Un sensor molecular o quimiosensor es una estructura molecular (complejos orgánicos o inorgánicos) que se utiliza para detectar un analito y producir un cambio o una señal detectable . [1] [2] [3] [4] La acción de un quimiosensor, se basa en una interacción que ocurre a nivel molecular, generalmente implica el monitoreo continuo de la actividad de una especie química en una matriz determinada, como solución, aire, sangre, tejidos, efluentes residuales, agua potable, etc. La aplicación de quimiosensores se conoce como quimiosensores, que es una forma de reconocimiento molecular . Todos los quimiosensores están diseñados para contener una fracción de señalización y una fracción de reconocimiento , que están conectadas directamente entre sí o mediante algún tipo de conector o espaciador. [5] [6] [7] La señalización es a menudo radiación electromagnética de base óptica , que da lugar a cambios en cualquiera (o ambas) la absorción ultravioleta y visible o las propiedades de emisión de los sensores. Los quimiosensores también pueden tener una base electroquímica. Los sensores de moléculas pequeñas están relacionados con los quimiosensores. Sin embargo, tradicionalmente se consideran moléculas estructuralmente simples y reflejan la necesidad de formar moléculas quelantes para complejar iones en química analítica . Los quimiosensores son análogos sintéticos de los biosensores , con la diferencia de que los biosensores incorporan receptores biológicos como anticuerpos, aptámeros o biopolímeros de gran tamaño.
Los quimiosensores describen moléculas de origen sintético que señalan la presencia de materia o energía. Un quimiosensor puede considerarse un tipo de dispositivo analítico . Los quimiosensores se utilizan en la vida cotidiana y se han aplicado en diversas áreas como la química, bioquímica, inmunología, fisiología, etc. y dentro de la medicina en general, como en el análisis de muestras de sangre en cuidados críticos. Los quimiosensores pueden diseñarse para detectar/señalar un único analito o una mezcla de dichas especies en solución. [4] [8] [9] [10] [11] Esto se puede lograr mediante una sola medición o mediante el uso de monitoreo continuo. El resto de señalización actúa como un transductor de señal , convirtiendo la información (evento de reconocimiento entre el quimiosensor y el analito) en una respuesta óptica de manera clara y reproducible.
Más comúnmente, el cambio (la señal) se observa midiendo las diversas propiedades físicas del quimiosensor, como las propiedades fotofísicas observadas en la absorción o emisión , donde se utilizan diferentes longitudes de onda del espectro electromagnético . [12] [13] En consecuencia, la mayoría de los quimiosensores se describen como colorimétricos ( estado fundamental ) o luminiscentes ( estado excitado , fluorescente o fosforescente ). Los quimiosensores colorimétricos dan lugar a cambios en sus propiedades de absorción (registradas mediante espectroscopia ultravioleta-visible ), como en la intensidad de absorción y la longitud de onda o en la quiralidad (utilizando luz polarizada circularmente y espectroscopia CD ). [14]
Por el contrario, en el caso de los quimiosensores luminiscentes, la detección de un analito mediante espectroscopia de fluorescencia da lugar a cambios espectrales en la excitación de la fluorescencia o en los espectros de emisión, que se registran mediante un fluorímetro . [15] Tales cambios también pueden ocurrir en otras propiedades del estado excitado, como en la vida útil del estado excitado, el rendimiento cuántico de fluorescencia y la polarización, etc. del quimiosensor. La detección de fluorescencia se puede lograr a una concentración baja (por debajo de ~ 10-6 M) con la mayoría de los espectrómetros de fluorescencia. Esto ofrece la ventaja de utilizar los sensores directamente dentro de sistemas de fibra óptica. Ejemplos del uso de quimiosensores son para monitorear el contenido de sangre, concentraciones de fármacos, etc., así como en muestras ambientales. Los iones y las moléculas se encuentran en abundancia en los sistemas biológicos y ambientales donde participan o participan en procesos biológicos y químicos. [16] El desarrollo de quimiosensores moleculares como sondas para dichos analitos es un negocio multimillonario anual en el que participan tanto pequeñas PYME como grandes empresas farmacéuticas y químicas.
