분자센서

Molecular sensor
두 부분 간의 통신을 용이하게 하는 어떤 방법으로 서로 연결되는 신호 전달 계수와 인식 계정으로 구성된 화학 처리기의 도식적 표현.

분자센서(분자센서) 또는 케모센서(chemosensor)는 분자구조(유기체 또는 무기체 복합체)로, 검출 가능한 변화나 신호를 생성하기 위한 분석물질의 감지에 사용된다.[1][2][3][4] 분자 수준에서 발생하는 상호작용에 의존하는 화학 물질의 작용은 대개 용액, 공기, 혈액, 조직, 폐기물 배출물, 음용수 등과 같은 주어진 매트릭스에서 화학 종의 활동을 지속적으로 감시하는 것을 포함한다. 케모센서의 응용을 케모센싱(chemosensing)이라고 하는데, 이는 분자 인식의 한 형태다. 모든 화학 물질은 서로 직접 또는 어떤 종류의 커넥터나 스페이서를 통해 연결되는 신호 전달 모이티와 인식 모이티를 포함하도록 설계된다.[5][6][7] 신호 전달은 종종 광학적으로 기반한 전자기 방사선으로, 자외선과 눈에 보이는 흡수 또는 센서의 방출 특성에 변화를 일으킨다. 화학 반응기는 또한 전기 화학적으로 기반할 수 있다. 작은 분자 센서는 화학 반응기와 관련이 있다. 그러나 이것들은 전통적으로 구조적으로 단순한 분자로 간주되며 분석 화학에서 복잡한 이온을 위해 킬레이트 분자를 형성할 필요성을 반영한다. 케모센서는 바이오센서의 합성 유사체로 바이오센서가 항체, 압타머, 대형 바이오폴리머와 같은 생물학적 수용체를 통합한다는 차이점이 있다.

센서 구조에 사용되는 공통 모델 그림.

Chemosensors는 물질이나 에너지의 존재를 나타내는 합성 기원의 분자를 설명한다. 화학 반응기는 분석 기기의 유형으로 간주될 수 있다. 케모센서는 일상생활에서 사용되며 화학, 생화학, 면역학, 생리학 등 다양한 분야와 혈액샘플의 중환자실 분석 등 의학계 전반에 적용되어 왔다. 케모센서는 단일 분석 물질 또는 그러한 종의 혼합물을 용액에서 검출/사인하도록 설계될 수 있다.[4][8][9][10][11] 이는 단일 측정 또는 지속적인 모니터링을 통해 달성할 수 있다. 신호 전달 모이티는 신호 변환기의 역할을 하며, 정보(화학물질과 분석물질 사이의 인식 사건)를 명확하고 재현 가능한 방식으로 광학적 반응으로 변환한다.

가장 일반적으로, 변화(신호)는 전자기 스펙트럼의 다른 파장을 사용하는 흡수 또는 방출에서 보이는 광물성 등 화학 물질의 다양한 물리적 특성을 측정하여 관찰된다.[12][13] 따라서 대부분의 화학 물질은 색도(지반 상태) 또는 발광(배출 상태, 형광 또는 인광)으로 설명된다. 색도계 화학자는 흡수 강도와 파장 또는 치맛(원형 편광, CD 분광기 사용)과 같은 흡수 특성(자외선-가시 분광법을 사용하여 기록)에 변화를 일으킨다.[14]

Receptor for selectively binding heparine Receptor for selectively binding tannines

Receptor for selectively binding Saxitoxin

헤파린 바인딩 탄니산 결합 색시톡신 결합

이와는 대조적으로 발광성 화학반응기의 경우 형광 분광법을 사용하여 분석물질을 검출하면 형광 투과 또는 형광 투과계를 사용하여 기록되는 방출 스펙트럼의 변화가 발생한다.[15] 그러한 변화는 또한 흥분 상태 수명, 형광의 양자 수율, 화학 반응기의 편광 등과 같은 다른 흥분 상태 특성에서도 발생할 수 있다. 형광 검출은 대부분의 형광 분광기로 낮은 농도(약 10~6M 이하)에서 달성할 수 있다. 이것은 광섬유 시스템 내에서 직접 센서를 사용할 수 있는 이점을 제공한다. 화학 반응기 사용의 예는 환경 샘플뿐만 아니라 혈액 함량, 약물 농도 등을 감시하는 것이다. 이온과 분자는 생물학적, 화학적 과정에 관여하는 생물학적, 환경적 시스템에서 풍부하게 발생한다.[16] 분자화학물질을 분석물질로 개발하는 것은 중소·중견기업은 물론 제약·화학 대기업이 참여하는 연간 수십조 달러 규모의 사업이다.

