เซนเซอร์ระดับโมเลกุลหรือเคโมเซนเซอร์คือโครงสร้างระดับโมเลกุล (สารประกอบอินทรีย์หรืออนินทรีย์) ที่ใช้สำหรับการตรวจจับสารวิเคราะห์เพื่อสร้างการเปลี่ยนแปลงหรือสัญญาณ ที่ตรวจ จับ ได้ ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]}การทำงานของเคโมเซนเซอร์อาศัยปฏิสัมพันธ์ที่เกิดขึ้นในระดับโมเลกุล และโดยปกติจะเกี่ยวข้องกับการตรวจสอบกิจกรรมของสารเคมีในเมทริกซ์ที่กำหนดอย่างต่อเนื่อง เช่น สารละลาย อากาศ เลือด เนื้อเยื่อ น้ำเสีย น้ำดื่ม เป็นต้น การประยุกต์ใช้เคโมเซนเซอร์เรียกว่าเคโมเซนเซอร์ ซึ่งเป็นรูปแบบหนึ่งของการจดจำระดับโมเลกุลเคโมเซนเซอร์ทั้งหมดได้รับการออกแบบให้มีส่วนประกอบส่งสัญญาณและส่วนประกอบจดจำซึ่งเชื่อมต่อกันโดยตรงหรือผ่านตัวเชื่อมต่อหรือตัวเว้นระยะบางชนิด^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]}การส่งสัญญาณมักจะใช้รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า แบบออปติคอล ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในการ ดูดซับ หรือการปล่อยรังสี อัลตราไวโอเลตและ แสง ที่มองเห็นได้ (หรือทั้งสองอย่าง) ของเซนเซอร์ เซนเซอร์เคมีอาจใช้หลักการทางเคมีไฟฟ้าได้เช่นกันเซนเซอร์โมเลกุลขนาดเล็กมีความเกี่ยวข้องกับเซนเซอร์เคมี อย่างไรก็ตาม โดยทั่วไปแล้วเซนเซอร์เหล่านี้ถือว่าเป็นโมเลกุลที่มีโครงสร้างเรียบง่าย และสะท้อนถึงความจำเป็นในการสร้าง โมเลกุล คีเลตสำหรับไอออน เชิงซ้อน ในเคมีวิเคราะห์เซนเซอร์เคมีเป็นอะนาล็อกสังเคราะห์ของไบโอเซนเซอร์ความแตกต่างคือไบโอเซนเซอร์ประกอบด้วยตัวรับทางชีวภาพ เช่น แอนติบอดี แอพทาเมอร์ หรือไบโอพอลิเมอร์ขนาดใหญ่

เคโมเซนเซอร์หมายถึงโมเลกุลที่สังเคราะห์ขึ้นซึ่งส่งสัญญาณถึงการมีอยู่ของสสารหรือพลังงาน เคโมเซนเซอร์สามารถพิจารณาได้ว่าเป็น อุปกรณ์ วิเคราะห์ ชนิด หนึ่ง เคโมเซนเซอร์ถูกนำมาใช้ในชีวิตประจำวันและนำไปประยุกต์ใช้ในหลากหลายสาขา เช่น เคมี ชีวเคมี ภูมิคุ้มกันวิทยา สรีรวิทยา ฯลฯ และในทางการแพทย์โดยทั่วไป เช่น การวิเคราะห์ตัวอย่างเลือดในภาวะวิกฤต เคโมเซนเซอร์สามารถออกแบบมาเพื่อตรวจจับ/ส่งสัญญาณสารวิเคราะห์ชนิดเดียวหรือสารผสมหลายชนิดในสารละลาย^{[ 4 ​​] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]}ซึ่งสามารถทำได้โดยการวัดเพียงครั้งเดียวหรือโดยการตรวจสอบอย่างต่อเนื่อง ส่วนประกอบที่ส่งสัญญาณทำหน้าที่เป็นตัวแปลงสัญญาณโดยแปลงข้อมูล (เหตุการณ์การรับรู้ระหว่างเคโมเซนเซอร์และสารวิเคราะห์) ให้เป็นการตอบสนองทางแสงในลักษณะที่ชัดเจนและทำซ้ำได้

