MỞ ĐẦU
Sensor huỳnh quang đầu tiên được công bố bởi Goppelsr ӧder vào năm
1867, phát hiện chọn lọc ion Al3+ dựa vào sự hình thành phức chất phát
huỳnh quang mạnh giữa ion Al3+ với một phân tử flavonol gọi là morin.
Đây là khởi đầu cho việc tìm kiếm nhiều chất huỳnh quang mới để phát
hiện các cation kim loại khác nhau, đánh dấu một phần sự ra đời của ngành
hóa học phân tích. Các sensor huỳnh quang thời kỳ đầu chủ yếu tập trung
vào việc phát hiện các cation kim loại hơn là phát hiện các anion hay các
phân tử trung hòa. Trong các thập niên gần đây, khởi đầu từ các công trình
của những nhà nghiên cứu tiên phong như De Silva và Czarnik. Lĩnh vực
nghiên cứu về sensor huỳnh quang đã phát triển mạnh. Đối tượng phân tích
đã được mở rộng sang các anion và phân tử trung hòa, đặc biệt là phát hiện
các chất phân tích trong các hệ thống sinh học như các protein và DNA.
Một trong những trở ngại chính của việc phát triển các sensor huỳnh
quang là dự đoán và kiểm soát được các đặc tính quang học của sensor khi
ở dạng tự do và dạng liên kết với các đối tượng phân tích. Các phương
pháp thực nghiệm truyền thống thường dựa vào kinh nghiệm và khả năng
thành công chỉ được khẳng định ở bước cuối cùng khi đo trực tiếp tương
tác của sensor tổng hợp dự kiến trên đối tượng phân tích. Trong thập niên
qua, đã có rất nhiều công bố kết hợp tính toán lý thuyết phiếm hàm mật độ
(DFT) với thực nghiệm để phát triển các sensor huỳnh quang mới. Tuy
nhiên, phần nhiều các nghiên cứu chỉ dừng ở mức sử dụng tính toán lý
thuyết để giải thích các đặc tính quang học và cơ chế hoạt động của sensor
dựa trên các số liệu thực nghiệm đã có, mà chưa sử dụng tính toán lý thuyết
như một công cụ hỗ trợ hiệu quả. Do đó, việc sử dụng tính toán lý thuyết
ngay từ giai đoạn đầu tiên trong quá trình thiết kế sensor huỳnh quang là
một hướng nghiên cứu hấp dẫn, có nhiều triển vọng. Việc sử dụng hiệu quả
công cụ tính toán lý thuyết giúp định hướng phát triển các sensor mới từ
đầu, rút ngắn được thời gian thăm dò thực nghiệm và tiết kiệm chi phí
nghiên cứu. Bên cạnh đó vẫn còn tồn tại nhiều vấn đề cần được giải quyết
đối với sensor huỳnh quang như nâng cao độ nhạy, độ chọn lọc, mở rộng
phạm vi đối tượng phân tích và khả năng hoạt động của sensor huỳnh
quang trong các môi trường khác nhau.
Xuất phát từ thực trạng và nhu cầu trong lĩnh vực nghiên cứu phát triển
các sensor huỳnh quang mới, chúng tôi chọn đề tài nghiên cứu “Áp dụng
1
hóa tính toán trong thiết kế, tổng hợp và ứng dụng một số sensor
huỳnh quang”.
Những đóng góp mới của luận án
- Quy trình thiết kế lý thuyết của sensor huỳnh quang bao gồm: dự đoán
các đặc tính quang học của sensor ở dạng tự do và dạng liên kết với chất
phân tích; hằng số bền của phức giữa cation kim loại và phân tử sensor; cơ
chế hoạt động của sensor và nhiệt động học các phản ứng tổng hợp.
- Phát triển thành công chemosensor BDC mới từ dẫn xuất của
coumarin, có thể phát hiện chọn lọc Cu2+ với giới hạn phát hiện LOD = 4,0
ppb.
- Phát triển thành công sensor huỳnh quang mới dựa trên phức của BDC
và Cu2+ ([CuBDC]2+) có thể phát hiện cysteine với giới hạn phát hiện LOD
= 0,3 μM
- Phát triển thành công chemodosimeter RLED mới từ dẫn xuất của
rhodamin spirolactam, có thể phát hiện Hg2+ với giới hạn phát hiện LOD =
28,0 ppb.
