分子传感器

分子传感器或化学传感器是一种分子结构（有机或无机复合物），用于感测分析物以产生可检测的变化或信号。化学传感器的作用依赖于在分子水平上发生的相互作用，通常涉及连续监测给定基质（如溶液、空气、血液、组织、废水、饮用水等）中化学物质的活性。化学传感器的应用被称为化学传感，它是一种分子识别形式。所有化学传感器都被设计成包含一个信号部分和一个识别部分，它们要么直接相互连接，要么通过某种连接器或间隔物连接。信号通常是基于光学的电磁辐射，引起传感器的紫外线和可见光吸收或发射特性中的一个（或两者）发生变化。化学传感器也可以是基于电化学的。小分子传感器与化学传感器有关。然而，这些传统上被认为是结构简单的分子，反映了在分析化学中形成螯合分子以络合离子的需要。化学传感器是生物传感器的合成类似物，不同之处在于生物传感器结合了生物受体，例如抗体、适体或大型生物聚合物。被认为是结构简单的分子，反映了在分析化学中需要形成螯合分子来络合离子。化学传感器是生物传感器的合成类似物，不同之处在于生物传感器结合了生物受体，例如抗体、适体或大型生物聚合物。被认为是结构简单的分子，反映了在分析化学中需要形成螯合分子来络合离子。化学传感器是生物传感器的合成类似物，不同之处在于生物传感器结合了生物受体，例如抗体、适体或大型生物聚合物。化学传感器描述了发出物质或能量存在信号的合成来源的分子。化学传感器可以被认为是一种分析装置。化学传感器用于日常生活，并已应用于各种领域，例如化学、生物化学、免疫学、生理学等，以及一般医学领域，例如血液样本的重症监护分析。化学传感器可以设计为检测/发出信号以检测溶液中的单一分析物或此类物质的混合物。这可以通过单一测量或通过使用连续监测来实现。信号部分充当信号转换器，以清晰且可重复的方式将信息（化学传感器和分析物之间的识别事件）转换为光学响应。最常见的是，通过测量化学传感器的各种物理特性来观察变化（信号），例如在吸收或发射中看到的光物理特性，其中使用了不同波长的电磁光谱。因此，大多数化学传感器被描述为比色（基态）或发光（激发态、荧光或磷光）。比色化学传感器会引起其吸收特性的变化（使用紫外-可见光谱记录），例如吸收强度和波长或手性（使用圆偏振光和CD光谱）。相反，在发光化学传感器的情况下，使用荧光光谱法检测分析物会导致荧光激发或发射光谱中的光谱变化，这些变化使用荧光计记录。这种变化也可以发生在其他激发态特性中，例如化学传感器的激发态寿命、荧光的量子产率和极化等。大多数荧光光谱仪可以在低浓度（低于~10-6M）下实现荧光检测。这提供了直接在光纤系统中使用传感器的优势。使用化学传感器的例子是监测血液含量、药物浓度等，以及在环境样本中。离子和分子大量存在于生物和环境系统中，它们参与/影响生物和化学过程。开发分子化学传感器作为此类分析物的探针是一项每年数十亿美元的业务，涉及小型中小企业以及大型制药和化学公司。化学传感器首先用于描述分子识别与某种形式的报告分子的结合，因此可以观察到客体的存在（也称为分析物，参见上文）。化学传感器被设计成包含一个信号部分和一个分子识别部分（也称为结合位点或受体）。可以通过多种方式将这两个组件结合起来，例如集成、扭曲或间隔。化学传感器被认为是分子诊断领域的主要组成部分，属于超分子化学学科，依赖于分子识别。在超分子化学方面，化学传感是主客体化学的一个例子，其中客体（分析物）在宿主位点（传感器）的存在引起识别事件（例如感），可以实时监控。这需要使用各种结合相互作用，例如氢键、偶极和静电相互作用、疏溶剂效应、金属螯合等，将分析物与受体结合。识别/结合部分负责选择性和有效结合客体/分析物，取决于配体拓扑结构、目标的特性（离子半径、分子大小、手性、电荷、配位数和硬度等）和溶剂的性质（pH、离子强度、极性）。化学传感器通常被开发为能够以可逆方式与目标物质相互作用，这是持续监测的先决条件。使用各种结合相互作用，如氢键、偶极和静电相互作用、疏溶剂效应、金属螯合等。识别/结合部分负责客体/分析物的选择性和有效结合，这取决于配体拓扑结构、特性目标的性质（离子半径、分子大小、手性、电荷、配位数和硬度等）和溶剂的性质（pH、离子强度、极性）。化学传感器通常被开发为能够以可逆方式与目标物质相互作用，这是持续监测的先决条件。使用各种结合相互作用，如氢键、偶极和静电相互作用、疏溶剂效应、金属螯合等。识别/结合部分负责客体/分析物的选择性和有效结合，这取决于配体拓扑结构、特性目标的性质（离子半径、分子大小、手性、电荷、配位数和硬度等）和溶剂的性质（pH、离子强度、极性）。化学传感器通常被开发为能够以可逆方式与目标物质相互作用，这是持续监测的先决条件。目标的特性（离子半径、分子大小、手性、电荷、配位数和硬度等）和溶剂的性质（pH、离子强度、极性）。化学传感器通常被开发为能够以可逆方式与目标物质相互作用，这是持续监测的先决条件。目标的特性（离子半径、分子大小、手性、电荷、配位数和硬度等）和溶剂的性质（pH、离子强度、极性）。化学传感器通常被开发为能够以可逆方式与目标物质相互作用，这是持续监测的先决条件。光学信号方法（如荧光）具有灵敏性和选择性，为实时响应和局部观察提供了平台。由于化学传感器被设计为既可以靶向（即可以识别和结合特定物种）又对各种浓度范围敏感，因此它们可以用于在细胞水平上观察实时事件。由于每个分子都可以产生可以选择性测量的信号/读数，因此化学传感器通常被认为是非侵入性的，因此它们在生物物质（例如活细胞）中的应用引起了人们的极大关注。已经开发了许多用于观察细胞功能和特性的化学传感器示例，包括监测离子通量浓度和细胞内的转运，例如Ca(II)、Zn(II)、设计用于选择性识别合适客体（如金属阳离子和阴离子）的配体一直是超分子化学的一个重要目标。最近创造了超分子分析化学一词来描述分子传感器在分析化学中的应用。小分子传感器与化学传感器有关。然而，这些传统上被认为是结构简单的分子，反映了在分析化学中形成螯合分子以络合离子的需要。