โดยทั่วไป การเปลี่ยนแปลง (สัญญาณ) จะถูกสังเกตโดยการวัดคุณสมบัติทางกายภาพต่างๆ ของเคโมเซนเซอร์ เช่น คุณสมบัติทางโฟโตฟิสิกส์ที่เห็นได้จากการดูดกลืนหรือการปล่อยแสง โดย ใช้ความยาวคลื่นต่างๆ ของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า^{[ 12 ] [ 13 ]}ด้วยเหตุนี้ เคโมเซนเซอร์ส่วนใหญ่จึงถูกอธิบายว่าเป็นแบบวัดสี ( สถานะพื้นฐาน ) หรือแบบเรืองแสง ( สถานะกระตุ้น เรือง แสงหรือฟอสฟอเรสเซนต์ ) เคโมเซนเซอร์แบบวัดสีทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในคุณสมบัติการดูดกลืนแสง (บันทึกโดยใช้สเปกโทรสโกปีอัลตราไวโอเลต-วิ สิเบิล ) เช่น ความเข้มของการดูดกลืนแสงและความยาวคลื่น หรือไครัลลิตี้ (โดยใช้แสงโพลาไรซ์แบบวงกลมและสเปกโทรสโกปี CD ) ^{[ 14 ]}

การจับกับเฮปาริน		การจับตัวของกรดแทนนิก		การจับกับ แซกซิทอกซิน

ในทางตรงกันข้าม ในกรณีของเคโมเซนเซอร์เรืองแสง การตรวจจับสารวิเคราะห์โดยใช้สเปกโทรสโกปีฟลูออเรสเซนซ์จะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงสเปกตรัมในสเปกตรัมการกระตุ้นฟลูออเรสเซนซ์หรือในสเปกตรัมการปล่อย ซึ่งบันทึกโดยใช้ฟลูออริมิเตอร์ [ ^{15 ] การ}เปลี่ยนแปลงดังกล่าวอาจเกิดขึ้นในคุณสมบัติสถานะกระตุ้นอื่นๆ เช่น อายุการใช้งานของสถานะกระตุ้นผลผลิตควอนตัมของฟลูออเรสเซนซ์ และโพลาไรเซชัน เป็นต้น ของเคโมเซนเซอร์ การตรวจจับฟลูออเรสเซนซ์สามารถทำได้ที่ความเข้มข้นต่ำ (ต่ำกว่า ~ 10-6 M) ด้วยสเปกโทรเมตรฟลูออเรสเซนซ์ส่วนใหญ่ ซึ่งมีข้อดีคือสามารถใช้เซนเซอร์ได้โดยตรงภายในระบบใยแก้วนำแสง ตัวอย่างการใช้เคโมเซนเซอร์ ได้แก่ การตรวจสอบปริมาณเลือด ความเข้มข้นของยา เป็นต้น รวมถึงในตัวอย่างสิ่งแวดล้อม ไอออนและโมเลกุลเกิดขึ้นมากมายในระบบชีวภาพและสิ่งแวดล้อม ซึ่งมีส่วนเกี่ยวข้อง/มีผลต่อกระบวนการทางชีวภาพและเคมี^{[ 16 ]}การพัฒนาเคมีเซนเซอร์ระดับโมเลกุลเพื่อใช้เป็นโพรบสำหรับสารวิเคราะห์ดังกล่าวถือเป็นธุรกิจมูลค่าหลายพันล้านดอลลาร์ต่อปี ซึ่งเกี่ยวข้องกับทั้ง SME ขนาดเล็กและบริษัทเภสัชกรรมและเคมีภัณฑ์ขนาดใหญ่

