Luận án Tiến sĩ Hóa học: Áp dụng hóa tính toán trong thiết kế, tổng hợp và ứng dụng một số sensor huỳnh quang

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:180

Thêm vào BST

Báo xấu

24
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án nghiên cứu quy trình thiết kế lý thuyết sensor huỳnh quang bao gồm: dự đoán các đặc tính quang học của sensor ở dạng tự do và dạng liên kết với đối tượng phân tích; hằng số bền của phức giữa cation kim loại và ligand huỳnh quang; cơ chế hoạt động của sensor và dự đoán nhiệt động học các phản ứng tổng hợp sensor.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Hóa học: Áp dụng hóa tính toán trong thiết kế, tổng hợp và ứng dụng một số sensor huỳnh quang

CH(RLED BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM MAI VĂN BẢY ÁP DỤNG HÓA TÍNH TOÁN TRONG THIẾT KẾ, TỔNG HỢP VÀ ỨNG DỤNG MỘT SỐ SENSOR HUỲNH QUANG LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC HUẾ, NĂM 2021 1
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM MAI VĂN BẢY ÁP DỤNG HÓA TÍNH TOÁN TRONG THIẾT KẾ, TỔNG HỢP VÀ ỨNG DỤNG MỘT SỐ SENSOR HUỲNH QUANG Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và Hóa lý Mã số: 9440119 LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS. PHẠM CẨM NAM 2. GS.TS. DƯƠNG TUẤN QUANG HUẾ, NĂM 2021 2
LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, được các đồng tác giả cho phép sử dụng và chưa từng công bố trong bất kỳ một công trình nào khác. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được trích dẫn theo đúng quy định. Tác giả Mai Văn Bảy i
LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận án này, với lòng biết ơn sâu sắc, tôi chân thành gửi lời cảm ơn đến PGS.TS Phạm Cẩm Nam, Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng và GS.TS. Dương Tuấn Quang, Trường Đại học Sư phạm, Đại học Huế, những người thầy đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và động viên tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Sư phạm, Đại học Huế; Trường Đại học Sư phạm, Đại học Đà Nẵng; Viện Nghiên cứu Khoa học Miền Trung, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam và Trung Tâm Kiểm nghiệm Thuốc – Mỹ phẩm – Thực phẩm Thừa Thiên Huế đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Chủ nhiệm Khoa Hóa học Trường Đại học Sư phạm – Đại học Huế; Khoa Hóa học, Trường Đại học Sư phạm Đà Nẵng; Phòng Đào tạo Sau Đại học Trường Đại học Sư phạm, Đại học Huế đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn Quỹ phát triển Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã hỗ trợ kinh phí thực hiện luận án, thông qua các đề tài, chương trình của GS.TS. Dương Tuấn Quang và TS. Nguyễn Khoa Hiền. Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Khoa Hiền, Viện Nghiên cứu Khoa học Miền Trung, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam; GS.TS. Jong Seung Kim, Khoa Hóa học, Trường Đại học Korea; PGS.TS. Hoàng Văn Đức, PGS.TS. Trần Dương, Trường Đại học Sư phạm, Đại học Huế; GS.TS. Đinh Quang Khiếu, GS.TS. Trần Thái Hòa, PGS.TS. Hoàng Thái Long, PGS.TS. Nguyễn Hải Phong, Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế đã giúp đỡ, động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án. Xin cảm ơn tất cả bạn bè, đồng nghiệp đã động viên và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án. ii