Left : 구리가온 인식시 pH 7.4 용액의 색도계 아조벤젠 기반 화학센서 1에서 관찰된 변화 예 인식/감지 이벤트는 육안으로 볼 수 있는 명확한 색상 변화로 전달된다. Right: Cu(II)(파란색으로 표시) 및 자유 센서(녹색으로 표시)에 대한 인식/바인딩 시 화학 물질의 UV 가시 흡수 스펙트럼의 해당 변화 EDTA를 추가한 후의 변화는 원래의 스펙트럼을 형성한다(빨간색으로 표시).

Chemosensor는 처음에 게스트의 존재를 관찰할 수 있도록 어떤 형태의 리포터와 분자 인식의 조합을 설명하기 위해 사용되었다(위의 분석 물질이라고도 함).[17] 케모센서는 신호 전달 모이티와 분자 인식 모이티(결합 부위 또는 수용체라고도 함)를 포함하도록 설계되었다. 이 두 구성 요소를 결합하면 통합, 비틀기 또는 간격과 같은 여러 가지 방법으로 달성할 수 있다. 케모센서는 분자 인식에 의존하는 초분자 화학의 분야 내에서 분자 진단 영역의 주요 구성요소로 간주된다. 초분자 화학의 관점에서, 화학적 감각은 호스트 사이트(센서)에 게스트(분석 물질)의 존재가 실시간으로 모니터링할 수 있는 인식 이벤트(예: 감지)를 발생시키는 호스트-게스트 화학의 예다. 이를 위해서는 수소 본딩, 쌍극자 및 정전기 상호작용, 솔보포비아 효과, 금속 킬레이트 등과 같은 모든 종류의 결합 상호작용을 사용하여 분석물질을 수용체에 결합시켜야 한다. 인식/결합 모이티는 리간드 위상, 대상의 특성(이온 반지름, 분자의 크기, 치랄성, 전하, 조정 번호 및 경도 등) 및 용제의 성질(pH, 이온 강도, 극성)에 따라 게스트/아닐리테의 선택성과 효율적인 결합을 담당한다. 케모센서는 일반적으로 대상 종과 가역적으로 상호작용할 수 있도록 개발되는데, 이는 지속적인 모니터링을 위한 전제 조건이다.

경쟁적 수용성 매체에서 음이온 모니터링(인산염)을 위해 개발된 형광 화학 반응기의 첫 번째 예 중 하나이다. 케모센서는 '무료' 형태 A에서 유화성이 없지만, 폴리아민 수용체 모이에 의한 인산염의 인식(정전기 및 수소 본딩 상호작용의 혼합을 통해)에 의해 형광 방출이 점차 강화되어 결국 고형광(호스트:게스트) 구조 C가 형성된다.

광신호 방식(형광 등)은 민감하고 선택적이며, 실시간 대응, 국소 관측을 위한 플랫폼을 제공한다. 화학 반응기는 표적화(즉, 특정 종을 인식하고 결합할 수 있음)와 다양한 농도 범위에 민감하도록 설계되어 있으므로 세포 수준에서 실시간 사건을 관찰하는 데 사용할 수 있다. 각 분자는 선택적으로 측정할 수 있는 신호/판독을 발생시킬 수 있기 때문에 화학 반응기는 종종 비침습적이라고 하며, 결과적으로 살아있는 세포와 같은 생물학적 물질 내에서 그들의 적용에 상당한 관심을 끌었다. Ca(II), Zn(II), Cu(II) 및 기타 생리학적으로 중요한 양이온과[18] 음이온과 [19]생체 분자뿐만 아니라 세포 내의 이온 유동 농도와 운송을 모니터링하는 것을 포함하여 세포 기능과 특성을 관찰하기 위해 많은 화학 반응기의 예가 개발되었다.[20][21]

금속 양이온과[22] 음이온과[23][24] 같은 적절한 손님들의 선택적 인식을 위한 리간드의 디자인은 초분자 화학의 중요한 목표가 되어왔다. 분자형 분석화학이라는 용어는 최근 분자 센서가 분석화학에 적용된 것을 기술하기 위해 만들어졌다.[25] 작은 분자 센서는 화학 반응기와 관련이 있다. 그러나 이것들은 전통적으로 구조적으로 단순한 분자로 간주되며 분석 화학에서 복잡한 이온을 위해 킬레이트 분자를 형성할 필요성을 반영한다.