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Los quimiosensores se utilizaron por primera vez para describir la combinación de un reconocimiento molecular con algún tipo de indicador para poder observar la presencia de un huésped (también denominado analito, véase más arriba). [17] Los quimiosensores están diseñados para contener una fracción de señalización y una fracción de reconocimiento molecular (también llamada sitio de unión o receptor). La combinación de ambos componentes se puede lograr de varias maneras, como integrada, torcida o espaciada. Los quimiosensores se consideran un componente importante del área del diagnóstico molecular , dentro de la disciplina de la química supramolecular , que se basa en el reconocimiento molecular . En términos de química supramolecular, la quimiodetección es un ejemplo de química huésped-huésped , donde la presencia de un huésped (el analito) en el sitio huésped (el sensor) da lugar a un evento de reconocimiento (por ejemplo, detección) que puede monitorearse en tiempo real. . Esto requiere la unión del analito al receptor, utilizando todo tipo de interacciones de unión, como enlaces de hidrógeno , interacciones dipolares y electrostáticas , efecto solvofóbico, quelación de metales, etc. La fracción de reconocimiento/unión es responsable de la selectividad y la unión eficiente del huésped/analito, que dependen de la topología del ligando, las características del objetivo (radio iónico, tamaño de la molécula, quiralidad, carga, número de coordinación y dureza, etc.) y la naturaleza del disolvente (pH, fuerza iónica, polaridad). Los quimiosensores normalmente se desarrollan para poder interactuar con las especies objetivo de manera reversible, lo cual es un requisito previo para el monitoreo continuo.
Los métodos de señalización óptica (como la fluorescencia ) son sensibles y selectivos y proporcionan una plataforma para la respuesta en tiempo real y la observación local. Como los quimiosensores están diseñados para apuntar (es decir, pueden reconocer y unirse a una especie específica) y ser sensibles a diversos rangos de concentración, se pueden utilizar para observar eventos reales a nivel celular. Como cada molécula puede dar lugar a una señal/lectura, que puede medirse selectivamente, a menudo se dice que los quimiosensores no son invasivos y, en consecuencia, han atraído una atención significativa por sus aplicaciones dentro de la materia biológica, como dentro de las células vivas. Se han desarrollado muchos ejemplos de quimiosensores para observar la función y las propiedades celulares, incluido el monitoreo de las concentraciones y transportes del flujo de iones dentro de las células, como Ca (II), Zn (II), Cu (II) y otros cationes y aniones fisiológicamente importantes [18] . [19] así como biomoléculas. [20] [21]
El diseño de ligandos para el reconocimiento selectivo de huéspedes adecuados, como cationes metálicos [22] y aniones [23] [24], ha sido un objetivo importante de la química supramolecular. El término química analítica supramolecular se ha acuñado recientemente para describir la aplicación de sensores moleculares a la química analítica. [25] Los sensores de moléculas pequeñas están relacionados con los quimiosensores. Sin embargo, tradicionalmente se consideran moléculas estructuralmente simples y reflejan la necesidad de formar moléculas quelantes para complejar iones en química analítica.
Si bien los quimiosensores se definieron por primera vez en la década de 1980, se puede documentar que el primer ejemplo de un quimiosensor fluorescente fue el de Friedrich Goppelsroder , quien en 1867 desarrolló un método para la determinación/detección de iones de aluminio, utilizando ligando/quelato fluorescente. Este y el trabajo posterior de otros dieron origen a lo que se considera química analítica moderna.
En la década de 1980, Anthony W. Czarnik, [26] [27] [28] A. Prasanna de Silva [29] [30] [31] y Roger Tsien , [32] [33] [34] lograron el desarrollo de la quimiosensación. ] quien desarrolló varios tipos de sondas luminiscentes para iones y moléculas en soluciones y dentro de células biológicas, para aplicaciones en tiempo real. Tsien continuó estudiando y desarrollando esta área de investigación desarrollando y estudiando proteínas fluorescentes para aplicaciones en biología, como las proteínas fluorescentes verdes (GFP), por las que recibió el Premio Nobel de Química en 2008. El trabajo de Lynn Sousa en a finales de la década de 1970, sobre la detección de iones de metales alcalinos, lo que posiblemente resultó en uno de los primeros ejemplos del uso de la química supramolecular en el diseño de sensores fluorescentes, [35] así como el de J.-M. Lehn , H. Bouas-Laurent y colaboradores de la Université Bordeaux I, Francia. [36] El desarrollo de la detección PET de iones de metales de transición fue desarrollado por L. Fabbrizzi, entre otros. [37]
En quimiodetección, el uso de un fluoróforo conectado al receptor a través de un espaciador covalente ahora se conoce comúnmente como principio fluoróforo-espaciador-receptor. En tales sistemas, el evento de detección normalmente se describe como debido a cambios en las propiedades fotofísicas de los sistemas quimiosensores debido a la fluorescencia mejorada inducida por quelación (CHEF), [26] [27] [28] y la transferencia de electrones fotoinducida (PET). [29] [30] [31] mecanismos. En principio, los dos mecanismos se basan en la misma idea; la vía de comunicación tiene la forma de una transferencia de electrones a través del espacio desde los receptores ricos en electrones a los fluoróforos deficientes en electrones (a través del espacio). Esto da como resultado la extinción de la fluorescencia (transferencia activa de electrones) y la emisión del quimiosensor se "apaga" para ambos mecanismos en ausencia de los analitos. Sin embargo, al formar un complejo huésped-huésped entre el analito y el receptor, la vía de comunicación se interrumpe y la emisión de fluorescencia de los fluoróforos aumenta o se "activa". En otras palabras, la intensidad de la fluorescencia y el rendimiento cuántico mejoran tras el reconocimiento del analito.