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Tổng quan nghiên cứu về sensor huỳnh quang
1.1.1. Tình hình nghiên cứu sensor huỳnh quang
1.1.2. Nguyên tắc hoạt động của sensor huỳnh quang
1.1.3. Cấu tạo của sensor huỳnh quang
1.2. Cơ sở vật lý của quá trình hấp thụ và phát xạ của phân tử
1.2.1. Quá trình hấp thụ
1.2.2. Quá trình phát xạ huỳnh quang
1.3. Nguyên tắc thiết kế sensor huỳnh quang
1.3.1. Thiết kế theo cơ chế chuyển electron cảm ứng ánh sáng PET
1.3.2. Thiết kế theo cơ chế chuyển điện tích nội phân tử ICT
1.3.2. Thiết kế theo cơ chế truyền năng lượng cộng hưởng Forster
1.3.4. Thiết kế theo cơ chế mở vòng spirolactam của dẫn xuất rhodamine
spirolactam
1.3.5. Lựa chọn fluorophore
1.4. Tổng quan về các đối tượng phân tích Cu2+, Hg2+ và các biothiol
2
1.4.1. Ion Hg2+
1.4.2. Ion Cu2+
1.4.3. Các biothiol Cys, Hcy và GSH
1.5. Hóa tính toán trong nghiên cứu sensor huỳnh quang
1.5.1. Khảo sát cấu trúc và các thông số nhiệt động học
1.5.2. Khảo sát tính chất quang học của sensor dựa vào trạng thái cơ bản
1.5.3. Khảo sát đặc tính quang học của sensor dựa vào trạng thái kích thích
CHƯƠNG 2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. MỤC TIÊU
- Sử dụng hóa học tính toán để thiết kế và thăm dò hoạt động của sensor
huỳnh quang
- Áp dụng kết quả thiết kế lý thuyết với thực nghiệm để tổng hợp các sensor
huỳnh quang: BDC phát hiện Cu2+; [CuBDC]2+ phát hiện biothiol và RLED
phát hiện Hg2+.
2.2. NỘI DUNG
- Nghiên cứu thiết kế, tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng sensor huỳnh quang
BDC dựa trên dẫn xuất coumarin để phát hiện Cu2+ và các biothiol:
+ Nghiên cứu lý thuyết về thiết kế, tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng của
sensor huỳnh quang BDC và [CuBDC]2+
+ Nghiên cứu thực nghiệm tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng của sensor
huỳnh quang BDC và [CuBDC]2+
- Nghiên cứu thiết kế, tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng sensor huỳnh quang
RLED dựa trên dẫn xuất rhodamine spirolactam để phát hiện Hg2+:
+ Nghiên cứu lý thuyết về thiết kế, tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng của
sensor huỳnh quang RLED
+ Nghiên cứu thực nghiệm tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng của sensor
huỳnh quang RLED
2.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.3.1. Phương pháp nghiên cứu tính toán lý thuyết
- Tối ưu hóa hình học và tính tần số dao động điều hòa thực hiện ở cùng
mức lý thuyết: PBE0/6-31+G(d,p)/SDD(Hg). Năng lượng điểm đơn được
tính toán tại mức lý thuyết PBE0/6-311++G(d,p)/SDD(Hg).
3
- Tối ưu hóa hình học của các trạng thái kích thích bằng TDDFT tại mức
lý thuyết PBE0/6-31+G(d,p)/SDD(Hg). Tính toán năng lượng kích thích
bằng TDDFT tại mức lý thuyết 6-311++G(d,p)/ SDD(Hg)
- Mô hình dung môi PCM được sử dụng để tối ưu hóa hình học và tính
năng lượng điểm đơn. Năng lượng tự do hòa tan của các chất được tính tại
mức lý thuyết M05-2X/6-31G(d)/SMD(H2O)
- Các tính toán DFT/TDDFT thực hiện trên phần mềm Gaussian 16
Revs. A.03; phân tích QTAIM được thực hiện trên phần mềm Multiwfn
3.8.