역사

케모센서가 처음 1980년대에 정의되었지만, 그러한 형광 화학자의 첫 번째 예는 1867년에 형광 리간드/셸을 사용하여 알루미늄 이온의 결정/감지 방법을 개발한 프리드리히 고펠로더의 것으로 문서화할 수 있다. 이 작품과 그 후의 다른 작품들은 현대 분석 화학으로 간주되는 것을 낳았다.

1980년대에는 앤서니 W. 체르니크,[26][27][28] A. 프라산나 데 실바[29][30][31], 로저 티엔에 의해 화학적 기능의 발달이 이루어졌는데,[32][33][34] 그는 용액과 생물학적 세포 내에서 실시간으로 이온과 분자에 대한 다양한 유형의 발광 탐침을 개발했다. Tsien은 2008년 노벨 화학상을 받은 녹색 형광 단백질(GFP)과 같은 생물학적 응용을 위한 형광 단백질을 개발하고 연구함으로써 이 분야의 연구를 더욱 발전시키고 발전시켰다. 1970년대 후반 린 수사의 연구는 알칼리 금속 이온 검출에 관한 것으로, 형광 감지 설계에 초분자 화학 사용의 첫 사례 중 하나일 가능성이 있으며, J.-[35]M도 이에 해당할 수 있다. 렌, H. Bouas-Laurent 그리고 프랑스 보르도 1세의 동료들.[36] 전이 금속 이온의 PET 센싱 개발은 L. Fabbrizi가 개발했다.[37]

케모센싱에서 공밸런트 스페이서를 통해 수용체에 연결된 플루오포어의 사용은 이제 일반적으로 플루오포레스 스페이서-수용체 원리로 언급된다. 그러한 시스템에서 감지 이벤트는 일반적으로 킬레이트 유도 형광증강(CHEF)[26][27][28] 및 광 유도 전자 전달([29][30][31]PET) 메커니즘에 의한 화학센서 시스템의 광물 물리학 특성 변화에 기인한다고 설명된다. 원칙적으로 이 두 메커니즘은 같은 생각에 기초한다; 통신 경로는 전자 풍부한 수용체로부터 전자 결핍 불소포체(우주공간을 통해)로 전자를 통과하는 전자의 형태다. 이로 인해 형광 투과(활성 전자 전달)가 발생하며, 분석 물질이 없는 경우 두 메커니즘에 대해 화학 반응기의 방출은 '전환'된다. 그러나 분석물질과 수용체 사이에 숙주-게스트 콤플렉스를 형성하면 통신 경로가 깨지고 불소포체로부터의 형광 방출이 강화되거나 '전환'된다. 즉, 형광 강도 및 양자 수율은 분석 물질 인식 시 향상된다.

Left: 완충 용액에서 아연 이온을 인식하면 방출이 강화되거나 '전환'되는 아연용 케모센서의 형광 방출 스펙트럼의 변화 예 오른쪽: Zn(II): Zn(II)이 추가되었을 때 발광 방출의 현저한 차이를 나타내는 UV 램프 아래의 변화: Zn(II) 바로 앞에 있는 좌측 밸브(자유 화학 반응기)

플루오포레스-수용기는 또한 화학 반응기 내에 통합될 수 있다. 이는 방출 파장의 변화로 이어지며, 종종 색상의 변화를 초래한다. 감지 이벤트가 육안으로 볼 수 있는 신호가 형성되는 경우, 그러한 센서는 일반적으로 색도계라고 한다. 불소와 같은 이온에 대한 색도계 화학반응기의 많은 예가 개발되었다.[38] pH 표시기는 양성자의 색도계 화학반응기로 간주할 수 있다. 그러한 센서는 음이온과 단백질과 탄수화물과 같은 더 큰 유기 및 생물학적 분자를 위해 개발되었다.[39]

설계원리

케모센서는 나노 크기의 분자로, 체내 적용을 위해서는 독성이 없어야 한다. 화학 분석기는 분석 물질 인식에 직접 반응하여 측정 가능한 신호를 제공할 수 있어야 한다. 따라서, 신호 반응은 감지 사건의 크기(그리고 다시 분석 물질의 농도)와 직접적인 관련이 있다. 신호 전달 모이가 신호 변환기의 역할을 하는 동안, 인식 이벤트를 광학적 응답으로 변환한다. 인식 계수는 선택적이고 가역 가능한 방식으로 분석 물질에 구속력을 부여할 책임이 있다. 결합 부위가 '불가역 화학 반응'인 경우, 표시기는 형광 화학 측정기 또는 형광 탐침으로 설명된다.