มีการใช้เคมีเซนเซอร์เป็นครั้งแรกเพื่ออธิบายการรวมกันของการจดจำโมเลกุลกับตัวรายงานบางรูปแบบ เพื่อให้สามารถสังเกตการมีอยู่ของแขก (เรียกอีกอย่างว่าสารวิเคราะห์ ดูข้างต้น) ^{[ 17 ]}เคมีเซนเซอร์ได้รับการออกแบบให้มีส่วนประกอบการส่งสัญญาณและส่วนประกอบการจดจำโมเลกุล (เรียกอีกอย่างว่าตำแหน่งการจับหรือตัวรับ) การรวมส่วนประกอบทั้งสองนี้สามารถทำได้หลายวิธี เช่น การรวมเข้าด้วยกัน การบิด หรือการเว้นระยะ เคมีเซนเซอร์ถือเป็นส่วนประกอบหลักของสาขาการวินิจฉัยโมเลกุลภายในสาขาเคมีเหนือโมเลกุลซึ่งอาศัยการจดจำโมเลกุลในแง่ของเคมีเหนือโมเลกุล การตรวจจับด้วยเคมีเป็นตัวอย่างของเคมีแบบโฮสต์-แขกโดยการมีอยู่ของแขก (สารวิเคราะห์) ที่ตำแหน่งโฮสต์ (เซนเซอร์) ทำให้เกิดเหตุการณ์การจดจำ (เช่น การตรวจจับ) ที่สามารถตรวจสอบได้แบบเรียลไทม์ กระบวนการนี้จำเป็นต้องมีการจับกันระหว่างสารวิเคราะห์กับตัวรับ โดยใช้ปฏิกิริยาการจับกันหลายรูปแบบ เช่นพันธะไฮโดรเจน ปฏิกิริยาไดโพลและไฟฟ้าสถิตผลกระทบจากตัวทำละลายที่ไม่ชอบน้ำ การคีเลตโลหะ เป็นต้น ส่วนประกอบที่ใช้ในการจดจำ/จับกันนั้นมีหน้าที่ในการเลือกจับและจับสารเป้าหมาย/สารวิเคราะห์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งขึ้นอยู่กับโครงสร้างของลิแกนด์ คุณลักษณะของเป้าหมาย (รัศมีไอออน ขนาดโมเลกุล ไครัลลิตี้ ประจุ เลขโคออร์ดิเนชันและความแข็ง เป็นต้น) และลักษณะของตัวทำละลาย (pH ความเข้มข้นของไอออนขั้ว) โดยปกติแล้วเคมีเซนเซอร์จะถูกพัฒนาขึ้นเพื่อให้สามารถโต้ตอบกับสารเป้าหมายได้ในลักษณะที่ย้อนกลับได้ ซึ่งเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการตรวจสอบอย่างต่อเนื่อง

วิธีการส่งสัญญาณด้วยแสง (เช่นฟลูออเรสเซนซ์ ) มีความไวและเลือกได้ และเป็นแพลตฟอร์มสำหรับการตอบสนองแบบเรียลไทม์และการสังเกตเฉพาะที่ เนื่องจากเคโมเซนเซอร์ได้รับการออกแบบให้สามารถกำหนดเป้าหมายได้ (เช่น สามารถจดจำและจับกับชนิดที่เฉพาะเจาะจงได้) และมีความไวต่อช่วงความเข้มข้นต่างๆ จึงสามารถใช้สังเกตเหตุการณ์แบบเรียลไทม์ในระดับเซลล์ได้ เนื่องจากโมเลกุลแต่ละชนิดสามารถสร้างสัญญาณ/การอ่านค่าที่สามารถวัดได้อย่างเลือกสรร เคโมเซนเซอร์จึงมักถูกกล่าวว่าไม่รุกรานและด้วยเหตุนี้จึงได้รับความสนใจอย่างมากสำหรับการใช้งานในสสารชีวภาพ เช่น ภายในเซลล์ที่มีชีวิต มีการพัฒนาเคโมเซนเซอร์หลายตัวอย่างเพื่อสังเกตการทำงานและคุณสมบัติของเซลล์ รวมถึงการตรวจสอบความเข้มข้นของการไหลของไอออนและการขนส่งภายในเซลล์ เช่น Ca(II), Zn(II), Cu(II) และแคตไอออนที่สำคัญทางสรีรวิทยาอื่นๆ^{[ 18 ]}และแอนไอออน^{[ 19 ]}ตลอดจนโมเลกุลชีวภาพ^{[ 20 ] [ 21 ]}

การออกแบบลิแกนด์เพื่อการจดจำแขกที่เหมาะสมอย่างเลือกสรร เช่นแคตไอออน โลหะ ^{[ 22 ]}และแอนไอออน^{[ 23 ] [ 24 ]}เป็นเป้าหมายสำคัญของเคมีระดับเหนือโมเลกุล คำว่าเคมีวิเคราะห์ระดับเหนือโมเลกุลเพิ่งถูกบัญญัติขึ้นเพื่ออธิบายการประยุกต์ใช้เซ็นเซอร์ระดับโมเลกุลในเคมีวิเคราะห์^{[ 25 ]}เซ็นเซอร์โมเลกุลขนาดเล็กมีความเกี่ยวข้องกับเคมีเซ็นเซอร์ อย่างไรก็ตาม เซ็นเซอร์เหล่านี้มักถูกมองว่าเป็นโมเลกุลที่มีโครงสร้างเรียบง่าย และสะท้อนถึงความจำเป็นในการสร้างโมเลกุลคีเลตเพื่อสร้างไอออนเชิงซ้อนในเคมีวิเคราะห์

