Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ áp dụng hóa tính toán trong thiết kế, tổng hợp và ứng dụng một số sensor huỳnh q...

Tài liệu áp dụng hóa tính toán trong thiết kế, tổng hợp và ứng dụng một số sensor huỳnh quang tt

.DOCX
25
8
74

Mô tả:

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 -

Tài liệu liên quan