센서가 작동하려면 두 개의 모이에티 사이에 활성 통신 경로가 열려 있어야 한다. 색도계 화학 반응기에서 이것은 구조적으로 통합되는 수용체와 변환기에 의존한다. 발광/형광 화학 작용에서 이 두 부분은 '공간'을 벗어나거나 공밸런트 스페이서와 연결될 수 있다. 통신 경로는 그러한 형광 화학 반응기의 전자 전달 또는 에너지 전달을 통해 이루어진다. 수용체 add 사이의 호스트-게스트 인식의 효과는 수용체 moiety의 설계를 포함한 여러 요인에 따라 달라지는데, 이는 대상 분석체의 구조적 성질의 특성 및 감지 사건이 발생하는 환경의 특성(예: o형)과 일치시키는 것이 목적이다.f 매체, 즉 생물 검체의 혈액, 침, 소변 등). 이 접근방식의 확장은 분자 비콘의 개발로, FRET(Förster Community Energy Transfer) 메커니즘의 사용을 통한 발광의 향상 또는 감소를 통해 인식 또는 감지 사건이 전달되는 형광 신호 전달에 기초한 올리고뉴클레오티드 하이브리드화 프로브다.

형광케모센싱

모든 화학요소는 신호 전달 계수와 인식 계수를 포함하도록 설계된다. 이것들은 신호 전달 사건에 관련된 메커니즘에 따라 직접 통합되거나 짧은 공밸런트 스페이서와 연결된다. 화학 반응기는 센서와 분석 물질의 자체 조립에 기초할 수 있다. 그러한 설계의 예로는 (indicator) 변위 측정 IDA가 있다.[40] 구연산염이나 인산염 이온과 같은 음이온을 위한 IDA 센서가 개발되어 이온들이 표시기 호스트 콤플렉스에서 형광등을 대체할 수 있다.[5] 이른바 UT 맛 칩(University of Texas)은 전자 혓바닥의 원형이며 실리콘 웨이퍼와 고정 수용체 분자를 기반으로 한 충전결합 장치와 초분자 화학이 결합되어 있다.

알칼리 금속 이온(Li+, Na+, K+ 등)과 알칼리 접지 금속 이온(Mg2+, Ca2+ 등) 등 이온에 대한 화학센서의 대부분은 센서가 이들 이온에 복잡하지 않을 때 전자의 전달에 의해 흥분 상태가 가라앉도록 설계되어 있다. 따라서 방출이 관찰되지 않으며, 센서를 '스위칭 꺼짐'이라고도 한다. cation으로 센서를 복잡하게 만들어 전자전달 조건을 바꿔 quenching 과정이 막히도록 하고 형광 방출은 'switch on'으로 한다. PET의 확률은 시스템의 전체 자유 에너지(Gibbs 자유 에너지 ΔG)에 의해 좌우된다. PET의 추진력은 ΔGET로 나타내며, 전자 전달을 위한 자유 에너지의 전반적인 변화는 렘-웰러 방정식을 사용하여 추정할 수 있다.[41] 전자 전달은 거리에 따라 달라지며 스페이서 길이가 증가함에 따라 감소한다. 충전되지 않은 종들 간의 전자전달에 의한 침전은 급진적인 이온쌍의 형성을 이끈다. 이것을 일차 전자전달이라고 부르기도 한다. PET 이후 발생하는 가능한 전자전달을 '2차 전자전송'이라고 한다. CHEQ(Chiltation Enhancement Quenching)는 CHEQ에게 나타나는 정반대의 효과다.[42] CEQ에서는 호스트-게스트 형성 시 원래 '무료' 센서에 대해 보았던 것과 비교하여 화학 물질의 형광 방출에서 감소가 관찰된다. 전자전달은 방향성이기 때문에, 그러한 시스템은 또한 PET 원리에 의해서도 설명되어 왔으며, 수용체로부터 불소포레로의 PET의 강화로 설명되어 quenching의 정도가 강화되었다. 이러한 효과는 카르복실산염과 불소와 같은 음이온의 감지에 대해 입증되었다.[43]

