Luận án: Thiết kế, tổng hợp một số sensor huỳnh quang từ dẫn xuất của cyanine và coumarin để xác định biothiol và Hg(II)

MỞ ĐẦU<br /> Glutathione (GSH), cysteine (Cys) và homocysteine (Hcy) là những hợp chất<br /> thiol đóng vai trò quan trọng trong các quá trình sinh học. Mức độ bất thường của các<br /> biothiol có liên quan đến nhiều loại bệnh như tổn thương gan, tổn thương da,<br /> Alzheimer, Parkinson, tim mạch, tiểu đường và HIV.<br /> Thủy ngân là một trong những chất gây ô nhiễm nguy hiểm và phổ biến, phát<br /> thải thông qua các hoạt động tự nhiên hoặc các hoạt động của con người, gây ảnh<br /> hưởng nghiêm trọng về sức khỏe con người bằng cách phá hoại hệ thống thần kinh<br /> trung ương và tuyến nội tiết, dẫn đến sự rối loạn về nhận thức và vận động.<br /> Vì vậy, việc xác định biothiol trong tế bào, hàm lượng thủy ngân trong các<br /> nguồn nước là rất quan trọng trong sự chẩn đoán sớm các bệnh liên quan, bảo vệ môi<br /> trường sống và hiện đang thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học trong và ngoài<br /> nước. Có nhiều phương pháp đã được áp dụng phát hiện các biothiol và ion Hg(II)<br /> như phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC), phương pháp phổ khối lượng<br /> (MS), phương pháp sắc ký khí (GC), phương pháp phân tích điện hóa, phương pháp<br /> quang phổ hấp thụ phân tử (MAS) - phương pháp phân tích UV-Vis, phương pháp<br /> quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) và phương pháp huỳnh quang… Trong đó,<br /> phương pháp huỳnh quang có nhiều ưu điểm hơn, đó là không đòi hỏi thiết bị máy<br /> móc đắt tiền, dễ thực hiện, ít tốn kém, và áp dụng phân tích cho nhiều đối tượng,<br /> đặc biệt có thể phân tích các chất trong tế bào sống.<br /> Phương pháp huỳnh quang được Giáo sư Anthony W. Czarnik ở Đại học<br /> Quốc gia Ohio nghiên cứu và đề xuất cách tiếp cận mới trong lĩnh vực sensor quang<br /> học vào năm 1992. Với những ưu thế của phương pháp huỳnh quang, nên trong<br /> nhiều năm qua, các nghiên cứu về sensor huỳnh quang nhằm phát hiện các ion kim<br /> loại, anion, đặc biệt các phân tử sinh học luôn thu hút sự quan tâm của các nhà<br /> khoa học trong và ngoài nước với số lượng các sensor huỳnh quang mới được<br /> công bố ngày càng nhiều trên thế giới. Ở Việt Nam, việc nghiên cứu sensor huỳnh<br /> quang bắt đầu từ năm 2007 bởi tác giả Dương Tuấn Quang. Các sensor huỳnh<br /> quang đã được tác giả Dương Tuấn Quang công bố bao gồm: chemosensor phát<br /> 1<br /> <br /> hiện ion Fe(III), F-, Cs+ và Cu(II) dựa trên calix[4]arene; chemosensor chứa vòng<br /> 1,2,3-triazole phát hiện Al(III) và chemosensor phát hiện ion Hg(II) từ dẫn xuất của<br /> chất phát huỳnh quang rhodamine.<br /> Để xác định các biothiol, các nghiên cứu đã thiết kế sensor huỳnh quang dựa<br /> trên các phản ứng đặc trưng của biothiol như phản ứng tạo vòng với aldehyde, phản<br /> ứng cộng Michael, phản ứng ghép nối peptide, phản ứng sắp xếp nhóm thế ở nhân<br /> thơm, phản ứng phân tách sulfonamide ester hoặc sulfonate ester, phản ứng phân<br /> tách disulfides. Ngoài việc sử dụng phản ứng đặc trưng của biothiol, phản ứng trao<br /> đổi phức (phức của chất huỳnh quang với ion Cu(II)…) cũng được sử dụng.<br /> Các nghiên cứu về sensor huỳnh quang phát hiện ion Hg(II) đã dựa trên các<br /> phản ứng đặc trưng của ion Hg(II) như phản ứng tách loại lưu huỳnh và đóng vòng<br /> guanidine, phản ứng chuyển đổi nhóm thiocarbonyl thành nhóm carbonyl, phản ứng<br /> tách loại thiol,…và dựa trên phản ứng tạo phức giữa ion Hg(II) với các phối tử -O,N,-S trong vòng hoặc ở mạch hở.