JultikaUniversity of Oulu repository

Tiivistelmä

Ksenonbiosensorit ovat ksenonatomista ja sitä suuremmasta molekyylirakenteesta koostuvia supramolekulaarisia systeemejä. Niitä voidaan käyttää apuna NMR-spektroskopiassa, etenkin lääketieteellisessä kuvantamisessa. Perinteisen NMR:n yksi suurimmista ongelmista on sen epäherkkyys. Ksenonbiosensoreita käyttämällä menetelmästä saadaan kemiallisesti hyvin spesifinen ja NMR-signaalin herkkyyttä voidaan kasvattaa huomattavasti, jolloin jopa molekyylitason tapahtumista saadaan tietoa. Erityisesti pyrkimys ymmärtää sairauksia molekyylitasolla on motivoinut ksenonbiosensorisovelluksen kehittämistä.

Ksenonbiosensorissa ksenonatomi on kahlittuna molekyylirakenteeseen, jota kutsutaan isännäksi. Isännät ovat ksenonia suurempia syntetisoituja molekyylihäkkejä, joihin voi olla kiinnittyneenä funktionaalisia ryhmiä. Nämä funktionaaliset ryhmät sitoutuvat tutkittavaan kohteeseen. Tilanteet, joissa tutkittava kohde on tai ei ole sitoutuneena ksenonbiosensoriin voidaan erottaa ksenonin NMR-spektristä.

Ksenonin elektronipilven ominaisuudet tekevät siitä sopivan alkuaineen biosensorisovellusta varten. Ksenonin suuri elektronipilvi pääsee muiden atomien tai molekyylien läheisyydessä helposti muokkautumaan, joka tekee siitä todella herkän ympäristön muutoksille. Kun tutkittava aine sitoutuu häkkiin, tai häkki kokee jonkin muun kemiallisen muutoksen, ksenonin elektronirakenne muuttuu. Tämä voidaan havaita ksenonin NMR-spektristä. Ksenonin rooli biosensorissa onkin ilmoittaa kemiallisen ympäristön muutoksista. Ksenonin isotoopeista käytetyin on 129Xe.

Isäntärakenne on välttämätön osa ksenonbiosensoria. Ne tekevät menetelmästä funktionaalisten ryhmiensä avulla hyvin spesifisen. Ilman häkkiä ksenon ei myöskään kemiallisen inerttiydensä takia sitoutuisi juuri mihinkään biokemialliseen kohteeseen. Käytetyimpiä häkkirakenteita ovat kryptofaanit. Ne koostuvat kahdesta CTV-kulhosta (syklotriveratryleeni), jotka ovat sitoutuneena toisiinsa alkoksyylisidoksilla. Koko ksenonbiosensori on hyvin dynaaminen systeemi. Kohteessa vapaana olevan ja isäntärakenteeseen kahlitun ksenonin väliset vaihtonopeudet ovat luokkaa 103 vaihtoa sekunnissa. Tämä tulee ottaa huomioon ksenonin NMR-signaalia havaittaessa.

Ksenonbiosensorit ovat hyvin tuore tutkimuksen kohde. Laskennallisten tutkimusten avulla saadaan ymmärrystä systeemistä ilman kokeellista tietoa. Ne luovat usein lähtökohdan kokeellisille tutkimuksille. Ksenonbiosensorien laskennalliset tutkimukset keskittyvät erityisesti ksenonin elektronirakenteen tutkimiseen eri tilanteissa. Ksenonbiosensori on monielektronisysteemi, jonka kemiallisella ympäristöllä on suuri vaikutus systeemin kuvaukseen. Ksenonin elektronirakennetta tutkitaan kvanttikemiallisin menetelmin. Kvanttikemia tutkii monielektronisysteemejä kvanttimekaanisin mallein.

Aaltofunktiolähtöisiä laskuja tehdään ab initio -menetelmillä. Systeemiä kuvaavalle aaltofunktiolle valitaan jokin malli, jonka jälkeen Schrödingerin yhtälö ratkaistaan approksimatiivisesti käyttäen vain atomien järjestyslukuja ja luonnonvakioita. Ksenonbiosensorien tapauksessa suhteellisuusteoria täytyy usein huomioida. Yksi approksimatiivinen ab initio -menetelmä on Hartreen ja Fockin (HF) teoria. Se on iteratiivinen menetelmä. Systeemin elektronirakennetta kuvaavalle aaltofunktiolle valitaan alkuarvaus, jota variaatioperiaatetta soveltamalla parannetaan systemaattisesti kohti todellista elektronirakennetta. HF on kvantitatiivisia tuloksia haluttaessa kuitenkin kehno, koska se sisällyttää elektronien välisen vuorovaikutuksen vain keskimääräisesti. Niin sanotut HF-johdannaiset ovat normaalia HF-teoriaa kehittyneempiä, aaltofunktioihin perustuvia menetelmiä, jotka ottavat tämän elektronien välisen vuorovaikutuksen paremmin huomioon.

Toinen tapa kuvata systeemin elektronirakennetta ovat elektronikorrelaatiomenetelmät. Ksenonbiosensorien tapauksessa erityisesti tiheysfunktionaaliteoriaa (DFT) käytetään paljon. Sen mukaan monielektronisysteemin energia määräytyy täysin elektronien todennäköisyystiheyden mukaan. Tämä keventää laskennallisia kustannuksia huomattavasti, koska elektronirakennetta N:n hiukkasen systeemille voidaan kuvata 3N-ulotteisen aaltofunktion sijaan 3-ulotteisen elektronitiheysfunktionaalin avulla. Ongelmana on, että DFT ei suoraan kerro elektronien välisen energian (ns. vaihtokorrelaatiofunktionaalin) tarkkaa muotoa, vaan ainoastaan sen, että tällainen on olemassa. Vaihtokorrelaatiofunktionaalia varten on erilaisia approksimaatioita, jotka voivat sisältää empiirisiä korjauksia. Suositussa käytössä ovat ns. hybridifunktionaalit, jotka käyttävät HF-korjauksia DFT-lähtöisten laskujen yhteydessä.

Elektronirakennelaskujen lisäksi ksenonbiosensoreita tutkitaan laskennallisesti myös molekyylidynamiikan (MD) simulaatioilla. Ne tulevat tärkeiksi, kun erityisesti molekyylien liikkeet toistensa suhteen ovat tärkeitä tutkittavan ilmiön kannalta. Etuna MD-simulaatioissa on jatkuva laskennallisen tehon kehittyminen.

Laskennallisesti on tutkittu seuraavia asioita: ksenonin elektroniverhon varjostusta ja kemiallista siirtymää, ksenonin affiniteettia häkkirakenteelle, häkin geometriaa ja sen muutoksia, häkkiin lisättyjen yksiköiden vaikutusta ja ksenonbiosensorin kemiallisen ympäristön vaikutusta. Joitain selkeitä yhteneväisyyksiä tutkimusten tulosten välillä on olemassa. Häkin kaviteetin koolla on merkittävä vaikutus ksenonin elektroniverhon varjostukseen. Myös systeemin lämpötilalla on vaikutusta varjostukseen. Relativistiikan hylkääminen voi johtaa täysin vääriin tuloksiin. Myös liuottimen huomioon ottaminen on erittäin tärkeää ksenonbiosensoreja tutkittaessa.