1
ĐẠI HỌC HUẾ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
NGUYỄN KHOA HIỀN
THIẾT KẾ, TỔNG HỢP VÀ ỨNG DỤNG
CÁC SENSOR HUỲNH QUANG TỪ DẪN XUẤT
CỦA DIMETHYLAMINOCINNAMALDEHYDE
VÀ DANSYL
Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và hóa lý
Mã số: 62.44.01.19
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC
HUẾ, NĂM 2016
Công trình được hoàn thành tại:
Trường Đại học Sư phạm - Đại học Huế
Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. Dương Tuấn Quang
2. PGS.TS. Nguyễn Tiến Trung
Phản biện 1:
Phản biện 2:
Phản biện 3:
Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án Tiến sĩ
cấp Đại học Huế họp tại:......................................................................
Vào hồi giờ ngày tháng năm 2015
Có thể tìm thấy luận án tại: Thư viện Quốc gia, thư viện
trường Đại học Sư phạm Đại học Huế.
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ
LIÊN QUAN LUẬN ÁN
1. Duong Tuan Quang, Nguyen Van Hop, Nguyen Dinh Luyen,
Ha Phuong Thu, Doan Yen Oanh, Nguyen Khoa Hien,
Nguyen Van Hieu, Min Hee Lee and Jong Seung Kim
(2013), A new fluorescent chemosensor for Hg2+ in aqueous
solution, Luminescence., 28, pp. 222-225.
2. Nguyen Khoa Hien, Phan Tu Quy, Nguyen Tien Trung, Vo
Vien, Dang Van Khanh, Nguyen Thi Ai Nhung and Duong
Tuan Quang (2014), A dansyldiethylenetriaminethiourea
conjugate as a fluorescent chemodosimete for Hg2+ ions in
water media, Chemistry Letters, 43, pp. 1034-1036.
3. Nguyen Khoa Hien, Nguyen Chi Bao, Nguyen Thi Ai
Nhung, Nguyen Tien Trung, Pham Cam Nam, Tran Duong,
Jong Seung Kim, Duong Tuan Quang (2015), A highly
sensitive fluorescent chemosensor for simultaneous
determination of Ag(I), Hg(II), and Cu(II) ions: Design,
synthesis, characterization and application, Dyes and
Pigments, 116, pp. 89-96.
4. Nguyen Khoa Hien, Nguyen Thi Ai Nhung, Ho Quoc Dai,
Nguyen Tien Trung, Duong Tuan Quang (2015), A fluorescent
sensor based on dansyl-diethylenetriamine-thiourea conjugate:
design, synthesis, characterization, and application, Vietnam
Journal of Chemistry, 53(5e) pp. 541-547.
5. Nguyen Khoa Hien, Nguyen Chi Bao, Phan Thi Diem Tran,
Nguyen Van Binh, Duong Tuan Quang (2015), A fluorescent
chemosensor based on dimethylaminocinnamaldehydeaminothiourea
for
highly
sensitive
simultaneous
determination of silver, mercury, and copper ions, The
Analytica Vietnam Conference 2015, Ho Chi Minh City,
April 15-16, 01-07, pp. 13-17.
Chemistry Letters, 2014, 43, pp. 1034-1036.
A dansyl-diethylenetriamine-thiourea conjugate as a fluorescent
chemodosimeter for Hg2+ ions in water media
Dyes and Pigments, 2015, 116, pp. 89-96
A highly sensitive fluorescent chemosensor for simultaneous
determination of Ag(I), Hg(II), and Cu(II) ions: design, synthesis,
characterization and application
1
MỞ ĐẦU
Sensor huỳnh quang đầu tiên đã được tác giả Czarnik ở Đại học
Ohio công bố vào năm 1992. Hiện nay, hầu như không có tuần nào là
không có sensor huỳnh quang mới được công bố trên thế giới. Điều
này là do phương pháp phân tích huỳnh quang thường nhạy với chất
phân tích, không đòi hỏi thiết bị máy móc đắt tiền, dễ thực hiện, chi
phí phân tích thấp, có thể phân tích các chất trong tế bào sống. Các
sensor huỳnh quang được nghiên cứu ứng dụng trong phân tích nhiều
đối tượng khác nhau, đặc biệt là các ion kim loại nặng, độc hại như
thủy ngân (II), đồng (II) và bạc (I).