<br /> Đến nay, nhiều chất phát huỳnh quang khác nhau đã được sử sụng để phát<br /> triển các sensor huỳnh quang. Tuy nhiên, từ những đặc tính huỳnh quang vượt trội,<br /> nên các dẫn xuất của cyanine và coumarin đã được sử dụng khá nhiều trong nghiên<br /> cứu phát triển các sensor huỳnh quang, trong đó có các sensor huỳnh quang phát<br /> hiện ion Hg(II), cũng như biothiol.<br /> Mặc dù có nhiều nỗ lực phát triển các sensor huỳnh quang để xác định các<br /> biothiol và ion Hg(II) nhưng đa phần các sensor này vẫn tồn tại một số hạn chế như<br /> sử dụng một lượng lớn dung môi hữu cơ, giới hạn phát hiện còn cao, có bước sóng<br /> phát xạ ngắn gây ảnh hưởng đến tế bào, và phản ứng giữa sensor với chất phân tích<br /> xảy ra chậm.<br /> Hiện nay, các nhà khoa học trên thế giới vẫn đang tiếp tục nghiên cứu thiết<br /> kế các sensor huỳnh quang có độ nhạy và độ chọn lọc cao để phát hiện các biothiol<br /> và ion Hg(II). Đây là hướng nghiên cứu đang được các nhà khoa học trên thế giới<br /> quan tâm rất lớn, có nhiều tiềm năng ứng dụng trong phân tích các đối tượng môi<br /> trường và trong y sinh học.<br /> <br /> 2<br /> <br /> Với sự phát triển và hỗ trợ mạnh của công nghệ thông tin, vì thế, hoá tính<br /> toán đã trở thành công cụ quan trọng trong nghiên cứu hoá học nói chung và nghiên<br /> cứu sensor huỳnh quang nói riêng. Nhiều tính chất lý, hoá đã được dự đoán chính<br /> xác, cũng như được làm sáng tỏ từ quá trình tính toán.<br /> Sự kết hợp hóa tính toán với nghiên cứu thực nghiệm là hướng nghiên cứu<br /> hiện đại. Bởi vì, tính toán lý thuyết nhằm định hướng cho thực nghiệm về thiết kế,<br /> tổng hợp và dự đoán đặc tính của sensor; thực nghiệm kiểm chứng, khẳng định<br /> những kết quả tính toán, trong một số trường hợp, kết quả thực nghiệm cũng định<br /> hướng cho tính toán trong việc nghiên cứu bản chất, cũng như giải thích rõ hơn cơ<br /> chế phản ứng. Sự kết hợp linh hoạt này giúp giảm thiểu thời gian thực nghiệm, tiết<br /> kiệm hóa chất và tăng khả năng thành công của nghiên cứu. Tuy nhiên, hiện vẫn<br /> còn rất ít sensor huỳnh quang nghiên cứu theo hướng này được công bố.<br /> Trước những thực trạng trên, chúng tôi thực hiện đề tài: "Thiết kế, tổng hợp<br /> một số sensor huỳnh quang từ dẫn xuất của cyanine và coumarin để xác định<br /> biothiol và Hg(II) ".<br /> Nhiệm vụ của luận án:<br /> - Nghiên cứu thiết kế, tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng sensor L từ dẫn xuất<br /> của cyanine dựa trên phản ứng tạo phức và phản ứng trao đổi phức, nhằm phát hiện<br /> các biothiol và ion Hg(II).<br /> - Nghiên cứu thiết kế, tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng sensor AMC từ dẫn<br /> xuất của coumarin phát hiện các biothiol, dựa trên phản ứng cộng Michael.<br /> Những đóng góp mới của luận án:<br /> - Sensor L mới được thiết kế từ dẫn xuất cyanine đã được công bố, phát<br /> hiện chọn lọc ion Hg(II) dựa trên phản ứng tạo phức, hoạt động theo kiểu bật-tắt<br /> (ON-OFF); phức chất của Hg(II) với L (Hg2L2) phát hiện chọn lọc Cys dựa trên<br /> phản ứng trao đổi phức, hoạt động theo kiểu tắt-bật (OFF-ON). Giới phát hiện và<br /> giới hạn định lượng ion Hg(II) bằng L tương ứng là 11,8 μg/L và 39,3 μg/L hay<br /> 0,059 μM và 0,19 μM; giới phát hiện và giới hạn định lượng Cys bằng Hg2L2<br /> tương ứng là 0,2 μM và 0,66 μM.