El receptor de fluoróforos también puede integrarse dentro del quimiosensor. Esto provoca cambios en la longitud de onda de emisión, lo que a menudo resulta en un cambio de color. Cuando el evento de detección da como resultado la formación de una señal que es visible a simple vista, dichos sensores normalmente se denominan colorimétricos . Se han desarrollado muchos ejemplos de quimiosensores colorimétricos para iones como el fluoruro . [38] Un indicador de pH puede considerarse como un quimiosensor colorimétrico para protones. Estos sensores se han desarrollado para otros cationes, así como para aniones y moléculas orgánicas y biológicas más grandes, como proteínas y carbohidratos. [39]
Los quimiosensores son moléculas de tamaño nanométrico y, para su aplicación in vivo, no deben ser tóxicos. Un quimiosensor debe poder dar una señal mensurable en respuesta directa al reconocimiento del analito. Por lo tanto, la respuesta de la señal está directamente relacionada con la magnitud del evento de detección (y, a su vez, la concentración del analito). Mientras que el resto de señalización actúa como un transductor de señal, convirtiendo el evento de reconocimiento en una respuesta óptica. El resto de reconocimiento es responsable de unirse al analito de manera selectiva y reversible. Si los sitios de unión son "reacciones químicas irreversibles", los indicadores se describen como quimiodosímetros fluorescentes o sondas fluorescentes .
Tiene que haber una vía de comunicación activa abierta entre las dos mitades para que el sensor funcione. En los quimiosensores colorimétricos, esto normalmente depende de que el receptor y el transductor estén integrados estructuralmente. En la quimiodetección luminiscente/fluorescente, estas dos partes pueden "espaciarse" o conectarse con un espaciador covalente. La vía de comunicación es mediante transferencia de electrones o transferencia de energía para dichos quimiosensores fluorescentes. La efectividad del reconocimiento huésped-huésped entre el receptor y el analito depende de varios factores, incluido el diseño de la fracción receptora, cuyo objetivo es coincidir tanto con la naturaleza estructural del analito objetivo, como con la naturaleza del entorno en el que se produce el evento de detección (por ejemplo, el tipo de medio, es decir, sangre, saliva, orina, etc. en muestras biológicas). Una extensión de este enfoque es el desarrollo de balizas moleculares , que son sondas de hibridación de oligonucleótidos basadas en señalización de fluorescencia donde el reconocimiento o el evento de detección se comunica mediante la mejora o reducción de la luminiscencia mediante el uso del mecanismo de transferencia de energía por resonancia de Förster (FRET).
Todos los quimiosensores están diseñados para contener una fracción de señalización y una fracción de reconocimiento. Estos están integrados directamente o conectados con un espaciador covalente corto dependiendo del mecanismo involucrado en el evento de señalización. El quimiosensor puede basarse en el autoensamblaje del sensor y el analito. Un ejemplo de tal diseño son los ensayos de desplazamiento (indicador) IDA. [40] Se ha desarrollado un sensor IDA para aniones como citrato o fosfato mediante el cual estos iones pueden desplazar un indicador fluorescente en un complejo indicador-huésped. [5] El llamado chip gustativo UT (Universidad de Texas) es un prototipo de lengua electrónica y combina la química supramolecular con dispositivos de carga acoplada basados en obleas de silicio y moléculas receptoras inmovilizadas.