Cuối cùng xin gửi lời biết ơn sâu nặng đến ba mẹ, vợ và anh chị em trong gia đình đã luôn dành cho tôi những gì tốt đẹp nhất. Tác giả Mai Văn Bảy iii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG viii DANH MỤC CÁC HÌNH ix MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 4 1.1. Tổng quan các nghiên cứu về sensor huỳnh quang 4 1.1.1. Tình hình nghiên cứu sensor huỳnh quang 4 1.1.2. Nguyên tắc hoạt động của sensor huỳnh quang 6 1.1.3. Cấu tạo của sensor huỳnh quang 6 1.2. Cơ sở vật lý của quá trình hấp thụ và phát xạ của phân tử 7 1.2.1. Quá trình hấp thụ 7 1.2.2. Quá trình phát xạ huỳnh quang 9 1.3. Nguyên tắc thiết kế sensor huỳnh quang 12 1.3.1. Thiết kế theo cơ chế chuyển electron cảm ứng ánh sáng PET 13 1.3.2. Thiết kế theo cơ chế chuyển điện tích nội phân tử ICT (intramolecular charge transfer) 15 1.3.3. Thiết kế theo cơ chế truyền năng lượng cộng hưởng Forster (FRET) 17 1.3.4. Thiết kế theo cơ chế mở vòng spirolactam của dẫn xuất rhodamine spirolactam 18 1.3.5. Lựa chọn fluorophore 20 1.4. Tổng quan về các đối tượng phân tích Cu2+, Hg2+ và các biothiol 22 1.4.1. Ion Hg2+ 22 1.4.2. Ion Cu2+ 23 1.4.3. Các biothiol Cys, Hcy và GSH 23 1.5. Hóa tính toán trong nghiên cứu sensor huỳnh quang 25 1.5.1. Khảo sát cấu trúc và các thông số nhiệt động học 25 iv
1.5.2. Khảo sát tính chất quang học của sensor dựa vào trạng thái cơ bản 26 1.5.3. Khảo sát đặc tính quang học của sensor dựa vào trạng thái kích thích 28 Chương 2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 31 2.1. Mục tiêu nghiên cứu 31 2.2. Nội dung nghiên cứu 31 2.3. Phương pháp nghiên cứu 32 2.3.1. Phương pháp nghiên cứu tính toán lý thuyết 32 2.3.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 49 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 52 3.1. Thiết kế, tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng sensor huỳnh quang BDC dựa trên dẫn xuất coumarin phát hiện Cu2+ 52 3.1.1. Nghiên cứu lý thuyết về thiết kế, tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng sensor huỳnh quang BDC 52 3.1.2. Nghiên cứu thực nghiệm tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng của sensor BDC 76 3.1.3. Kết luận chung về nghiên cứu sensor huỳnh quang BDC và [CuBDC]2+ 91 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+ 93 3.2.1. Nghiên cứu lý thuyết về thiết kế, tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng sensor huỳnh quang RLED 93 3.2.2. Nghiên cứu thực nghiệm tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng sensor RLED 103 3.2.3. Kết luận chung về nghiên cứu sensor huỳnh quang RLED 110 NHỮNG KẾT LUẬN CHÍNH CỦA LUẬN ÁN 112 ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 114 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ LIÊN QUAN LUẬN ÁN 115 TÀI LIỆU THAM KHẢO 116 PHỤ LỤC v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 𝛽 Hằng số bền của phức 1, 2, 3 Trị riêng của ma trận Hessian mật độ electron ρ(r) Hàm mật độ electron 2ρ(r) Laplacian của mật độ electron ∆𝐺𝑠𝑜𝑙𝑣 Năng lượng Gibbs solvat hóa ∆𝐺𝑎𝑞 Năng lượng Gibbs phản ứng trong dung dịch ∆𝐺𝑔 Năng lượng Gibbs phản ứng trong pha khí Φf Hiệu suất lượng tử huỳnh quang a.u Hartree