虽然化学传感器在1980年代首次定义，但这种荧光化学传感器的xxx个例子可以证明是FriedrichGoppelsroder的例子，他在1867年开发了一种使用荧光配体/螯合物测定/传感铝离子的方法。这项工作以及其他人的后续工作催生了被认为是现代分析化学的东西。在1980年代，化学传感的发展是由AnthonyW.Czarnik、A.PrasannadeSilva和RogerTsien实现的，他们开发了各种类型的发光探针，用于检测溶液中和生物细胞内的离子和分子，用于实时应用。通过开发和研究用于生物学应用的荧光蛋白，Tsien继续研究和发展这一研究领域，例如绿色荧光蛋白(GFP)，他因此获得了2008年的诺贝尔化学奖。LynnSousa在1970年代后期，关于碱金属离子的检测，可能是在荧光传感设计中使用超分子化学的xxx个例子，以及J.-M.Lehn,H.Bouas-Laurent和法国波尔多xxx大学的同事。在化学传感中，使用通过共价间隔物连接到受体的荧光团现在通常被称为荧光团-间隔物-受体原理。在这样的系统中，传感事件通常被描述为由于螯合诱导增强荧光(CHEF)和光诱导电子转移(PET)机制引起的化学传感器系统的光物理性质的变化。原则上，这两种机制基于相同的思想；通讯途径是从富电子受体到缺电子荧光团的空间电子转移（通过空间）。这导致荧光猝灭（主动电子转移），并且在没有分析物的情况下，这两种机制的化学传感器的发射都“关闭”。然而，在分析物和受体之间形成主客体复合物后，通讯途径被破坏，荧光团的荧光发射增强或“开启”。换言之，荧光强度和量子产率在分析物识别时得到增强。荧光团受体也可以集成在化学传感器中。这会导致发射波长的变化，这通常会导致颜色的变化。当传感事件导致形成肉眼可见的信号时，这种传感器通常称为比色传感器。已经开发了许多用于离子（例如氟化物）的比色化学传感器的例子。pH指示剂可被视为质子的比色化学传感器。此类传感器已针对其他阳离子以及阴离子和更大的有机和生物分子（例如蛋白质和碳水化合物）开发。

化学传感器是纳米级分子，用于体内应用需要是无毒的。化学传感器必须能够提供可测量的信号以直接响应分析物识别。因此，信号响应与传感事件的大小（以及分析物的浓度）直接相关。而信号部分充当信号传感器，将识别事件转换为光学响应。识别部分负责以选择性和可逆的方式与分析物结合。如果结合位点是“不可逆的化学反应”，则指示剂被描述为荧光化学剂量计或荧光探针。必须在两个部分之间打开主动通信路径才能使传感器工作。在比色化学传感器中，这通常依赖于受体和传感器的结构整合。在发光/荧光化学传感中，这两个部分可以“隔开”或与共价间隔物连接。这种荧光化学传感器的通讯途径是通过电子转移或能量转移。受体和分析物之间的主客体识别的有效性取决于几个因素，包括受体部分的设计，其目标是尽可能匹配目标分析物的结构性质的性质，以及感测事件发生的环境的性质（例如介质的类型，即生物样本中的血液、唾液、尿液等）。