La mayoría de los ejemplos de quimiosensores para iones , como los de iones de metales alcalinos (Li+, Na+, K+, etc.) y de iones de metales alcalinotérreos (Mg2+, Ca2+, etc.) están diseñados de manera que el estado excitado del componente fluoróforo del El quimiosensor se apaga mediante una transferencia de electrones cuando el sensor no está complejado con estos iones. Por lo tanto, no se observa ninguna emisión y a veces se dice que el sensor está "apagado". Al combinar el sensor con un catión, se alteran las condiciones para la transferencia de electrones, de modo que se bloquea el proceso de extinción y se "activa" la emisión de fluorescencia. La probabilidad de PET está gobernada por la energía libre general del sistema (la energía libre de Gibbs ΔG). La fuerza impulsora del PET está representada por ΔGET; los cambios generales en la energía libre para la transferencia de electrones se pueden estimar utilizando la ecuación de Rehm-Weller. [41] La transferencia de electrones depende de la distancia y disminuye al aumentar la longitud del espaciador. La extinción mediante transferencia de electrones entre especies no cargadas conduce a la formación de un par de iones radicales. A esto a veces se le llama transferencia primaria de electrones. La posible transferencia de electrones que se produce después del PET se denomina "transferencia de electrones secundaria". Chelation Enhancement Quenching (CHEQ) es el efecto opuesto observado para CHEF. [42] En CHEQ, se observa una reducción en la emisión fluorescente del quimiosensor en comparación con la observada originalmente para el sensor "libre" tras la formación huésped-huésped. Como la transferencia de electrones es direccional, dichos sistemas también se han descrito mediante el principio del PET, describiéndose como una mejora en el PET desde el receptor al fluoróforo con un mayor grado de extinción. Este efecto se ha demostrado para la detección de aniones como carboxilatos y fluoruros. [43]
Los científicos de las ciencias físicas, biológicas y ambientales han desarrollado una gran cantidad de ejemplos de quimiosensores. Las ventajas de que la emisión de fluorescencia se "encienda" desde "apagada" durante el evento de reconocimiento permiten comparar los quimiosensores con "balizas en la noche". Como el proceso es reversible, el aumento de las emisiones depende de la concentración y sólo se "satura" en concentraciones altas (receptor completamente unido). Por tanto, se puede establecer una correlación entre la luminiscencia (intensidad, rendimiento cuántico y, en algunos casos, vida útil) y la concentración del analito. Mediante un diseño cuidadoso y una evaluación de la naturaleza de la vía de comunicación, se han diseñado sensores similares basados en el uso de conmutación de "encendido-apagado", o "encendido-apagado-encendido" o "apagado-apagado". La incorporación de quimiosensores en superficies, como puntos cuánticos , nanopartículas o polímeros , también es un área de investigación en rápido crecimiento. [44] [45] [46] La detección de fluorescencia también se ha combinado con técnicas electroquímicas, lo que confiere las ventajas de ambos métodos. [47] Otros ejemplos de quimiosensores que funcionan según el principio de encender o apagar la emisión fluorescente incluyen: transferencia de energía por resonancia de Förster (FRET), transferencia de carga interna (TIC), transferencia de carga interna retorcida (TICT), emisión a base de metal ( como en la luminiscencia de lantánidos), [48] [49] y emisión de excímeros y exciplex y emisión inducida por agregación (AIE). [50] [51] Los quimiosensores fueron uno de los primeros ejemplos de moléculas que podían dar como resultado el cambio entre estados "encendidos" o "apagados" mediante el uso de estímulos externos y, como tales, pueden clasificarse como máquinas moleculares sintéticas , a las que el Nobel El Premio de Química fue otorgado en 2016 a Jean-Pierre Sauvage , Fraser Stoddart y Bernard L. Feringa .
La aplicación de estos mismos principios de diseño utilizados en quimiosensores también allanó el camino para el desarrollo de imitadores de puertas lógicas moleculares (MLGM), [52] [53] propuestos por primera vez utilizando quimiosensores fluorescentes basados en PET por de Silva y sus colaboradores en 1993. [54] Se ha hecho que las moléculas operen de acuerdo con el álgebra booleana que realiza una operación lógica basada en una o más entradas físicas o químicas. El campo ha avanzado desde el desarrollo de sistemas lógicos simples basados en una única entrada química hasta moléculas capaces de llevar a cabo operaciones complejas y secuenciales.
Los quimiosensores se han incorporado mediante la funcionalización de superficies en partículas y perlas como nanopartículas a base de metal , puntos cuánticos , partículas a base de carbono y en materiales blandos como polímeros para facilitar sus diversas aplicaciones.
Otros receptores no son sensibles a una molécula específica sino a una clase de compuesto molecular; estos quimiosensores se utilizan en sensores basados en matrices (o microarrays). Los sensores basados en matrices utilizan la unión de analitos mediante los receptores diferenciales. Un ejemplo es el análisis agrupado de varios ácidos tánicos que se acumulan al envejecer el whisky escocés en barricas de roble. Los resultados agrupados demostraron una correlación con la edad pero los componentes individuales no. Se puede utilizar un receptor similar para analizar los tartratos en el vino.
La aplicación de quimiosensores en imágenes celulares es particularmente prometedora ya que la mayoría de los procesos biológicos ahora se monitorean mediante el uso de tecnologías de imágenes como la fluorescencia confocal y la microscopía de superresolución , entre otras.
El compuesto saxitoxina es una neurotoxina que se encuentra en los mariscos y un arma química. Un sensor experimental para este compuesto se basa nuevamente en PET. La interacción de la saxitoxina con la fracción de éter de la corona del sensor mata su proceso de PET hacia el fluoróforo y la fluorescencia cambia de desactivada a activada. [4] La inusual fracción de boro asegura que la fluorescencia tenga lugar en la parte de luz visible del espectro electromagnético.
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