atomic units: Các đơn vị nguyên tử Hartree AAS Atomic absorption spectroscopy: quang phổ hấp thụ nguyên tử AO Atomic orbital: orbital nguyên tử B3LYP Phiếm hàm mật độ Becke 3 tham số Lee–Yang–Parr BCP Bond critical point: điểm tới hạn liên kết BDC (E)–3–((2–(benzo[d]thiazol–2–yl)hydrazono)methyl)–7– (diethylamino) coumarin BODIPY Boron–dipyrromethene 13 C-NMR Cộng hưởng từ hạt nhân carbon-13 CHEF Chelation induced enhanced fluorescence: sự tăng cường độ huỳnh quang do tạo phức chelate CP Critical Point: điểm tới hạn CT Charge transfer: chuyển điện tích Cys Cysteine DFT Density functional theory: thuyết phiếm hàm mật độ ESPT Excited-state proton transfer: chuyển proton trạng thái kích thích ESIPT Excited-state intramolecular proton transfer: chuyển proton nội phân tử ở trạng thái kích thích f Oscillator strength: cường độ dao động vi
FRET Forster resonance energy transfer: truyền năng lượng cộng hưởng Forster GSH Glutathione GTO Gaussian-type orbital: orbital kiểu Gaussian 1 H-NMR Phổ cộng hưởng từ hạt nhân proton Hcy Homocysteine HOMO Highest occupied molecular orbital: orbital phân tử bị chiếm cao nhất ICT Intramolecular charge transfer: chuyển điện tích nội phân tử LOD Limit of detection: giới hạn phát hiện LOQ Limit of quantitation: giới hạn định lượng LUMO Lowest unoccupied molecular orbital: orbital phân tử không bị chiếm thấp nhất MO Molecular orbital: orbital phân tử PBE0 Phiếm hàm Perdew – Burke-Ernzerhof (PBE) lai Hartree – Fock PCM Polarizable solvation model: mô hình solvat hóa phân cực PET Photoinduced electron transfer: chuyển electron do cảm ứng ánh sáng QTAIM Quantum theory of atoms in molecules: lý thuyết lượng tử về nguyên tử trong phân tử RCP Ring critical point: điểm tới hạn vòng RLED N-(rhodamine-6G)lactam-ethylenediamine-4-dimethylamino cinnamal dehyde STO Slater-type orbital: orbital kiểu Slater SMD Solvation model based on density: mô hình solvat hóa dựa trên mật độ TDDFT Time-dependent density functional theory: thuyết phiếm hàm mật độ phụ thuộc thời gian TICT Twisted intramolecular charge transfer: chuyển điện tích nội phân tử xoắn ZPE Zero point energies: năng lượng điểm không vii
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1. Phân loại các điểm tới hạn và các đặc trưng tương ứng 45 Bảng 2.2. Các hóa chất chính sử dụng trong luận án 49 Bảng 3.1. Tính toán năng lượng kích thích (E), bước sóng (𝜆) và cường độ dao 53 động (𝑓) của BDC tại PBE0/6-311++G(d,p)/PCM(H2O) Bảng 3.2. Các chỉ số phân tích lỗ trống – electron chuyển đổi S0 → S1 của BDC 55 Bảng 3.3. Các chỉ số phân tích lỗ trống – electron chuyển đổi S1 → S0 của BDC 58 Bảng 3.4. Kết quả tính hằng số bền của phức trong môi trường nước 62 Bảng 3.5. Mật độ electron (𝜌(𝑟), a.u.), Laplacian (𝛻 2 𝜌(𝑟), a.u.) và các điểm tới 63 hạn (CP) trong phức [CuBDC]2+ Bảng 3.6. Tính toán năng lượng kích thích (E), bước sóng (𝜆) và cường độ dao động 64 (𝑓) của [Cu(BDC)]2+ tại PBE0/6-311++G(d,p) Bảng 3.7. Các chỉ số phân tích lỗ trống – electron chuyển đổi D0 → D10 trong phức 67 [CuBDC]2+ Bảng 3.8. Các chỉ số phân tích lỗ trống – electron chuyển đổi D1 → D0 trong phức 70 [CuBDC]2+ Bảng 3.9. Các thông số nhiệt động học của các phản ứng tổng hợp BDC 74 Bảng 3.10. Tính toán