2.3.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
- Đặc trưng cấu trúc của các chất được khẳng định bởi các phổ 1H NMR,
phổ khối MS.
- Đặc tính, ứng dụng của các sensor được thực hiện bởi phương pháp
phổ huỳnh quang và phổ hấp thụ phân tử.
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Thiết kế, tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng sensor huỳnh quang
BDC dựa trên dẫn xuất coumarin phát hiện Cu2+
3.1.1. Nghiên cứu lý thuyết về thiết kế, tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng
sensor huỳnh quang BDC
3.1.1.1 Sơ đồ thiết kế BDC
Hình 3.1 trình bày sơ đồ thiết kế dự kiến của sensor huỳnh quang (E)-3((2-(benzo[d]thiazol-2-yl).hydrazono).methyl)-7-.(diethylamino)coumarin
(BDC), phát hiện Cu2+ và sensor [CuBDC]2+ phát hiện biothiol.
4
Hình 3.1. Sơ đồ thiết kế và hoạt động dự kiến của sensor BDC
3.1.1.2. Khảo sát tính chất quang học của BDC
Kết quả tính toán TDDFT cho thấy BDC hấp thụ ánh sáng tại bước sóng
453 nm (Hình 3.3) và phát xạ huỳnh quang tại 512 nm (Hình 3.6)
Hình 3.3. Phổ UV-Vis, HOMO và LUMO của BDC
5
Cơ chế quá trình kích thích và phát xạ của BDC được tìm hiểu qua phân
tích mô hình lỗ trống – điện tử. Kết quả cho thấy quá trình kích thích và
phát xạ xảy ra cục bộ trên fluorophore.
Hình 3.6. Phổ huỳnh quang, HOMO và LUMO của BDC tại PBE0/6-311+
+G(d,p)/PCM(H2O)
3.1.1.3 Khảo sát khả năng tạo phức giữa BDC và Cu2+
Các dạng phức khác nhau giữa BDC và Cu 2+ đã được khảo sát. Kết quả
cho thấy dạng phức [CuBDC] 2+ là ổn định nhất với hằng số bền có giá trị
logβ = 7,16 (Hình 3.8). Bản chất của các liên kết trong phức [CuBDC] 2+
được xác định dựa vào phân tích QTAIM. Kết quả cho thấy tồn tại liên kết
giữa Cu với O2, N36 và N34.
6
Hình 3.8. Hình học tối ưu các dạng phức giữa Cu2+ và BDC tại PBE0/631+G(d,p)/PCM(H2O)
3.1.1.4. Khảo sát tính chất quang học của phức [CuBDC]2+
Kết qủa tính toán TDDFT cho thấy [CuBDC] 2+ hấp thụ ánh sáng tại
bước sóng 431 nm (Hình 3.13) và không phát huỳnh quang (Hình 3.15).
Hình 3.13. Phổ UV-Vis của phức [CuBDC]2+ tại PBE0/6-311++G(d,p)
Hình 3.15. Hình học, HOMO và LUMO của [CuBDC]2+ ở trạng thái D1
7
Hình 3.17. Giản đồ Jablonski minh họa cơ chế kích thích và dập tắt huỳnh
quang trong phức [CuBDC]2+
Cơ chế kích thích và dập tắt huỳnh quang trong phức [CuBDC]2+ được
minh họa trên Hình 3.17. Ở trạng thái cơ bản [CuBDC] 2+ phân bố ở mức có
dao động thấp nhất ( v 0) ký hiệu là D 0 ¿). Khi bị kích thích bởi photon có
bước sóng phù hợp, [CuBDC]2+ chuyển lên trạng thái kích thích D 10 ứng với
các mức dao động khác nhau. Sau đó phân tử thực hiện quá trình vr và ic
liên tiếp để hồi phục về trạng thái kích thích có năng lượng thấp nhất, ký
hiệu là D 1 ¿). Trong phức [CuBDC]2+, vùng không gian phân bố mật độ
electron của LUMOβ và HOMOβ hầu như không trùng lặp lên nhau, dẫn
đến xác suất chuyển đổi D1 → D0 gần như bằng không. Đồng thời khoảng
cách giữa D0 và D1 có giá trị rất nhỏ (0,35 eV), dẫn đến sự chồng lấn mức
năng lượng của D1 với D0 ở các mức dao động cao, làm quá trình ic diễn ra
thuận lợi dẫn đến dập tắt huỳnh quang.