แม้ว่าคำว่าเคโมเซนเซอร์จะถูกนิยามขึ้นครั้งแรกในทศวรรษ 1980 แต่ตัวอย่างแรกของเคโมเซนเซอร์เรืองแสงนั้นสามารถบันทึกไว้ได้ว่าเป็น ผลงานของ ฟรีดริช กอปเปลสโรเดอร์ซึ่งในปี 1867 ได้พัฒนาวิธีการตรวจวัด/ตรวจจับไอออนอะลูมิเนียมโดยใช้ลิแกนด์/คีเลตเรืองแสง ผลงานนี้และผลงานต่อมาของผู้อื่นได้ก่อให้เกิดสิ่งที่ถือว่าเป็นเคมีวิเคราะห์สมัยใหม่

ในช่วงทศวรรษ 1980 การพัฒนาการตรวจจับสารเคมีเกิดขึ้นโดย Anthony W. Czarnik ^{[ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]} A. Prasanna de Silva ^{[ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]}และRoger Tsien [ ^{32 ] [ 33 ] [ 34 ]}ในหนังสือFluorescent Chemosensors for Ion and Molecule Recognitionพวกเขามุ่งเน้นไปที่การวิเคราะห์โพรบเรืองแสงประเภทต่างๆ สำหรับไอออนและโมเลกุลในสารละลายและภายในเซลล์ชีวภาพสำหรับการใช้งานแบบเรียลไทม์^{[ 35 ]} Czarnik ได้แนะนำคำว่า 'chemosensor' เพื่ออธิบายสารประกอบสังเคราะห์ที่สามารถจับกับสารวิเคราะห์และให้การตอบสนองสัญญาณแบบย้อนกลับ^{ได้[ 36 ]} Tsien ได้ศึกษาและพัฒนาสาขาการวิจัยนี้ต่อไปโดยการพัฒนาและศึกษาโปรตีนเรืองแสงเพื่อการประยุกต์ใช้ในด้านชีววิทยา เช่นโปรตีนเรืองแสงสีเขียว (GFP) ซึ่งทำให้เขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีในปี 2008 งานของ Lynn Sousa ในช่วงปลายทศวรรษ 1970 เกี่ยวกับการตรวจจับไอออนโลหะอัลคาไลน์ อาจเป็นหนึ่งในตัวอย่างแรกๆ ของการใช้เคมีระดับเหนือโมเลกุลในการออกแบบการตรวจจับด้วยฟลูออเรสเซนต์^{[ 37 ]}เช่นเดียวกับงานของJ.-M. Lehn , H. Bouas-Laurent และเพื่อนร่วมงานที่ Université Bordeaux I ประเทศฝรั่งเศส^{[ 38 ]}การพัฒนาการตรวจจับไอออนโลหะทรานซิชันด้วย PET ได้รับการพัฒนาโดย L. Fabbrizzi และคนอื่นๆ^{[ 39 ]}

ในการตรวจจับสารเคมี การใช้ฟลูออโรฟอร์ที่เชื่อมต่อกับตัวรับผ่านตัวเชื่อมแบบโควาเลนต์นั้น ปัจจุบันมักเรียกว่าหลักการฟลูออโรฟอร์-ตัวเชื่อม-ตัวรับ ในระบบดังกล่าว เหตุการณ์การตรวจจับมักถูกอธิบายว่าเกิดจากการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางโฟโตฟิสิกส์ของระบบตรวจจับสารเคมีเนื่องจากฟลูออเรสเซนซ์ที่เพิ่มขึ้นจากการคีเลต (CHEF) ^{[ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]}และ กลไก การถ่ายโอนอิเล็กตรอนที่เกิดจากแสง (PET) ^{[ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]}โดยหลักการแล้ว กลไกทั้งสองนี้อยู่บนพื้นฐานของแนวคิดเดียวกัน เส้นทางการสื่อสารอยู่ในรูปแบบของการถ่ายโอนอิเล็กตรอนผ่านช่องว่างจากตัวรับที่มีอิเล็กตรอนมากไปยังฟลูออโรฟอร์ที่มีอิเล็กตรอนน้อย (ผ่านช่องว่าง) ซึ่งส่งผลให้เกิดการดับฟลูออเรสเซนซ์ (การถ่ายโอนอิเล็กตรอนแบบแอคทีฟ) และการปล่อยแสงจากตรวจจับสารเคมีจะถูก 'ปิด' สำหรับทั้งสองกลไกในกรณีที่ไม่มีสารวิเคราะห์ อย่างไรก็ตาม เมื่อเกิดการสร้างสารเชิงซ้อนระหว่างสารวิเคราะห์และตัวรับ การสื่อสารจะหยุดชะงักลง และการปล่อยแสงฟลูออเรสเซนต์จากสารเรืองแสงจะเพิ่มขึ้น หรือ "เปิดใช้งาน" กล่าวอีกนัยหนึ่งคือ ความเข้มของแสงฟลูออเรสเซนต์และผลผลิตควอนตัมจะเพิ่มขึ้นเมื่อสารวิเคราะห์ถูกจดจำ

