nobel de Química em 2016 para Jean-Pierre Sauvage , Fraser Stoddart e Bernard L. Feringa .
A aplicação desses mesmos princípios de projeto usados em quimiossensor também pavimentou o caminho para o desenvolvimento de mímicas de portas lógicas moleculares (MLGMs), sendo proposto pela primeira vez usando quimiosensores fluorescentes baseados em PET por Silva e colegas de trabalho em 1993. As moléculas foram feitas para operar de acordo com a álgebra booleana que executa uma operação lógica com base em uma ou mais entradas físicas ou químicas. O campo avançou desde o desenvolvimento de sistemas lógicos simples baseados em uma única entrada química até moléculas capazes de realizar operações complexas e sequenciais.
Aplicações de Chemosensors
Os quimiossensores foram incorporados por meio da funcionalização de superfície em partículas e grânulos, como nanopartículas com base em metal , pontos quânticos , partículas com base em carbono e em materiais macios , como polímeros, para facilitar suas várias aplicações.
Outros receptores são sensíveis não a uma molécula específica, mas a uma classe de compostos moleculares. Esses quimiossensores são usados em sensores baseados em array (ou microarray). Os sensores baseados em array utilizam a ligação do analito pelos receptores diferenciais. Um exemplo é a análise agrupada de vários ácidos tânicos que se acumulam no envelhecimento do whisky escocês em barris de carvalho. Os resultados agrupados demonstraram correlação com a idade, mas os componentes individuais não. Um receptor semelhante pode ser usado para analisar tartaratos no vinho.
A aplicação de quimiossensores em imagens celulares é particularmente promissora, pois a maioria dos processos biológicos agora são monitorados por meio de tecnologias de imagem, como fluorescência confocal e microscopia de superresolução , entre outras.
O composto saxitoxina é uma neurotoxina encontrada em moluscos e uma arma química. Um sensor experimental para este composto é novamente baseado em PET. A interação da saxitoxina com a porção de éter da coroa do sensor mata seu processo PET em direção ao fluoróforo e a fluorescência é desligada e ligada. A porção incomum de boro garante que a fluorescência ocorra na parte de luz visível do espectro eletromagnético.
Veja também
- Ácidos borônicos na química supramolecular: reconhecimento de sacarídeos
- Química anfitrião-convidado
- Máquina molecular
- Reconhecimento molecular