năng lượng kích thích (E), bước sóng (𝜆) và cường độ dao 94 động (𝑓) của RLED tại PBE0/6-311++G(d,p)/PCM(H2O) Bảng 3.11. Các chỉ số phân tích lỗ trống – electron chuyển đổi S0 → S1 của RLED 95 Bảng 3.12. Năng lượng Gibbs các phản ứng chuyển đổi dạng tồn tại của RLED 97 Bảng 3.13. Năng lượng Gibbs của các phản ứng khảo sát và hằng số bền của phức 99 Bảng 3.14. Một độ electron (ρ(r), a.u.), Laplacian (∇2 ρ(r), a.u.) và điểm tới hạn 100 (CP) của phức [HgL1]2+ Bảng 3.15. Các thông số nhiệt động học của các phản ứng tổng hợp RLED 102 viii
DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Sensor huỳnh quang đầu tiên được công bố bởi Goppelsrӧder 4 Hình 1.2. Hai nguyên tắc hoạt động thường gặp của sensor huỳnh quang 6 Hình 1.3. Cấu tạo thường gặp của sensor huỳnh quang 7 Hình 1.4. Cấu tạo của hai sensor huỳnh quang BClO và CCF1 7 Hình 1.5. Các bước chuyển electron trong quang phổ hấp thụ của anthracene 8 Hình 1.6. Khoáng chất phát huỳnh quang dưới ánh sáng tử ngoại 9 Hình 1.7. Giản đồ Jablonski quá trình hấp thụ và phát xạ của phân tử 10 Hình 1.8. Phổ UV-Vis và huỳnh quang của Azulene 12 Hình 1.9. Thiết kế thường gặp của sensor huỳnh quang 12 Hình 1.10. Cơ chế PET của sensor huỳnh quang hoạt động theo kiểu OFF–ON 13 Hình 1.11. Sensor BClO và CCF1 hoạt động theo cơ chế PET 14 Hình 1.12. Minh họa cơ chế của một sensor huỳnh quang ICT 15 Hình 1.13. Sensor huỳnh quang ICT, fura-2 phát hiện Ca2+ trong chụp ảnh tế 16 bào Hình 1.14. Sensor huỳnh quang ICT, ZS1 phát hiện H2S trong tế bào 17 Hình 1.15. Minh họa cấu tạo và cơ chế của một sensor huỳnh quang FRET 18 Hình 1.16. Sensor huỳnh quang FRET, IPIN-SO2 phát hiện ion SO2− 3 trong tế 18 bào Hình 1.17. Cơ chế hoạt động thường gặp của sensor huỳnh quang dựa vào phản 19 ứng mở vòng rhodamine spirolactam Hình 1.18. Sensor huỳnh quang RD phát hiện Cu2+ 19 Hình 1.19. Sensor huỳnh quang RMTE phát hiện Hg2+ 19 Hình 1.20. Tính chất quang học của một số phân tử hữu cơ sử dụng các 20 khung fluorophore thường gặp Hình 1.21. Các vị trí nhóm thế có thể sửa đổi của một số khung fluorophore 21 Hình 1.22. Công thức cấu tạo của các biothiol Cys, Hcy và GSH 24 ix
Hình 1.23. Sensor huỳnh quang phát hiện GSH dựa vào phản ứng cộng 26 Michael và hình ảnh phát quang của tế bào phơi nhiễm GSH khi có mặt sensor Hình 1.24. Các MO biên của phức ITTP1-TTP và quá trình PET dập tắt huỳnh 27 quang của sensor Hình 1.25. Phản ứng giữa sensor và H2S. Cơ chế ICT và ESIPT của TBTTP 30 Hình 2.1. Cấu trúc bộ hàm cơ sở 6-31G cho nguyên tử N 36 Hình 2.2. Các điểm tới hạn liên kết của một số phân tử theo QTAIM 45 Hình 2.3. Minh họa cách xây dựng chung của khoang dung môi 46 Hình 3.1. Sơ đồ thiết kế và hoạt động dự kiến của sensor BDC 52 Hình 3.2. Hình học cấu dạng bền của sensor BDC ở trạng thái cơ bản 53 Hình 3.3. Phổ UV-Vis, HOMO và LUMO của BDC 54 Hình 3.4. Phân bố lỗ trống – electron chuyển đổi S0 → S1 của BDC 56 Hình 3.5. Hình học cấu dạng bền của BDC ở trạng thái S1 tại PBE0/6- 57 31+G(d,p)/PCM(H2O) Hình 3.6. Phổ huỳnh quang, HOMO và LUMO của BDC tại PBE0/6- 57 311++G(d,p)/PCM(H2O) Hình 3.7. Phân bố lỗ trống – điện tích chuyển đổi S1 → S0 của BDC 59 Hình 3.8. Hình học tối ưu các dạng phức giữa Cu2+ và BDC tại PBE0/6- 60 31+G(d,p)/PCM(H2O) 0 