3.1.1.5. Khảo sát phản ứng tổng hợp BDC
Dựa vào sơ đồ tổng hợp thực nghiệm, các thông số nhiệt động học của
các giai đoạn phản ứng tổng hợp BDC đã được khảo sát và trình bày trong
Bảng 3.9. Giá trị enthalpy (∆Ho) và năng lượng Gibbs (ΔGo) của các phản
ứng (1), (2), (3), (4), (5) và (6) được liệt kê trong Bảng 3.9. Dữ liệu tính
8
toán cho thấy tất cả các phản ứng tổng hợp đều thuận lợi về mặt nhiệt động
học.
Bảng 3.9. Các thông số nhiệt động học của các phản ứng tổng hợp
BDC
Phản ứng
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
0
∆ H (kcal .mo l )
3,4
–12,5
–39,1
–63,1
–80,4
–8,7
∆ G0 (kcal .mo l−1)
–8,8
–14,9
–47,1
–50,2
–92,1
–7,1
−1
3.1.1.6. Tổng kết thiết kế lý thuyết sensor BDC
Kết quả thiết kế lý thuyết sensor BDC được minh họa trên Hình 3.20.
Hình 3.20. Tổng hợp kết quả thiết kế lý thuyết sensor huỳnh quang BDC
3.1.2. Nghiên cứu thực nghiệm tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng của sensor
BDC
3.1.2.1. Thực nghiệm tổng hợp BDC
a. Tổng hợp chất trung gian P1 và P2
Quy trình tổng hợp P1 và P2 đã được khảo sát và tóm tắt như sau: Hòa
tan 3,86 gam (20 mmol) 4-Diethylaminosalicylaldehyde và 6,4 gam (40
mmol) diethylmalonate vào bình cầu chứa 100 mL ethanol tuyệt đối, thêm
tiếp vào hỗn hợp 5 mL triethylamine. Khuấy và đun hồi lưu hỗn hợp trong
6 giờ. Hỗn hợp sau phản ứng đem cô quay chân không để loại bỏ dung môi
và triethylamine, thu được sản phẩm thô P1.
9
Thêm hỗn hợp gồm 50 mL acid HCl đặc và 50 mL acid acetic acid khan
vào bình cầu chứa sản phẩm thô P1, khuấy và đun hồi lưu hỗn hợp trong 6
giờ. Bình chứa hỗn hợp phản ứng được để nguội đến nhiệt độ phòng, sau
đó cho vào nước đá trong 5 phút. Nhỏ từng giọt dung dịch NaOH đặc vào
hỗn hợp để điều chỉnh pH hỗn hợp về khoảng 5, thu được kết tủa màu nhạt.
Sau đó khuấy hỗn hợp trong 30 phút. Lọc hỗn hợp, rửa kết tủa với nước,
sau đó kết tinh kết tủa lại trong ethanol thu được sản phẩm P2 với hiệu suất
khoảng 65,5 %. Cấu trúc của sản phẩm P2 được xác nhận bởi phổ 1HNMR.
b. Tổng hợp chất trung gian P3
Quy trình tổng hợp P3 đã được khảo sát và tóm tắt như sau: Thêm từng
giọt DMF khan (5 mL) vào bình cầu chứa 5mL POCl 3 ở nhiệt độ phòng
trong môi trường khí N2 và khuấy hỗn hợp trong 30 phút, thu được dung
dịch màu đỏ sẫm. Thêm 3,0 gam (14 mmol) sản phẩm P2 vào bình cầu
chứa hỗn hợp chuẩn bị ở trên. Khuấy hỗn hợp trong 30 phút, thu được
huyền phù màu đỏ tươi. Sau đó hỗn hợp được khuấy qua đêm ở 60 0C. Để
nguội hỗn hợp phản ứng đến nhiệt độ phòng và sau đó cho vào nước đá
trong 5 phút. Nhỏ từng giọt dung dịch NaOH 20 % vào hỗn hợp thu được
kết tủa màu trắng. Kết tủa được lọc, rửa bằng nước, sấy khô và kết tinh lại
trong ethanol khan, thu được sản phẩm P3 với hiệu suất khoảng 60,5 %.
