Un sensor molecular o quimiosensor es una estructura molecular (complejos orgánicos o inorgánicos) que se utiliza para detectar un analito para producir un cambio detectable o una señal . [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 dada, como solución, aire, sangre, tejido, efluentes residuales, agua potable, etc. La aplicación de quimiosensores se conoce como quimiodetección, 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 oa través de algún tipo de conector o espaciador. [5] [6] [7] La señalización a menudo se basa en radiación electromagnética óptica, que da lugar a cambios en cualquiera (o ambas) de las propiedades de absorción ultravioleta y visible o 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 los considera moléculas estructuralmente simples y reflejan la necesidad de formar moléculas quelantes para formar complejos iónicos en la 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 grandes.
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 a diversas áreas, como la química, la bioquímica, la inmunología, la fisiología, etc. y dentro de la medicina en general, como en el análisis de cuidados críticos de muestras de sangre. Los quimiosensores pueden diseñarse para detectar/señalar un solo analito o una mezcla de dichas especies en solución. [4] [8] [9] [10] [11] Esto se puede lograr a través de una sola medición o mediante el uso de un monitoreo continuo. La fracción 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.
Lo más común es que el cambio (la señal) se observe 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 , fluorescentes o fosforescentes ). 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 utilizando un fluorímetro . [15] Dichos cambios también pueden ocurrir en otras propiedades del estado excitado, como en el tiempo de vida del estado excitado, el rendimiento cuántico de la fluorescencia y la polarización, etc. del quimiosensor. La detección de la 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 los sistemas de fibra óptica. Algunos ejemplos del uso de quimiosensores son el control del contenido de sangre, las 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 están involucrados/afecta a los procesos biológicos y químicos. [16] El desarrollo de quimiosensores moleculares como sondas para dichos analitos es un negocio multimillonario anual que involucra tanto a pequeñas PYME como a grandes empresas farmacéuticas y químicas.
Los quimiosensores se utilizaron por primera vez para describir la combinación de un reconocimiento molecular con alguna forma de reportero para que se pueda observar la presencia de un huésped (también denominado analito, cf arriba). [17] Los quimiosensores están diseñados para contener una fracción de señalización y una fracción de reconocimiento molecular (también denominada sitio de unión o receptor). La combinación de ambos componentes se puede lograr de varias formas, como integrada, retorcida o espaciada. Los quimiosensores se consideran un componente principal del área de 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 anfitrión (el sensor) da lugar a un evento de reconocimiento (por ejemplo, detección) que se puede monitorear 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 que es un requisito previo para la monitorización continua.
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 ser selectivos (es decir, pueden reconocer y unirse a una especie específica) y sensibles a varios rangos de concentración, se pueden utilizar para observar eventos reales en el nivel celular. Como cada molécula puede dar lugar a una señal/lectura, que se puede medir de forma selectiva, 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 de flujo de iones dentro de las células, como Ca (II), Zn (II), Cu (II) y otros cationes fisiológicamente importantes [18] y aniones [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. Recientemente se ha acuñado el término química analítica supramolecular 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 los considera moléculas estructuralmente simples y reflejan la necesidad de formar moléculas quelantes para formar complejos de iones en la química analítica.
Aunque los quimiosensores se definieron por primera vez en la década de 1980, el primer ejemplo documentado de un quimiosensor fluorescente de este tipo fue el de Friedrich Goppelsroder , quien en 1867 desarrolló un método para la determinación/detección de iones de aluminio, utilizando un ligando/quelato fluorescente. Este y otros trabajos posteriores de otros dieron origen a lo que se considera la química analítica moderna.
En la década de 1980, el desarrollo de la quimiodetección fue logrado por Anthony W. Czarnik, [26] [27] [28] A. Prasanna de Silva [29] [30] [31] y Roger Tsien , [32] [33] [34] quienes desarrollaron 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 más a fondo mediante el desarrollo y estudio de proteínas fluorescentes para aplicaciones en biología, como las proteínas fluorescentes verdes (GFP) por las que fue galardonado con el Premio Nobel de Química en 2008. El trabajo de Lynn Sousa a fines de la década de 1970, sobre la detección de iones de metales alcalinos, posiblemente resultó en uno de los primeros ejemplos del uso de la química supramolecular en el diseño de detección fluorescente, [35] así como el de J.-M. Lehn , H. Bouas-Laurent y colaboradores de la Universidad de Burdeos I, Francia. [36] El desarrollo de la detección PET de iones de metales de transición fue desarrollado por L. Fabbrizzi, entre otros. [37]
En la quimiodetección, el uso de un fluoróforo conectado al receptor a través de un espaciador covalente se conoce ahora comúnmente como el principio fluoróforos-espaciador-receptor. En tales sistemas, el evento de detección se describe normalmente como debido a cambios en las propiedades fotofísicas de los sistemas quimiosensores debido a los mecanismos de fluorescencia mejorada inducida por quelación (CHEF), [26] [27] [28] y transferencia de electrones fotoinducida (PET), [29] [30] [31] . En principio, los dos mecanismos se basan en la misma idea; la vía de comunicación es en 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 de electrones activa), y la emisión del quimiosensor se "apaga", para ambos mecanismos en ausencia de los analitos. Sin embargo, al formarse un complejo huésped-anfitrión entre el analito y el receptor, la vía de comunicación se interrumpe y la emisión de fluorescencia de los fluoróforos se potencia o se "activa". En otras palabras, la intensidad de la fluorescencia y el rendimiento cuántico mejoran al reconocer el analito.