Phát triển các sensor huỳnh quang mới đã và đang thu hút sự quan
tâm của các nhà khoa học. Do đó, một cơ sở khoa học cho quá trình
thiết kế, tổng hợp và ứng dụng các sensor huỳnh quang là rất quan
trọng, giúp giảm thời gian, chi phí và tăng khả năng thành công. Hiện
nay, hoá học lượng tử tính toán được hỗ trợ mạnh mẽ bởi sự phát
triển của công nghệ thông tin, đã trở thành một công cụ quan trọng
trong nghiên cứu hoá học. Nhiều tính chất vật lý và hóa học đã được
dự đoán hoặc làm sáng tỏ từ tính toán. Trong khi đó, một nghiên cứu
hoàn chỉnh kết hợp tính toán và thực nghiệm cho các quá trình thiết
kế, tổng hợp và ứng dụng của các sensor huỳnh quang hiện vẫn còn
chưa, hoặc rất ít được công bố.
Ở Việt Nam, các sensor huỳnh quang đã được tác giả Dương Tuấn
Quang nghiên cứu từ năm 2007, bao gồm: các chemosensor phát hiện
ion Fe(III), F-, Cs+ và Cu(II) dựa trên calix[4]arene; chemosensor
chứa vòng 1,2,3-triazole phát hiện Al(III) và chemosensor phát hiện
Hg(II) từ dẫn xuất của rhodamine.
Gần đây, các dẫn xuất của dansyl đã được sử dụng để thiết kế các
sensor huỳnh quang, do các hợp chất của chúng thường phát huỳnh
quang mạnh và linh hoạt trong cơ cấu các dẫn xuất của chúng. Tuy
nhiên, chưa có sensor nào sử dụng dẫn xuất của dansyl để phát hiện
Hg(II) dựa trên các phản ứng đặc trưng của Hg(II), nhằm tăng độ
chọn lọc của sensor. Một chất huỳnh quang khác là 4-N,N-
2
dimethylaminocinnamaldehyde, vẫn còn chưa, hoặc rất ít nghiên cứu
để phát triển các sensor phát hiện ion Hg(II), Cu(II) và Ag(I).
Trước nhu cầu và thực trạng nghiên cứu các sensor huỳnh quang
trên thế giới và Việt Nam, chúng tôi chọn đề tài “Thiết kế, tổng hợp
và ứng dụng các sensor huỳnh quang từ dẫn xuất của
dimethylaminocinnamaldehyde và dansyl”.
Những đóng góp mới của luận án:
- Một chemodosimeter DT mới từ dẫn xuất của dansyl đã được
công bố, có thể phát hiện chọn lọc Hg(II) dựa trên phản ứng đặc
trưng của Hg(II) - phản ứng giữa dẫn xuất thiourea với amin tạo vòng
guanidine khi có mặt Hg(II) - hoạt động theo cơ chế PET (sự chuyển
electron do cảm ứng ánh sáng), kiểu bật-tắt (ON-OFF) huỳnh quang,
với giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng Hg(II) tương ứng là 50
và 166 ppb.
- Một chemosensor DA mới từ fluorophore là 4-N,Ndimethylaminocinnamaldehyde (DACA) đã được công bố, có thể
phát hiện đồng thời Hg(II), Cu(II) và Ag(I), hoạt động theo kiểu bậttắt huỳnh quang, với giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng tương
ứng là: 2,8 và 9,5 ppb; 0,8 và 2,7 ppb; 1,0 và 3,4 ppb.