ตัวรับฟลูออโรฟอร์ยังสามารถรวมเข้ากับเคมีเซนเซอร์ได้อีกด้วย ซึ่งจะนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงของความยาวคลื่นการปล่อยแสง ซึ่งมักส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของสี เมื่อเหตุการณ์การตรวจจับส่งผลให้เกิดสัญญาณที่มองเห็นได้ด้วยตาเปล่า เซนเซอร์ดังกล่าวโดยทั่วไปเรียกว่าเซนเซอร์แบบวัดสีมี การพัฒนา เคมีเซนเซอร์แบบวัดสีสำหรับไอออนต่างๆ เช่นฟลูออไรด์มาแล้ว หลายตัวอย่าง ^{[ 40 ]}ตัวบ่งชี้ค่า pHสามารถพิจารณาได้ว่าเป็นเคมีเซนเซอร์แบบวัดสีสำหรับโปรตอน เซนเซอร์ดังกล่าวได้รับการพัฒนาสำหรับแคตไอออนอื่นๆ เช่นเดียวกับแอนไอออนและโมเลกุลอินทรีย์และชีวภาพขนาดใหญ่ เช่น โปรตีนและคาร์โบไฮเดรต^{[ 41 ]}

เคโมเซนเซอร์เป็นโมเลกุลขนาดนาโน และสำหรับการใช้งานในร่างกายจำเป็นต้องไม่เป็นพิษ เคโมเซนเซอร์ต้องสามารถให้สัญญาณที่วัดได้โดยตรงเพื่อตอบสนองต่อการตรวจจับสารที่ต้องการวิเคราะห์ ดังนั้น การตอบสนองของสัญญาณจึงสัมพันธ์โดยตรงกับขนาดของเหตุการณ์การตรวจจับ (และในทางกลับกัน ความเข้มข้นของสารที่ต้องการวิเคราะห์) ในขณะที่ส่วนที่ส่งสัญญาณทำหน้าที่เป็นตัวแปลงสัญญาณ โดยแปลงเหตุการณ์การตรวจจับให้เป็นการตอบสนองทางแสง ส่วนที่รับรู้มีหน้าที่ในการจับกับสารที่ต้องการวิเคราะห์ในลักษณะที่เลือกได้และย้อนกลับได้ หากตำแหน่งการจับเป็น 'ปฏิกิริยาเคมีที่ไม่สามารถย้อนกลับได้' ตัวบ่งชี้เหล่านั้นจะถูกเรียกว่าเคโมโดซิเมเตอร์เรืองแสง หรือโพ รบเรืองแสง

เพื่อให้เซนเซอร์ทำงานได้ ต้องมีช่องทางการสื่อสารที่ใช้งานได้ระหว่างส่วนประกอบทั้งสอง ในเซนเซอร์เคมีแบบวัดสี มักจะอาศัยการรวมโครงสร้างของตัวรับและตัวแปลงสัญญาณเข้าด้วยกัน ในเซนเซอร์เคมีเรืองแสง ส่วนประกอบทั้งสองนี้สามารถ "เว้นระยะ" กันหรือเชื่อมต่อกันด้วยตัวเชื่อมแบบโควาเลนต์ได้ ช่องทางการสื่อสารจะเกิดขึ้นผ่านการถ่ายโอนอิเล็กตรอนหรือการถ่ายโอนพลังงานสำหรับเซนเซอร์เคมีเรืองแสงดังกล่าว ประสิทธิภาพของ การจดจำ แบบโฮสต์-เกสต์ระหว่างตัวรับและสารวิเคราะห์ขึ้นอยู่กับหลายปัจจัย รวมถึงการออกแบบส่วนประกอบของตัวรับ ซึ่งมีเป้าหมายเพื่อให้ตรงกับลักษณะโครงสร้างของสารวิเคราะห์เป้าหมายให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ตลอดจนลักษณะของสภาพแวดล้อมที่เกิดเหตุการณ์การตรวจวัด (เช่น ชนิดของตัวกลาง เช่น เลือด น้ำลาย ปัสสาวะ ฯลฯ ในตัวอย่างทางชีวภาพ) แนวทางที่ต่อยอดจากวิธีการนี้คือการพัฒนาโมเลกุลบีคอนซึ่งเป็นโพรบไฮบริดไดเซชันของโอลิโกนิวคลีโอไทด์ที่ใช้การส่งสัญญาณด้วยฟลูออเรสเซนซ์ โดยการรับรู้หรือการตรวจจับจะถูกสื่อสารผ่านการเพิ่มขึ้นหรือลดลงของความสว่างโดยใช้ กลไก การถ่ายโอนพลังงานเรโซแนนซ์ของฟอร์สเตอร์ (FRET)