所有化学传感器都设计为包含一个信号部分和一个识别部分。根据信号事件中涉及的机制，它们直接集成或与短的共价间隔物连接。化学传感器可以基于传感器和分析物的自组装。这种设计的一个例子是（指标）置换分析IDA。已经开发了用于诸如柠檬酸根或磷酸根离子等阴离子的IDA传感器，这些离子可以取代指示剂-宿主复合物中的荧光指示剂。所谓的UT味觉芯片（德克萨斯大学）是一种原型电子舌头，将超分子化学与基于硅片和固定受体分子的电荷耦合器件相结合。大多数离子化学传感器的例子，例如碱金属离子（Li+、Na+、K+等）和碱土金属离子（Mg2+、Ca2+等）的化学传感器，其设计目的是使荧光基团成分的激发态处于激发态。当传感器未与这些离子络合时，化学传感器会因电子转移而猝灭。因此没有观察到发射，传感器有时被称为“关闭”。通过将传感器与阳离子复合，改变电子转移的条件，从而阻断淬灭过程，并“开启”荧光发射。PET的概率由系统的总自由能（吉布斯自由能ΔG）决定。PET的驱动力由ΔGET表示，可以使用Rehm-Weller方程估计电子转移的自由能的整体变化。电子转移与距离有关，并随着间隔物长度的增加而减少。通过不带电物质之间的电子转移猝灭导致自由基离子对的形成。这有时被称为初级电子转移。在PET之后发生的可能的电子转移称为“二次电子转移”。螯合增强淬灭(CHEQ)与CHEF的效果相反。在CHEQ中，观察到化学传感器的荧光发射与最初在主客体形成时看到的“自由”传感器相比有所减少。由于电子转移是定向的，因此此类系统也已通过PET原理进行了描述，被描述为从受体到荧光团的PET增强，淬灭程度增强。这种效应已被证明可用于检测羧酸盐和氟化物等阴离子。物理、生命和环境科学领域的科学家已经开发了大量的化学传感器示例。在识别事件时荧光发射从“关闭”“打开”的优势使化学传感器能够与“夜间信标”进行比较。由于该过程是可逆的，因此发射增强取决于浓度，仅在高浓度（完全结合的受体）下变得“饱和”。因此，可以在发光（强度、量子产率和某些情况下的寿命）和分析物浓度之间建立关联。通过仔细设计和评估通信路径的性质，已经设计出基于使用“开-关”切换或“开-关-开”或“关-开-关”开关的类似传感器。将化学传感器结合到表面（例如量子点、纳米颗粒）或聚合物中也是一个快速发展的研究领域。

根据打开或关闭荧光发射原理工作的化学传感器的其他示例包括Förster共振能量转移(FRET)、内部电荷转移(ICT)、扭曲内部电荷转移(TICT)、基于金属的发射（例如镧系元素发光），以及准分子和受激基复合物发射和聚集诱导发射（AIE）。化学传感器是可以通过使用外部刺激在“开”或“关”状态之间切换的分子的xxx个例子，因此可以归类为合成分子机器，诺贝尔化学奖被授予2016年，Jean-PierreSauvage、FraserStoddart和BernardL.化学传感中使用的这些相同设计原则的应用也为分子逻辑门模拟(MLGM)的开发铺平了道路，由deSilva及其同事在1993年首次提出使用基于PET的荧光化学传感器。分子已被用于操作根据布尔代数，它基于一个或多个物理或化学输入执行逻辑运算。该领域已经从基于单一化学输入的简单逻辑系统的开发发展到能够执行复杂和连续操作的分子。

化学传感器已通过表面功能化结合到颗粒和珠子（例如金属基纳米颗粒、量子点、碳基颗粒）以及软材料（例如聚合物）上，以促进它们的各种应用。其他受体对特定分子不敏感，但对分子化合物类别敏感，这些化学传感器用于基于阵列（或微阵列）的传感器。基于阵列的传感器利用差异受体结合的分析物。一个例子是对橡木桶中陈年苏格兰威士忌中积累的几种单宁酸进行分组分析。分组结果显示与年龄相关，但个别成分没有。类似的受体可用于分析葡萄酒中的酒石酸盐。化学传感器在细胞成像中的应用特别有前途，因为现在大多数生物过程都通过使用共焦荧光和超分辨率显微镜等成像技术进行监测。复合石房蛤毒素是一种在贝类中发现的神经毒素，也是一种化学武器。这种化合物的实验传感器再次基于PET。石房蛤毒素与传感器的冠醚部分的相互作用杀死了其向荧光团的PET过程，并且荧光从关闭切换到开启。不寻常的硼部分确保荧光发生在电磁光谱的可见光部分。