Hình 3.9. Sơ đồ nhiệt động học thể hiện mối liên hệ giữa đại lượng ∆𝐺𝑎𝑞 với 61 0 ∆𝐺𝑔0 , ∆𝐺𝑠𝑜𝑙𝑣 0 và ∆𝐺𝑔→𝑎𝑞 Hình 3.10. Cấu trúc của ligand histamine và phức của nó với Cu2+ 62 Hình 3.11. Hình học topo các điểm tới hạn trong phức [Cu(BDC)]2+ 63 Hình 3.12. MO các bước chuyển chính D0 → D10 của [CuBDC]2+ tại 65 PBE0/6-311++G(d,p) Hình 3.13. Phổ UV-Vis của phức [CuBDC]2+ tại PBE0/6-311++G(d,p) 66 Hình 3.14. Phân bố lỗ trống – điện tích chuyển đổi D0 → D10 của [CuBDC]2+ 68 Hình 3.15. Cấu trúc, HOMO và LUMO của [CuBDC]𝟐+ ở trạng thái D1 69 x
Hình 3.16. Phân bố lỗ trống – điện tích chuyển đổi D1 → D0 trong [CuBDC]2+ 71 Hình 3.17. Giản đồ Jablonski minh họa cơ chế kích thích và dập tắt huỳnh 71 quang trong phức [CuBDC]2+ Hình 3.18. Sơ đồ tổng hợp dự kiến của BDC 73 Hình 3.19. Các phản ứng dự kiến trong quá trình tổng hợp BDC 74 Hình 3.20. Tổng hợp kết quả thiết kế lý thuyết sensor huỳnh quang BDC 75 Hình 3.21. Sơ đồ các giai đoạn tổng hợp BDC 76 Hình 3.22. Phổ 1H-NMR của sản phẩm P2 77 Hình 3.23. Phổ 1H-NMR của sản phẩm P3 78 Hình 3.24. Phổ 1H-NMR (a) và 13C-NMR (b) của BDC 79 Hình 3.25. Phổ UV-Vis và huỳnh quang tại bước sóng kích thích 460 nm của 80 BDC (5,0 μM) trong ethanol/HEPES (pH 7,4, 1/1, v/v) Hình 3.26. Phổ UV-Vis (a) và huỳnh quang (b) của BDC (5,0 μM) khi thêm 81 5,0 μM Cu2+ và các cation Na+, K+, Mg2+, Fe3+, Co2+, Ni2+, Zn2+, Pb2+, Cd2+ và Hg2+ Hình 3.27. Thay đổi màu sắc (a) và huỳnh quang (b) của BDC khi thêm các 82 cation kim loại Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Fe3+, Co2+, Ni2+, Cu2+, Zn2+, Pb2+, Cu2+và Hg2+ Hình 3.28. Phổ huỳnh quang của BDC (5,0 μM) trong ethanol/HEPES (pH 7,4, 82 1/1, v/v) khi có mặt Hg2+, Cu2+ và Cl‒ (a); khi có mặt Cu2+ và EDTA (b) Hình 3.29. Mật độ quang tại 510 nm (a) và cường độ huỳnh quang tại 536 nm 83 (b) của BDC (5,0 μM) sau khi thêm Cu2+ (5,0 μM) tại những thời gian khác nhau Hình 3.30. Mật độ quang tại 510 nm (a) và cường độ huỳnh quang tại 536 nm 84 (b) của BDC (5,0 μM) khi có và không có Cu2+ (5,0 μM) tại các pH khác nhau xi
Hình 3.31. Phổ UV-Vis (a) và huỳnh quang (b) của BDC (5,0 μM) khi thêm 84 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) Hình 3.32. Thay đổi mật độ quang tại 525 nm (a) và cường độ huỳnh quang tại 85 536 nm (b) của BDC (5,0 μM) khi thêm Cu2+ (0,0 – 300,0 ppb) Hình 3.33. Đồ thị xác định LOD và LOQ của Cu2+ bằng sensor BDC (5,0 μM) 86 sử dụng phương pháp UV-Vis tại 525 nm (a) và huỳnh quang tại 536 nm (b) Hình 3.34. Đồ thị Job của BDC và Cu2+ (a); đồ thị cường độ huỳnh quang của 87 BDC (5,0 μM) ở các nồng độ khác nhau của Cu2+ (b) Hình 3.35. Đường cong phi tuyến xác định hằng số bền của phức [CuBDC]2+ 88 Hình 3.36. Cường độ huỳnh quang của BDC (5,0 μM); BDC (5,0 μM) + Cu2+ 89 (5,0 μM) và BDC (5,0 μM) + Cu2+ (5,0 μM) + Cys, HCy và GSH (10,0 μM) Hình 3.37. Phổ huỳnh quang (a) và cường độ huỳnh quang (b) của [CuBDC]2+ 90 (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) Hình 3.38. Đồ thị xác định LOD và LOQ Cys bằng sensor [CuBDC]2+ 91 (5,0 μM) Hình 3.39. Kết quả thiết kế lý thuyết và thực nghiệm sensor BDC 91 Hình 3.40. Sơ đồ thiết kế và hoạt động dự kiến của sensor RLED 93 Hình 3.41. Hình học cấu dạng bền của sensor RLED ở trạng thái cơ bản 94 Hình 3.42. Phổ UV-Vis, HOMO và LUMO của RLED 95 Hình 3.43. Phân bố lỗ trống – electron chuyển đổi S0 → S1 của RLED 96 Hình 3.44. Cấu trúc phân tử các dạng tồn tại của RLED trong dung dịch 97 Hình 3.45. Công thức cấu tạo và ký hiệu các chất và phức ổn định 98 Hình 3.46. Cấu dạng bền của M, N và các phức ổn định 99 Hình 3.47. Hình học topo các điểm tới hạn trong phức [HgL1]2+ 100 Hình 3.48. Sơ đồ tổng hợp dự kiến của RLED 101 xii