เคโมเซนเซอร์ทั้งหมดได้รับการออกแบบให้มีส่วนประกอบส่งสัญญาณและส่วนประกอบรับรู้ ส่วนประกอบเหล่านี้จะถูกรวมเข้าด้วยกันโดยตรงหรือเชื่อมต่อด้วยตัวเว้นระยะโควาเลนต์สั้นๆ ขึ้นอยู่กับกลไกที่เกี่ยวข้องในเหตุการณ์การส่งสัญญาณ เคโมเซนเซอร์สามารถสร้างขึ้นจากการประกอบตัวเองของเซนเซอร์และสารวิเคราะห์ ตัวอย่างของการออกแบบดังกล่าวคือการทดสอบการแทนที่ (ตัวบ่งชี้) IDA ^{[ 42 ]}เซนเซอร์ IDA สำหรับแอนไอออน เช่น ไอออนซิเตรตหรือฟอสเฟตได้รับการพัฒนาขึ้น โดยที่ไอออนเหล่านี้สามารถแทนที่ตัวบ่งชี้เรืองแสงในคอมเพล็กซ์ตัวบ่งชี้-โฮสต์ได้^{[ 5 ]}ชิปชิมรส UT (มหาวิทยาลัยเท็กซัส) เป็นต้นแบบลิ้นอิเล็กทรอนิกส์และผสมผสานเคมีระดับเหนือโมเลกุลเข้ากับอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อด้วยประจุไฟฟ้าโดยใช้เวเฟอร์ซิลิคอนและโมเลกุลตัวรับที่ตรึงอยู่กับที่

ตัวอย่างส่วนใหญ่ของเคโมเซนเซอร์สำหรับไอออนเช่น ไอออน โลหะอัลคาไลน์ (Li+, Na+, K+, เป็นต้น) และ ไอออน โลหะอัลคาไลน์เอิร์ธ (Mg2+, Ca2+, เป็นต้น) ถูกออกแบบมาเพื่อให้สถานะกระตุ้นของส่วนประกอบฟลูออโรฟอร์ของเคโมเซนเซอร์ถูกดับลงด้วยการถ่ายโอนอิเล็กตรอนเมื่อเซนเซอร์ไม่ได้จับกับไอออนเหล่านี้ ดังนั้นจึงไม่พบการปล่อยแสง และเซนเซอร์บางครั้งเรียกว่า 'ปิดอยู่' เมื่อเซนเซอร์จับกับแคตไอออน สภาวะสำหรับการถ่ายโอนอิเล็กตรอนจะเปลี่ยนไป ทำให้กระบวนการดับแสงถูกปิดกั้น และการปล่อยแสงฟลูออเรสเซนซ์จะ 'เปิดอยู่' ความน่าจะเป็นของ PET ถูกควบคุมโดยพลังงานอิสระโดยรวมของระบบ ( พลังงานอิสระของกิบส์ ΔG) แรงผลักดันสำหรับ PET แสดงด้วย ΔGET การเปลี่ยนแปลงโดยรวมของพลังงานอิสระสำหรับการถ่ายโอนอิเล็กตรอนสามารถประมาณได้โดยใช้สมการ Rehm-Weller ^{[ 43 ]}การถ่ายโอนอิเล็กตรอนขึ้นอยู่กับระยะทางและลดลงเมื่อความยาวของตัวคั่นเพิ่มขึ้น การดับแสงโดยการถ่ายโอนอิเล็กตรอนระหว่างสปีชีส์ที่ไม่มีประจุทำให้เกิดการก่อตัวของคู่ไอออนอนุมูลอิสระ บางครั้งเรียกสิ่งนี้ว่าการถ่ายโอนอิเล็กตรอนหลัก การถ่ายโอนอิเล็กตรอนที่เป็นไปได้ซึ่งเกิดขึ้นหลังจาก PET เรียกว่า 'การถ่ายโอนอิเล็กตรอนรอง' การดับแสงแบบเสริมการคีเลต (CHEQ) เป็นผลตรงกันข้ามกับที่เห็นใน CHEF ^{[ 44 ]}ใน CHEQ จะสังเกตเห็นการลดลงของการปล่อยแสงฟลูออเรสเซนต์ของเคมีเซนเซอร์เมื่อเปรียบเทียบกับที่เห็นในตอนแรกสำหรับเซนเซอร์ 'อิสระ' เมื่อเกิดการก่อตัวของโฮสต์-เกสต์ เนื่องจากการถ่ายโอนอิเล็กตรอนมีทิศทาง ระบบดังกล่าวจึงได้รับการอธิบายโดยหลักการ PET โดยอธิบายว่าเป็นการเสริม PET จากตัวรับไปยังฟลูออโรฟอร์ด้วยระดับการดับแสงที่เพิ่มขึ้น ผลกระทบดังกล่าวได้รับการสาธิตสำหรับการตรวจจับแอนไอออนเช่น คาร์บอกซิเลตและฟลูออไรด์^{[ 45 ]}