Cấu trúc của sản phẩm P3 được xác nhận bởi phổ 1H-NMR.
c. Tổng hợp sensor BDC
Quy trình tổng hợp BDC đã được khảo sát và tóm tắt như sau: Hòa tan
245 mg (1 mmol) sản phẩm P3 và 182,5 mg (1,1 mmol) 2hydrazinobenzothiazole vào bình cầu chứa 50 mL ethanol khan. Khuấy và
đun hồi lưu hỗn hợp trong 6 giờ thu được kết tủa màu đỏ. Lọc, rửa kết tủa
bằng ethanol nóng 3 lần, thu được sản phẩm BDC với hiệu suất khoảng
75,6 %. Cấu trúc của sản phẩm BDC được xác nhận bởi phổ 1H-NMR, 13CNMR và ESI-MS.
3.1.2.2 Khảo sát thực nghiệm đặc trưng của sensor BDC
a. Chuẩn bị mẫu và điều kiện đo
Dung dịch gốc của BDC (1 mM) được pha trong hệ dung môi
ethanol/HEPES với tỉ lệ thể tích ethanol và HEPES là 1:1 ở pH 7,4 (pH 7,4,
10
1/1, v/v). Dung dịch gốc của các cation kim loại (1 mM), biothiol (1 mM)
được pha bằng nước cất hai lần.
b. Phổ UV-Vis và huỳnh quang của BDC
Phổ thực nghiệm UV-Vis và huỳnh quang của dung dịch BDC được
trình bày trên Hình 3.25. Kết quả cho thấy BDC có hai dải hấp thụ với
bước sóng cực đại tại 300 nm và 460 nm. Trong đó dải hấp thụ với
λ max=460 nm có cường độ lớn nhất. Phổ huỳnh quang của BDC, có một
dải phát xạ mạnh đạt cực đại tại 536 nm, với độ chuyển dịch Stoke tương
đối lớn (76 nm).
Hình 3.25. Phổ UV-Vis (a) và huỳnh quang (b) tại bước sóng kích thích
460 nm của BDC (5,0 μM) trong ethanol/HEPES (pH 7,4, 1/1, v/v)
c. Phổ UV-Vis và huỳnh quang của BDC với các cation kim loại
Hình 3.26 trình bày phổ UV-Vis và huỳnh quang của dung dịch BDC
khi có mặt các cation kim loại khác. Dữ liệu cho thấy ion Cu 2+ có tương tác
rõ ràng với BDC và kết quả làm tăng cường độ hấp thụ và dịch chuyển
đáng kể cực đại hấp thụ từ 460 nm đến 510 nm. Ion Hg 2+ cũng làm dịch
chuyển cực đại hấp thụ từ 460 nm đến 500 nm, nhưng cường độ hấp thụ
nhỏ hơn so với ion Cu2+. Các cation kim loại còn lại chỉ tạo ra những thay
đổi nhỏ trong phổ UV-Vis của BDC. Đối với phổ huỳnh quang, sự có mặt
của ion Cu2+ dẫn đến dập tắt huỳnh quang của BDC hơn 95 %, trong khi
ion Hg2+ có thể dập tắt huỳnh quang khoảng 40 %. Các cation kim loại còn
lại hầu như không làm thay đổi huỳnh quang của BDC. Ảnh hưởng của
Hg2+ lên quá trình phát hiện Cu 2+ bằng BDC có thể được loại bỏ bằng ion
Cl- (Hình 3.28).