Hình 3.49. Các phản ứng dự kiến trong quá trình tổng hợp RLED 102 Hình 3.50. Tổng hợp kết quả thiết kế lý thuyết sensor huỳnh quang RLED 102 Hình 3.51. Sơ đồ thực nghiệm tổng hợp RLED 103 Hình 3.52. Phổ 1H NMR (a) và ESI-MS (b) của N-(rhodamine-6G)lactam 104 ethylenediamine Hình 3.53. Phổ 1H NMR (a), 13C NMR (b) và ESI-MS (c) của RLED 105 Hình 3.54. Phổ 1H NMR (a), 13C NMR (b) và ESI-MS (c) của rhodamine 575 106 Hình 3.55. Phổ UV-Vis (a) và huỳnh quang (b) của RLED (10,0 μM) khi thêm 107 10,0 μM Hg2+ và 10,0 μM các cation kim loại khác (Mn+) Cu2+, Zn2+, Pb2+, Cd2+, Fe2+, Co2+, Ni2+, Ag+, Na+, K+, Ca2+ và Mg2+ Hình 3.56. Thay đổi màu sắc (a) và huỳnh quang (b) của A (RLED), B (RLED 108 + Hg2+), C (RLED + Hg2+ + cation kim loại khác) và D (RLED + cation kim loại khác) Hình 3.57. Thay đổi mật độ quang tại 530 nm (a) và thay đổi cường độ huỳnh 108 quang tại 558 nm (b) của RLED (10,0 𝜇M) theo thời gian khi thêm 50,0 𝜇M Hg2+ Hình 3.58. Mật độ quang tại 530 nm (a) và cường độ huỳnh quang tại 558 nm 109 (b) của RLED (10,0 μM) khi có và không có Hg2+ (10,0 μM) tại các pH khác nhau Hình 3.59. Phổ UV-Vis (a) và huỳnh quang (b) của RLED (10,0 μM) khi thêm 109 Hg2+ (0,0; 1,0; 2,0; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0; 7,0; 8,0; 9,0; 10,0; 12,0;14,0; 16,0; 18,0 và 20,0 μM) Hình 3.60. Mật độ quang tại 530 nm (a) và cường độ huỳnh quang tại 558 nm 110 (b) của RLED (10,0 μM) khi thêm Hg2+ (0,0 – 20,0 μM) Hình 3.61. Kết quả thiết kế lý thuyết và thực nghiệm sensor RLED 111 xiii
MỞ ĐẦU Sensor huỳnh quang đầu tiên được công bố bởi Goppelsrӧder 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. Tuy nhiên, trong các thập niên gần đây, khởi đầu từ các công trình của những nhà nghiên cứu tiên phong như Silva và Czarnik, các sensor huỳnh quang đã và đang được phát triển mạnh và phạm vi ứng dụng được mở rộng để phát hiện nhiều đối tượng phân tích có mặt trong môi trường cũng như trong các hệ sinh học như các cation kim loại, anion, các phân tử sinh học quan trọng như protein và DNA. So với các phương pháp phân tích truyền thống, việc sử dụng các sensor huỳnh quang có những lợi thế nhất định như quá trình xử lý mẫu tương đối đơn giản, thời gian phân tích nhanh, thiết bị có giá thành không cao và các phép đo huỳnh quang theo dõi theo thời gian thực trong các hệ sinh học. Hơn nữa, cùng với sự phát triển của công nghệ kính hiển vi chụp ảnh huỳnh quang (fluorescence imaging microscope), các sensor huỳnh quang là yếu tố cấu thành không thể thay thế trong công nghệ này, cho phép theo dõi sự thay đổi nồng độ của các đối tượng phân tích sinh học trong tế bào, phân giải theo cấu trúc không gian và thời gian thực. Một trong những trở ngại chính của việc phát triển các sensor huỳnh quang mới là dự đoán và kiểm soát được các đặc tính quang học của sensor khi ở dạng tự do cũng như 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 1