นักวิทยาศาสตร์ในสาขาฟิสิกส์ ชีววิทยา และสิ่งแวดล้อมได้พัฒนาตัวอย่างของเคโมเซนเซอร์จำนวนมาก ข้อดีของการปล่อยแสงฟลูออเรสเซนต์ที่ "เปิด" จาก "ปิด" เมื่อเกิดเหตุการณ์การตรวจจับ ทำให้เคโมเซนเซอร์เปรียบได้กับ "สัญญาณไฟในยามค่ำคืน" เนื่องจากกระบวนการนี้สามารถย้อนกลับได้ การเพิ่มขึ้นของการปล่อยแสงจึงขึ้นอยู่กับความเข้มข้น โดยจะ "อิ่มตัว" เฉพาะที่ความเข้มข้นสูง (ตัวรับที่จับกันอย่างสมบูรณ์) ดังนั้นจึงสามารถสร้างความสัมพันธ์ระหว่างการเรืองแสง (ความเข้ม ผลผลิตควอนตัม และในบางกรณีอายุการใช้งาน) กับความเข้มข้นของสารวิเคราะห์ได้ ด้วยการออกแบบอย่างระมัดระวังและการประเมินลักษณะของเส้นทางการสื่อสาร เซนเซอร์ที่คล้ายกันซึ่งใช้การสลับแบบ "เปิด-ปิด" หรือ "เปิด-ปิด-เปิด" หรือ "ปิด-เปิด-ปิด" จึงได้รับการออกแบบขึ้น การรวมเคโมเซนเซอร์เข้ากับพื้นผิว เช่นควอนตัมดอตอนุภาคนาโนหรือในพอลิเมอร์ก็เป็นอีกหนึ่งสาขาการวิจัยที่เติบโตอย่างรวดเร็ว^{[ 46 ] [ 47 ] [ 48 ]}การตรวจจับฟลูออเรสเซนซ์ยังถูกรวมเข้ากับเทคนิคทางเคมีไฟฟ้า ซึ่งให้ข้อดีของทั้งสองวิธี^{[ 49 ]}ตัวอย่างอื่นๆ ของเคมีเซนเซอร์ที่ทำงานบนหลักการของการสลับการปล่อยฟลูออเรสเซนซ์ให้เปิดหรือปิด ได้แก่การถ่ายโอนพลังงานเรโซแนนซ์ของ Förster (FRET) การถ่ายโอนประจุภายใน (ICT) การถ่ายโอนประจุภายในแบบบิด (TICT) การปล่อยแสงจากโลหะ (เช่น ในการเรืองแสงของแลนทานัม) ^{[ 50 ] [ 51 ]}และ การปล่อยแสงของเอ็กไซ เมอร์และเอ็กซิเพล็กซ์และการปล่อยแสงที่เกิดจากการรวมตัวกัน (AIE) ^{[ 52 ] [ 53 ]}เคมีเซนเซอร์เป็นหนึ่งในตัวอย่างแรกๆ ของโมเลกุลที่สามารถสลับระหว่างสถานะ 'เปิด' หรือ 'ปิด' ได้โดยใช้สิ่งเร้าภายนอก และด้วยเหตุนี้จึงสามารถจัดอยู่ในประเภทเครื่องจักรโมเลกุล สังเคราะห์ ซึ่ง ได้รับ รางวัลโนเบลสาขาเคมีในปี 2016 ให้แก่Jean-Pierre Sauvage , Fraser StoddartและBernard L. Feringa