11
Hình 3.26. Phổ UV-Vis (a) và huỳnh quang (b) của BDC (5,0 μM) khi
thêm 5,0 μM Cu2+ và Na+, K+, Mg2+, Fe3+, Co2+, Ni2+, Zn2+, Pb2+, Cd2+ và
Hg2+
Hình 3.28. Phổ huỳnh quang của BDC (5,0 μM) trong ethanol/HEPES
(pH 7,4, 1/1, v/v) khi có mặt Hg 2+, Cu2+ và NaCl (a); khi có mặt Cu2+ và
EDTA
d. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian và pH lên phổ UV-Vis và
huỳnh quang
Để sử dụng BDC làm sensor phát hiện ion Cu 2+, yếu tố thời gian và pH
đã được khảo sát. Kết quả cho thấy phản ứng giữa BDC và Cu 2+ xảy ra rất
nhanh và đạt cân bằng sau khoảng hơn 10 giây; pH tiến hành thí nghiệm
trong khoảng 5,0 đến 9,0.
e. Khảo sát phổ UV-Vis và huỳnh quang của BDC với Cu2+
Kết quả được trình bày trên hình 3.31, cho thấy nồng độ Cu 2+ tỷ lệ với
mật độ quang tại 510 nm và cường độ huỳnh quang tại 536 nm.
12
Hình 3.31. Phổ UV-Vis (a) và huỳnh quang (b) của BDC (5,0 μM) khi
thêm Cu2+ (0,0; 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0; 3,5; 4,0; 4,5; 5,0; 7,5 và 10,0
μM)
f. Khảo sát sử dụng BDC làm sensor UV-Vis và huỳnh quang phát
hiện Cu2+
Hình 3.32. Thay đổi mật độ quang tại 525 nm (a) và cường độ huỳnh
quang tại 536 nm (b) của BDC (5,0 μM) khi thêm Cu2+ (0,0 – 300,0 ppb)
Phổ UV-Vis (Hình 3.31a) cho thấy bước sóng tối ưu để định lượng ion
2+
Cu là 525 nm. Hình 3.32a cho thấy trong khoảng nồng độ ion Cu 2+ từ 0,0
đến 300,0 ppb, mật độ quang (A525nm) có xu hướng tỉ lệ tuyến tính với nồng
độ ion Cu2+. Sử dụng phương pháp hồi quy tuyến tính, cho thấy mật độ
quang của dung dịch BDC (5,0 μM) phụ thuộc tuyến tính vào nồng độ ion
Cu2+ theo phương trình A525nm = (0,013 ± 0,002) + (0,001 ± 0,000)[Cu 2+]
(ppb) với R2 = 0,9992.
Tại bước sóng huỳnh quang 536 nm, trong khoảng nồng độ ion Cu2+ từ
0,0 đến 300,0 ppb, cường độ huỳnh quang dung dịch BDC (F536nm) tỉ lệ
tuyến tính với nồng độ ion Cu2+ theo phương trình F536nm = (967,793 ±
13
4,262) – (3,004 ± 0,029)[Cu2+] (ppb) với R2 = 0,9992. Kết quả này cho thấy
có thể sử dụng BDC là sensor huỳnh quang phát hiện ion Cu 2+.
Hình 3.33 cho thấy đối với phương pháp đo UV-Vis có LOD = 5,7 ppb,
LOQ = 19,0 ppb và đối với phương đo huỳnh quang có LOD = 4,0 ppb,
LOQ = 13,3 ppb. Độ nhạy của sensor BDC là cao hơn nhiều so với một số
sensor công bố gần đây.
Hình 3.33. Đồ thị xác định LOD và LOQ của Cu2+ bằng BDC (5,0 μM)
bằng phương pháp UV-Vis tại 525 nm (a) và huỳnh quang tại 536 nm (b)
3.1.2.3. Khảo sát khả năng sử dụng phức BDC–Cu2+ phát hiện
biothiol
a. Xác định tỉ lệ tạo phức giữa BDC và Cu2+
Hình 3.34. (a) Đồ thị Job của BDC và Cu2+; (b) Đồ thị cường độ huỳnh
quang của BDC (5,0 μM) ở nồng độ khác nhau của Cu2+ (bước sóng kích
thích 460 nm, bước sóng phát xạ 536 nm)
Kết quả từ đồ thị Job cho thấy BDC tạo phức với ion Cu 2+ theo tỷ lệ 1:1.