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 hóa tính toán trong thiết kế, tổng hợp và ứng dụng một số sensor huỳnh quang”. Nhiệm vụ của luận án: – Áp dụng hóa tính toán để thiết kế các sensor huỳnh quang – Sử dụng kết quả thiết kế lý thuyết để tổng hợp các sensor huỳnh quang mới: +..Chemosensor..(E)–3–((2–(benzo[d]thiazol–2–yl)hydrazono)methyl)–7– (diethylamino) coumarin (BDC) phát hiện Cu2+ và các biothiol dựa trên fluorophore là dẫn xuất của coumarin; +..Sensor..N–(rhodamine–6G)lactam–ethylenediamine–4–dimethylamino cinnamaldehyde (RLED) phát hiện Hg2+ dựa trên fluorophore là dẫn xuất của rhodamine spirolactam. Những đóng góp mới của luận án: – Quy trình thiết kế lý thuyết sensor huỳnh quang bao gồm: dự đoán các đặc tính quang học của sensor ở dạng tự do và dạng liên kết với đối tượng phân tích; hằng số bền của phức giữa cation kim loại và ligand huỳnh quang; cơ chế hoạt động của sensor và dự đoán nhiệt động học các phản ứng tổng hợp sensor; ‒ Phát triển thành công chemosensor BDC mới từ dẫn xuất của coumarin, có thể phát hiện chọn lọc Cu2+ dựa trên phản ứng tạo phức giữa Cu2+ với ligand huỳnh 2
quang. Sensor hoạt động theo cơ chế PET theo kiểu bật – tắt huỳnh quang (ON–OFF), có độ nhạy cao (LOD = 4,0 ppb); – Phát triển thành công sensor huỳnh quang dựa trên phức giữa BDC và Cu2+ ([CuBDC]2+) có thể phát hiện các biothiol (Cys, Hcy và GSH). Sensor hoạt động theo kiểu OFF–ON, có độ nhạy cao với cysteine (LOD = 0,3 μM); ‒ Phát triển thành công chemodosimeter RLED mới từ dẫn xuất của rhodamine spirolactam, có thể phát hiện chọn lọc Hg2+ với độ nhạy cao (LOD = 28,0 ppb). Sensor hoạt động theo cơ chế mở vòng spirolactam khi có mặt Hg2+ và tạo ra sản phẩm rhodamine 575 là một chất phát huỳnh quang mạnh. Những đóng góp mới của luận án đã được công bố tại: – Sensor, 2019, 19, pp. 128 – ACS Omega, 2020, 33, pp. 21241 – 21249 – RSC Advances, 2020, 10, pp. 36265 – 36274 – Vietnam Journal of Chemistry, 2019, 57, pp. 389 – 400 – Hue University Journal of Science: Natural Science, 2020,129, pp. 15 – 23. Cấu trúc của luận án gồm các phần sau: – Mở đầu – Chương 1: Tổng quan tài liệu – Chương 2: Nội dung và phương pháp nghiên cứu – Chương 3: Kết quả và thảo luận – Những kết luận chính của luận án – Định hướng nghiên cứu tiếp theo – Danh mục các công trình liên quan đến luận án – Tài liệu tham khảo – Phụ lục 3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Tổng quan các nghiên cứu về sensor huỳnh quang 1.1.1. Tình hình nghiên cứu sensor huỳnh quang Sử dụng sensor huỳnh quang để phát hiện và định lượng các ion và phân tử đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như sinh học, dược học, hóa học phân tích và khoa học môi trường [1]. Về cơ bản sensor huỳnh quang là một phân tử có thể tương tác chọn lọc với các chất phân tích, qua đó làm thay đổi tín hiệu huỳnh quang của phân tử. Các chất phân tích được phát hiện và định lượng dựa vào sự thay đổi tín hiệu huỳnh quang này. Nếu tương tác giữa sensor với chất phân tích là thuận nghịch thì sensor được gọi là chemosensor và bất thuận nghịch thì được gọi là chemodosimeter [2]. Sensor huỳnh quang đầu tiên