El receptor de fluoróforos también puede integrarse dentro del quimiosensor. Esto produce cambios en la longitud de onda de emisión, que a menudo resultan en un cambio de color. Cuando el evento de detección da como resultado la formación de una señal que es visible a simple vista, estos 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. Dichos sensores se han desarrollado para otros cationes, así como 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, deben ser no tóxicos. Un quimiosensor debe ser capaz de dar una señal medible 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 la fracción de señalización actúa como un transductor de señal, convirtiendo el evento de reconocimiento en una respuesta óptica. La fracción de reconocimiento es responsable de la unión 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 .
Para que el sensor funcione, debe estar abierta una vía de comunicación activa entre las dos fracciones. En los quimiosensores colorimétricos, esto suele depender de que el receptor y el transductor estén estructuralmente integrados. En la quimiosensorización luminiscente/fluorescente, estas dos partes pueden estar "espaciadas" o conectadas con un espaciador covalente. La vía de comunicación es a través de la transferencia de electrones o la transferencia de energía para dichos quimiosensores fluorescentes. La eficacia del reconocimiento anfitrión-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 de 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 a través de la mejora o reducción de la luminiscencia mediante el uso del mecanismo de transferencia de energía de resonancia de Förster (FRET).
Todos los quimiosensores están diseñados para contener una fracción de señalización y una fracción de reconocimiento. Estas se integran directamente o se conectan 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 este tipo de diseño son los ensayos de desplazamiento (indicador) IDA. [40] Se han desarrollado sensores IDA para aniones como iones citrato o fosfato mediante los cuales estos iones pueden desplazar un indicador fluorescente en un complejo indicador-huésped. [5] El llamado chip de sabor UT (Universidad de Texas) es un prototipo de lengua electrónica y combina la química supramolecular con dispositivos acoplados a la carga 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.) e iones de metales alcalinotérreos (Mg2+, Ca2+, etc.) están diseñados de modo que el estado excitado del componente fluoróforo del quimiosensor se extinga mediante una transferencia de electrones cuando el sensor no está complejado con estos iones. Por lo tanto, no se observa emisión y, a veces, se dice que el sensor está "apagado". Al formar complejos en 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 "enciende" 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 para 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 por transferencia de electrones entre especies no cargadas conduce a la formación de un par de iones radicales. A esto a veces se lo denomina transferencia primaria de electrones. La posible transferencia de electrones, que tiene lugar después de la PET, se denomina "transferencia secundaria de electrones". La extinción por mejora de la quelación (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 del anfitrión-huésped. Como la transferencia de electrones es direccional, estos sistemas también se han descrito mediante el principio PET, que se describe como una mejora en la PET desde el receptor hasta el fluoróforo con un mayor grado de extinción. Este efecto se ha demostrado para la detección de aniones como carboxilatos y fluoruros. [43]
Los científicos en 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" en el momento del reconocimiento permiten comparar los quimiosensores con "balizas en la noche". Como el proceso es reversible, la mejora de la emisión depende de la concentración, y solo se "satura" en concentraciones altas (receptor totalmente unido). Por lo tanto, se puede establecer una correlación entre la luminiscencia (intensidad, rendimiento cuántico y, en algunos casos, vida útil) y la concentración del analito. A través de un diseño cuidadoso y la evaluación de la naturaleza de la vía de comunicación, se han diseñado sensores similares basados en el uso de conmutación "encendido-apagado", "encendido-apagado-encendido" o "apagado-encendido-apagado". La incorporación de quimiosensores en superficies, como puntos cuánticos , nanopartículas o en polímeros , también es un área de investigación en rápido crecimiento. [44] [45] [46] La detección de fluorescencia también se ha combinado con técnicas electroquímicas, confiriendo las ventajas de ambos métodos. [47] Otros ejemplos de quimiosensores que funcionan según el principio de encender o apagar la emisión fluorescente incluyen la transferencia de energía de resonancia de Förster (FRET), la transferencia de carga interna (ICT), la transferencia de carga interna retorcida (TICT), la emisión basada en metales (como en la luminiscencia de los lantánidos), [48] [49] y la emisión de excímeros y exciplex y la emisión inducida por agregación (AIE). [50] [51] Los quimiosensores fueron uno de los primeros ejemplos de moléculas que podían provocar el cambio entre estados "encendido" o "apagado" mediante el uso de estímulos externos y, como tales, pueden clasificarse como una máquina molecular sintética , a la que se le otorgó el Premio Nobel de Química en 2016 a Jean-Pierre Sauvage , Fraser Stoddart y Bernard L. Feringa .
La aplicación de estos mismos principios de diseño utilizados en la detección química también allanó el camino para el desarrollo de imitadores de puertas lógicas moleculares (MLGMs), [52] [53] siendo propuestos por primera vez utilizando quimiosensores fluorescentes basados en PET por de Silva y colaboradores en 1993. [54] Se ha logrado que las moléculas operen de acuerdo con el álgebra de Boole 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 realizar operaciones complejas y secuenciales.
Los quimiosensores se han incorporado a través de la funcionalización de la superficie 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 son sensibles no a una molécula específica sino a una clase de compuesto molecular; estos quimiosensores se utilizan en sensores basados en matrices (o micromatrices). Los sensores basados en matrices utilizan la unión de analitos por los receptores diferenciales. Un ejemplo es el análisis agrupado de varios ácidos tánicos que se acumulan en el whisky escocés envejecido en barriles de roble. Los resultados agrupados demostraron una correlación con la edad, pero los componentes individuales no. Se puede utilizar un receptor similar para analizar 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 súper resolución , entre otras.
El compuesto saxitoxina es una neurotoxina presente 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 corona del sensor mata su proceso PET hacia el fluoróforo y la fluorescencia pasa de estar desactivada a estar activa. [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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