การประยุกต์ใช้หลักการออกแบบเดียวกันนี้ที่ใช้ในการตรวจจับสารเคมียังปูทางไปสู่การพัฒนาการ จำลอง เกตตรรกะระดับโมเลกุล (MLGMs) ^{[ 54 ] [ 55 ]}ซึ่งได้รับการเสนอครั้งแรกโดยใช้เซ็นเซอร์เคมีเรืองแสงแบบ PET โดย de Silva และเพื่อนร่วมงานในปี 1993 ^{[ 56 ]}โมเลกุลได้รับการสร้างขึ้นเพื่อให้ทำงานตามพีชคณิตบูลีนซึ่งดำเนินการทางตรรกะโดยอาศัยอินพุตทางกายภาพหรือทางเคมีอย่างน้อยหนึ่งอย่าง สาขานี้ได้ก้าวหน้าจากการพัฒนาระบบตรรกะแบบง่ายโดยอาศัยอินพุตทางเคมีเพียงอย่างเดียว ไปสู่โมเลกุลที่สามารถดำเนินการที่ซับซ้อนและต่อเนื่องได้

มีการนำเซ็นเซอร์เคมีมาประยุกต์ใช้โดยการปรับแต่งพื้นผิวของอนุภาคและลูกปัด เช่นอนุภาคนาโน ที่ทำจากโลหะ จุดควอนตัมอนุภาคที่ทำจากคาร์บอน และวัสดุอ่อนนุ่มเช่น โพลิเมอร์ เพื่ออำนวยความสะดวกในการใช้งานที่หลากหลาย

ตัวรับสัญญาณอื่นๆ นั้นไวต่อสารประกอบโมเลกุลโดยรวม ไม่ใช่โมเลกุลเฉพาะเจาะจง ตัวรับสัญญาณเคมีเหล่านี้ใช้ในเซนเซอร์แบบอาร์เรย์ (หรือไมโครอาร์เรย์) เซนเซอร์แบบอาร์เรย์ใช้การจับตัวของสารวิเคราะห์โดยตัวรับสัญญาณที่แตกต่างกัน ตัวอย่างหนึ่งคือการวิเคราะห์แบบกลุ่มของกรดแทนนิกหลายชนิดที่สะสมอยู่ในวิสกี้สกอตช์ที่บ่มในถังไม้โอ๊ค ผลลัพธ์แบบกลุ่มแสดงให้เห็นความสัมพันธ์กับอายุ แต่ส่วนประกอบแต่ละชนิดไม่มีความสัมพันธ์กัน ตัวรับสัญญาณที่คล้ายกันนี้สามารถใช้ในการวิเคราะห์ทาร์เทรตในไวน์ได้

การประยุกต์ใช้เคมีเซนเซอร์ในการถ่ายภาพเซลล์มีความน่าสนใจเป็นอย่างยิ่ง เนื่องจากปัจจุบันกระบวนการทางชีวภาพส่วนใหญ่ได้รับการตรวจสอบโดยใช้เทคโนโลยีการถ่ายภาพ เช่นกล้องจุลทรรศน์ฟลูออเรสเซนต์แบบคอนโฟ คอล และกล้องจุลทรรศน์ความละเอียดสูงเป็นต้น

สารประกอบแซกซิทอกซินเป็นสารพิษต่อระบบประสาทที่พบในหอยและเป็นอาวุธเคมี เซนเซอร์ทดลองสำหรับสารประกอบนี้ใช้ PET เป็นพื้นฐานอีกครั้ง ปฏิสัมพันธ์ของแซกซิทอกซินกับส่วนประกอบคราวน์อีเทอร์ของเซนเซอร์จะฆ่ากระบวนการ PET ต่อฟลูออโรฟอร์ และการเรืองแสงจะเปลี่ยนจากปิดเป็นเปิด^{[ 4 ]}ส่วนประกอบโบรอนที่ผิดปกติทำให้เกิดการเรืองแสงในช่วงแสงที่มองเห็นได้ของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า

เซ็นเซอร์เคมียังมีการประยุกต์ใช้ในด้านเคมี ชีวเคมี ภูมิคุ้มกันวิทยา สรีรวิทยา การแพทย์ และการตรวจจับทุ่นระเบิด^{[ 57 ]}ในปี 2546 Czarnik ได้สรุปวิธีการใช้เซ็นเซอร์เคมีเพื่อติดตามระดับน้ำตาลกลูโคสในผู้ป่วยเบาหวาน ซึ่งเมื่อรวมกับการมีส่วนร่วมจากผู้อื่น ทำให้เกิดเครื่องตรวจวัดระดับน้ำตาลกลูโคสแบบฝังตัวที่ได้รับการอนุมัติจาก FDA ^{[ 58 ] [ 59 ]}

• กรดบอโรนิกในเคมีระดับเหนือโมเลกุล: การจดจำแซคคาไรด์
• เคมีระหว่างเจ้าบ้านและแขก
• เครื่องจักรโมเลกุล
• การจดจำระดับโมเลกุล
• เซ็นเซอร์เคมีไมโครเวฟ