Kết quả này cũng được xác nhận dựa vào sự thay đổi cường độ huỳnh
14
quang của dung dịch BDC khi thêm Cu2+ ở các nồng độ khác nhau (Hình
3.34b).
b. Xác định hằng số bền thực nghiệm của phức BDC–Cu2+
Hằng số bền thực nghiệm của phức [CuBDC] 2+ (βex) được xác định bằng
phương pháp làm khớp đường cong phi tuyến (nonlinear curve-fitting
method) [157],[158] (Hình 3.35) xác định được logβ = 7,54 (R2 = 0,990).
Hình 3.35. Đường cong phi tuyến xác định hằng số bền của phức
[CuBDC]2+
c. Khảo sát khả năng phản ứng giữa [CuBDC]2+ với các biothiol
Các phân tử biothiol gồm cysteine (Cys), homocysteine (Hcy) và
glutathione (GSH) phản ứng với [CuBDC]2+ dẫn đến phục hồi huỳnh
quang của dung dịch (Hình 3.36).
Hình 3.36. Cường độ huỳnh quang của BDC (5,0 μM); BDC (5,0 μM) +
Cu2+ (5,0 μM) và BDC (5,0 μM) + Cu2+ (5,0 μM) + Cys, HCy
và GSH (10,0 μM)
d. Khảo sát sử dụng [CuBDC]2+ làm sensor phát hiện cysteine
15
Để xem xét khả năng sử dụng [CuBDC]2+ làm sensor huỳnh quang phát
2+¿ ¿
hiện cystien, sự phụ thuộc cường độ huỳnh quang dung dịch [ CuBDC ]
vào nồng độ Cys đã được khảo sát.
Hình 3.37. Phổ huỳnh quang (a) và cường độ huỳnh quang (b) của
[CuBDC]2+ (5,0 μM) khi thêm Cys (0,0; 1,0; 2,0; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0; 7,0;
8,0; 9,0; 10,0; 13,0; 17,0 và 20,0 μM)
Khi thêm Cys có nồng độ từ 0,0 đến 10,0 μM vào dung dịch [CuBDC]2+
(5,0 μM), cường độ huỳnh quang tỷ lệ tuyến tính với nồng độ của Cys theo
phương trình F 536nm=( 3,8 ± 10,4 ) + ( 87,1 ± 1,8 ) [Cys ] với R2 = 0,9959
(Hình 3.37). Giới hạn phát hiện (LOD) và giới hạn định lượng (LOQ) cũng
được xác định bằng phương pháp hồi quy tuyến tính ở khoảng nồng độ thấp
của Cys. Giá trị của LOD và LOQ lần lượt là 0,3 và 1,1 μM (Hình 3.38).
Hình 3.38. Đồ thị xác định LOD và LOQ của Cys bằng sensor
[CuBDC]2+ (5,0 μM)
16
3.2. Thiết kế, tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng sensor huỳnh quang
RLED dựa trên phản ứng mở vòng rhodamine spirolactam phát hiện
Hg2+
3.2.1. Nghiên cứu lý thuyết về thiết kế, tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng
sensor huỳnh quang RLED
3.2.1.1. Sơ đồ thiết kế RLED
Hình 3.40 trình bày sơ đồ thiết kế và hoạt động dự kiến của sensor
huỳnh quang N–(rhodamine–6G)lactam – ethylenediamine – 4 –
dimethylamino – cinnamaldehyde (RLED) phát hiện Hg 2+.
Hình 3.40. Sơ đồ thiết kế và hoạt động dự kiến của sensor RLED
3.2.1.2. Khảo sát tính chất quang học của RLED
Kết quả tính toán TDDFT cho thấy RLED hấp thụ ánh sáng tại bước
sóng 375 nm (Hình 3.3). Cả phân tích TDDFT và mô hình lỗ trống – điện
tử đều cho thấy quá trình kích thích của RLED xảy ra bên ngoài trung tâm
fluorophore, do đó dự đoán RLED sẽ không phát huỳnh quang.