được công bố vào năm 1867 bởi Goppelsrӧder (Hình 1.1). Sensor này hoạt động dựa vào sự hình thành phức chất phát huỳnh quang mạnh giữa ion Al3+ và một hợp chất flavonoid gọi là morin [3]. Phát hiện này dẫn sự tìm kiếm các chất huỳnh quang khác để chế tạo các sensor huỳnh quang ứng dụng trong phát hiện và định lượng các chất phân tích. Hình 1.1. Sensor huỳnh quang đầu tiên được công bố bởi Goppelsrӧder Đối tượng phân tích ban đầu của các sensor huỳnh quang chủ yếu là các cation kim loại. Điều này là do các cation kim loại trong môi trường nước dễ tương tác chọn lọc với các phân tử huỳnh quang hơn so với các chất phân tích khác như anion hay các phân tử trung hòa. Ngày nay, lĩnh vực nghiên cứu sensor huỳnh quang đã và đang phát triển mạnh. Đối tượng phân tích cũng như phạm vi ứng dụng của các sensor 4
huỳnh quang không ngừng được mở rộng, đặc biệt là các đối tượng phân tích trong các hệ sinh học. Cụ thể, các sensor huỳnh quang có thể phát hiện chọn lọc các cation, anion, các phân tử sinh học quan trọng như protein và DNA, trong môi trường cũng như trong cơ thể sống. Cùng với sự phát triển của công nghệ kính hiển vi chụp ảnh huỳnh quang (Fluorescence imaging microscope), các sensor huỳnh quang là yếu tố cấu thành không thể thay thế trong công nghệ này, giúp cho việc theo dõi sự thay đổi nồng độ chất phân tích trong hệ sinh học phân giải theo cấu trúc không gian tế bào và theo thời gian thực [4]. So với các phương pháp phân tích truyền thống, việc sử dụng các sensor huỳnh quang có những lợi thế nhất định, như quá trình xử lý mẫu tương đối đơn giản, thời gian phân tích nhanh, thiết bị có giá thành không cao và kỹ thuật phân tích theo thời gian thực trong các hệ sinh học là gần như không thể thay thế bằng các phương pháp khác như theo dõi sự thay đổi nồng độ các đối tượng phân tích trong tế bào bằng kính hiển vi huỳnh quang. So với phương pháp phân tích UV-Vis, dựa vào sự chênh lệch cường độ chùm sáng đến và đi ra khỏi mẫu, phương pháp huỳnh quang đo trực tiếp cường độ ánh sáng phát xạ mà không tham chiếu với cường độ ánh sáng kích thích, tránh được nhiễu nền nên có độ nhạy cao hơn rất nhiều. Hiện nay các nghiên cứu về sensor huỳnh quang tập trung vào việc nâng cao độ nhạy, độ chọn lọc, mở rộng phạm vi các đối tượng phân tích và khả năng hoạt động của các sensor huỳnh quang trong các môi trường và điều kiện khác nhau. Gần đây nhiều sensor huỳnh quang được công bố có thể phát hiện chọn lọc các cation kim loại như Hg2+ [5-8], Cu2+ [9-12], Fe2+ [13], Fe3+ [14-16], Zn2+ [14],[17], Cr3+ [18],[19], Ag+ [20],[21], Pb2+ [12],[21], Mg2+, Ba2+ [22], Cd2+ [23]. Sensor phát hiện các cation kim loại trong môi trường tế bào như Hg2+ trong tế bào ung thư vú [24], Cu2+ trong lysosome của tế bào 293T [25], Cd2+ [26], và Pb2+ [27] trong tế bào Hela. Sensor huỳnh quang phát hiện các anion như F‒ [28], CN‒ [29], Br‒ [30], S2‒ [31], HSO3‒/SO32‒ [32]; phát hiện các phân tử trung hòa như H2S [33], SO2 [34], các biothiol (GSH, Hcy và Cys) [35-37]. Ở Việt Nam, có rất ít nhóm nghiên cứu về sensor huỳnh quang. Các công bố về lĩnh vực này chủ yếu đến từ nhóm của GS.TS. Dương Tuấn Quang. Ông và cộng sự đã công bố các sensor huỳnh quang phát hiện Hg2+ [38-45], Cu2+ [39],[46], Ag+ 5