화학요법의 많은 예들이 물리, 생명, 환경과학 분야의 과학자들에 의해 개발되었다. 형광 방출이 인식 이벤트에서 '꺼짐'으로부터 '켜짐'되어 화학센서를 '밤의 비콘'과 비교할 수 있는 이점은 다음과 같다. 공정이 가역적이기 때문에 배출량 향상은 농도에 따라 달라지며, 고농도(완전 결합 수용체)에서만 '포화'된다. 따라서 발광(강도, 양자 수율 및 일부의 경우 수명)과 분석 물질 농도 사이에 상관관계가 형성될 수 있다. 통신 경로의 특성에 대한 신중한 설계와 평가를 통해, 'ON-OFF' 스위치, 또는 'ON-OFF' 스위치, 또는 'OFF' 스위치의 사용에 기초한 유사한 센서가 설계되었다. 양자점, 나노입자, 또는 중합체 등의 표면에 화학센서를 접목하는 것도 급속도로 성장하는 연구 분야다.[44][45][46] chemosensors의 줄이거나 또는 해제 등에 형광 배기 가스 교환의 원칙에 근무한 다른 예로는, 펠스 터 공명 에너지 전달(FRET), 내부 전하 이동(정보 통신 기술), 뒤틀린 내부 전하 이동(TICT),metal-based 방출(그런lanthanide 발광에)[47][48]과 excimer과exciplex 방출 및 aggregation-.유도 배출(AIE).[49][50] 케모센서는 외부 자극의 사용을 통해 'ON' 또는 'OFF' 상태를 전환시킬 수 있는 분자의 첫 번째 예 중 하나였으며, 따라서 합성 분자 기계로 분류될 수 있으며, 2016년에 노벨 화학상이 장 피에르 사우바게, 프레이저 스토다트, 베르나르 L에게 수여되었다. 페링가.

이러한 동일한 설계 원리를 케모센싱에 적용함으로써 분자 논리 관문 모사(MLGM)를 개발할 수 있는 기반을 마련하였고,[51][52] 1993년 드 실바와 동료들이 PET 기반 형광 화학 원리를 사용하여 처음 제안하였다.[53] 분자는 하나 이상의 물리적 또는 화학적 입력에 기초하여 논리적 연산을 수행하는 부울 대수학에 따라 작동하도록 만들어졌다. 이 분야는 단일 화학적 입력에 기초한 단순한 논리 시스템의 개발에서 복잡하고 순차적인 연산을 수행할 수 있는 분자로 발전했다.

Chemosensor의 응용

혈액 샘플의 중요 치료 분석에 중요한 다양한 이온과 분자를 감지하기 위해 개발된 POTI 임계 치료 분석기. 이런 종류의 분석기는 전 세계 구급차와 병원에서 사용된다. 이 시스템은 형광 특성에서 변조를 통해 다양한 화학 반응기의 변화를 모니터링하는 것을 기반으로 한다.

케모센서는 표면 기능화를 통해 금속 기반 나노입자, 양자점, 탄소 기반 입자와 같은 입자와 비드에, 다양한 용도를 용이하게 하기 위해 폴리머와 같은 부드러운 소재에 통합되었다.

다른 수용체들은 특정 분자가 아닌 분자 화합물 등급에 민감하며, 이러한 화학 반응기는 배열-또는 마이크로 어레이 기반 센서에 사용된다. 배열 기반 센서는 미분 수용체에 의한 분석물질 결합을 이용한다. 한 예로 참나무 통에 들어있는 스카치 위스키를 숙성시켜 축적하는 몇몇 탄니산에 대한 그룹 분석을 들 수 있다. 그룹화된 결과는 나이와의 상관관계를 증명했지만 개별 구성요소는 그렇지 않았다. 와인의 타르트레이트 분석에 비슷한 수용체를 사용할 수 있다.

현재 대부분의 생물학적 과정이 콘포칼로리 형광학, 초해상도 현미경 등의 영상 기술을 사용하여 모니터링되고 있기 때문에 세포 영상에서의 화학센서 적용은 특히 유망하다.

concocal 형광 현미경을 사용하여 효소 활동을 모니터링하기 위한 형광 화학 물질/프로브. a) 탐침이 발광하지 않고 세포로 전달되지 않는다. b)설탕 단위는 글리코시다아제로 인식되며, 글리코시다아제는 이를 분해하여 화학물질을 세포로 방출한다.

색소독소 화합물은 조개류와 화학무기에서 발견되는 신경독소다. 이 화합물에 대한 실험 센서는 다시 PET를 기반으로 한다. 색소판신과 센서의 크라운 에테르 매이티와의 상호작용은 불소포를 향한 PET 공정을 죽이며 형광은 꺼짐에서 켜짐으로 전환된다.[4] 특이한 붕소 혼합물은 전자기 스펙트럼의 가시광선 부분에서 형광 현상이 일어나도록 한다.

참고 항목

참조

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