17
Hình 3.42. Phổ UV-Vis, HOMO và LUMO của RLED
3.2.1.3. Khảo sát dạng tồn tại của RLED trong dung dịch
Hình 3.44 trình bày các dạng tồn tại của RLED trong dung dịch. Tính
toán nhiệt động các phản ứng chuyển đổi dạng tồn tại của RLED (Bảng
3.12) cho thấy trong môi trường acid RLED tồn tại ở dạng mở vòng
spirolactam, ngược lại trong môi trường trung tính RLED tồn tại ở dạng
đóng vòng spirolactam.
Hình 3.44. Cấu trúc phân tử các dạng của RLED trong dung dịch
Bảng 3.12. Năng lượng Gibbs các phản ứng chuyển đổi dạng tồn tại của
RLED
3.2.1.3. Khảo sát phản ứng giữa RLED và Hg2+
18
Hình 3.46. Hình học bền của M, N và các phức ổn định
Tương tác giữa RLED và ion Hg 2+ đóng một vai trò quyết định trong
hoạt động của sensor dự kiến. Theo sơ đồ thiết kế, phản ứng giữa RLED và
ion Hg2+ phải dẫn đến mở vòng spirolactam để bật huỳnh quang trên phân
tử sensor. Các quả tính toán nhiệt động học trình bày trong Bảng 3.13 cho
thấy thấy RLED tạo phức thuận lợi với Hg 2+ để hình thành phức [HgL1]2+,
sau đó phức này sẽ bị thủy phân (phản ứng 2) để tạo thành rhodamine 575
(M) là một hợp chất phát huỳnh quang mạnh, với bước sóng kích thích và
phát xạ thực nghiệm trong môi trường ethanol tương ứng là 526 nm và 546
nm [171]
Bảng 3.13. Năng lượng Gibbs của các phản ứng khảo sát và hằng số bền
của phức
Liên kết trong phức [HgL1]2+ được xác nhận dựa vào phân tích QTAIM.
Kết quả cho thấy có sự hình liên kết giữa nguyên tử Hg với N31 và N64.
3.2.1.4. Khảo sát phản ứng tổng hợp RLED
Dựa vào sơ đồ tổng hợp thực nghiệm, các thông số nhiệt động học của
các giai đoạn phản ứng tổng hợp RLED đã được khảo sát và trình bày trong
Bảng 3.15. Kết quả cho thấy phản ứng (1) thuận lợi về mặt nhiệt động.
19
Phản ứng (2) thuộc loại phản ứng tạo imine giữa nhóm aldehyde và amine
bậc hai. Về mặt thực nghiệm, phản ứng này là thuận nghịch phù hợp kết
quả tính toán năng lượng Gibbs của phản ứng là 0,1 kcal.mol –1 tương ứng
hằng số cân bằng của phản ứng là 0,84. Giá trị hằng số cân bằng cho thấy
đây là một phản ứng thuận nghịch điển hình. Do đó để tăng hiệu suất của
phản ứng (2) cần có biện pháp loại bỏ nước tạo thành trong quá trình phản
ứng.
Bảng 3.15. Các thông số nhiệt động học của các phản ứng tổng hợp RLED
3.2.1.6. Tổng kết thiết kế lý thuyết sensor RLED
Kết quả thiết kế lý thuyết sensor RLED được minh họa trên Hình 3.50.
Hình 3.50. Tổng hợp kết quả thiết kế lý thuyết sensor huỳnh quang RLED
3.2.2. Nghiên cứu thực nghiệm tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng sensor
RLED
3.2.2.1. Thực nghiệm tổng hợp RLED
a. Tổng hợp N-(rhodamine-6G)lactam-ethylenediamine
Quy trình tổng hợp đã được khảo sát và tóm tắt như sau: Cho vào bình
cầu 100 mL, 480 mg (1,0 mmol) Rhodamine 6G, 0,67 mL (10,0 mmol)
ethylenediamine và 20 mL ethanol. Hỗn hợp phản ứng được đun hồi lưu
trong 4 giờ cho đến khi huỳnh quang của mẫu biến mất. Hỗn hợp sau phản
ứng để nguội đến nhiệt độ phòng, lọc kết tủa và rửa ba lần trong ethanol
lạnh. Sản phẩm thô được kết tinh lại trong acetonitril và thu được khoảng
20
- Xem thêm -