<br /> <br /> 3<br /> <br /> - Sensor AMC mới được thiết kế từ dẫn xuất coumarin đã được công bố,<br /> phát hiện chọn lọc Cys dựa trên phản ứng cộng Michael, hoạt động theo kiểu dựa<br /> trên sự biến đổi tỷ lệ cường độ huỳnh quang ở hai bước sóng. Giới phát hiện và giới<br /> hạn định lượng Cys được xác định tương ứng là 0,5 μM và 1,65 μM.<br /> - Sensor L và sensor AMC được nghiên cứu bằng sự kết hợp linh hoạt<br /> nghiên cứu tính toán hóa lượng tử với nghiên cứu thực nghiệm.<br /> Những đóng góp mới của luận án đã được công bố tại:<br /> - Dyes and Pigments, 2016, 131, pp. 301-306.<br /> - Chemistry Letters, 2017, 46, pp. 135-138.<br /> - Dyes and Pigments, 2018, 152, pp. 118-126.<br /> - Vietnam Journal of Chemistry, International Edition, 2017, 55, pp.700-707.<br /> - Hue Univerity Journal of Science: Natural Science, 2018, Vol.127, No. 1A,<br /> pp. 51-59.<br /> Cấu trúc của luận án gồm các phần sau:<br /> - Mở đầu<br /> - Chương 1: Tổng quan tài liệu<br /> - Chương 2: Nội dung và phương pháp nghiên cứu<br /> - Chương 3: Kết quả và thảo luận<br /> - Những kết luận chính của luận án<br /> - Định hướng nghiên cứu tiếp theo<br /> - Danh mục các công trình liên quan đến luận án<br /> - Tài liệu tham khảo<br /> - Phụ lục<br /> <br /> 4<br /> <br /> CHƯƠNG 1<br /> TỔNG QUAN TÀI LIỆU<br /> 1.1. Tổng quan nghiên cứu về sensor huỳnh quang<br /> 1.1.1. Tình hình nghiên cứu sensor huỳnh quang<br /> Trong hóa học phân tích, phương pháp huỳnh quang có ưu điểm hơn các<br /> phương pháp quang học khác, đó là độ nhạy cao. Điều này là do sự phát xạ tín hiệu<br /> huỳnh quang tỉ lệ thuận với nồng độ của chất phân tích; trong khi ở phương pháp<br /> trắc quang nồng độ của chất tỉ lệ thuận với độ hấp thụ, mà độ hấp thụ lại liên quan<br /> đến tỉ lệ giữa cường độ đo trước và sau khi chùm ánh sáng đi qua mẫu. Do đó, đối<br /> với huỳnh quang, sự tăng cường độ của chùm tia tới sẽ dẫn đến sự phát ra tín hiệu<br /> huỳnh quang mạnh, trong khi đó điều này không xảy ra ở phương pháp đo độ hấp<br /> thụ. Các kỹ thuật đo huỳnh quang có thể xác định nồng độ nhỏ hơn một triệu lần so<br /> với phương pháp đo độ hấp thụ. Năm 1992, Anthony W. Czarnik lần đầu tiên đưa ra<br /> khái niệm chemodosimeter như là phân tử phi sinh học và đề xuất cách tiếp cận mới<br /> trong lĩnh vực sensor quang học để nhận dạng chất phân tích. Ông và nnc đã trình<br /> bày một chemodosimeter phát hiện ion Cu(II) dựa trên phản ứng mở vòng dẫn xuất<br /> rhodamine-B [17].<br /> Thời gian đầu, các công trình nghiên cứu về chemosensor và chemodosimeter<br /> (gọi chung là sensor huỳnh quang) chủ yếu được thiết kế để xác định ion kim loại,<br /> sau đó chúng được phát triển để xác định các anion. Trong thời gian gần đây, các nhà<br /> khoa học đã thiết kế được những chemosensor và chemodosimeter để xác định các<br /> phân tử, đặc biệt là phân tử sinh học. Đến nay, trên thế giới hầu như tuần nào cũng<br /> có sensor huỳnh quang mới được công bố [138]. Điều này là do các sensor huỳnh<br /> quang thường nhạy, dễ thực hiện và ít tốn kém [120] so với các phương pháp truyền<br /> thống như phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao, phương pháp phổ khối lượng,<br /> phương pháp sắc ký khí, phương pháp phân tích điện hóa, phương pháp quang phổ<br /> hấp thụ phân tử - phương pháp phân tích UV-Vis, phương pháp quang phổ hấp thụ<br /> nguyên tử (AAS) trong việc phân tích các chất.<br /> Các nghiên cứu về sensor huỳnh quang nhằm mục đích phân tích nhiều đối<br /> 5<br /> <br />