- Một cơ sở khoa học cho quá trình nghiên cứu phát triển các
sensor huỳnh quang mới đã được trình bày, thông qua kết quả của
quá trình kết hợp linh hoạt giữa tính toán lý thuyết và thực nghiệm
trong nghiên cứu thiết kế, tổng hợp và ứng dụng của chemodosimeter
DT và chemosensor DA.
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
1.1.4. Nguyên tắc thiết kế các sensor huỳnh quang
1.2. Nguồn ô nhiễm, độc tính, phương pháp phát hiện Hg(II),
Cu(II) và Ag(I)
1.3. Sensor huỳnh quang phát hiện Hg(II), Cu(II) và Ag(I)
3
1.3.1. Sensor huỳnh quang dựa trên các phản ứng đặc trưng của ion
kim loại
1.3.2. Sensor huỳnh quang dựa trên các phản ứng tạo phức với ion
kim loại
1.3.3. Sensor huỳnh quang dựa trên tương tác cation – π
1.3.4. Sensor huỳnh quang phát hiện đồng thời Hg(II), Cu(II)
và Ag(I)
1.4. Sensor huỳnh quang phát hiện Hg(II), Cu(II) và Ag(I) dựa
trên
fluorophore
là
nhóm
dansyl
và
4-N,Ndimethylaminocinnamaldehyde
1.4.1. Sensor huỳnh quang phát hiện Hg(II) dựa trên fluorophore là
nhóm dansyl
1.4.2. Sensor huỳnh quang phát hiện Hg(II), Cu(II) và Ag(I) dựa trên
fluorophore là 4-N,N-dimethylaminocinnamaldehyde
1.5. Tổng quan ứng dụng hoá học tính toán trong nghiên cứu các
sensor huỳnh quang
CHƯƠNG 2
N I DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Mục tiêu nghiên cứu
2.2. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu thiết kế, tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng
chemodosimeter DT dựa trên dẫn xuất của dansyl để phát hiện chọn
lọc Hg(II).
- Nghiên cứu thiết kế, tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng
chemosensor DA dựa trên DACA phát hiện Hg(II), Cu(II) và Ag(I).
2.3. Phương pháp nghiên cứu
2.3.1. Phương pháp nghiên cứu tính toán lý thuyết
- Việc xác định cấu trúc hình học bền, năng lượng điểm đơn được
thực hiện bằng phương pháp DFT tại B3LYP/LanL2DZ, sử dụng
phần mềm Gaussian 03.
- Các thông số năng lượng tương tác được hiệu chỉnh ZPE gồm
biến thiên entanpi và biến thiên năng lượng tự do Gibbs của các phản
4
ứng được tính toán dựa trên sự khác biệt giữa tổng năng lượng của
các sản phẩm và tổng năng lượng các chất tham gia.
- Tính toán trạng thái kích thích và các yếu tố phụ thuộc thời gian
được thực hiện bởi phương pháp TD-DFT ở cùng mức lý thuyết.
- Các phân tích AIM và NBO được tiến hành ở cùng mức lý
thuyết B3LYP/LanL2DZ.
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 13C NMR, phổ khối MS, phổ hồng ngoại và phân tích
nhiễu xạ đơn tinh thể tia X.
- Đặc tính, ứng dụng của các sensor được thực hiện bởi phương
pháp quang phổ huỳnh quang và UV-Vis.
CHƯƠNG 3
KẾT QU VÀ TH O LUẬN
3.1. Thiết kế, tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng của DTchemodosimeter phát hiện chọn lọc Hg(II) dựa trên liên hợp
dansyl-diethylenetriamine-thiourea
3.1.1. Nghiên cứu lý thuyết về thiết kế, tổng hợp, đặc trưng và
ứng dụng của chemodosimeter DT
3.1.1.1. Khảo sát phương pháp tính toán
Để sử dụng mức lý
thuyết B3LYP/LanL2DZ
cho hệ nghiên cứu, một so
sánh giữa kết quả tính
toán và thực nghiệm về
cấu trúc của dansyl
chloride (DC) đã được
tiến hành; và kết quả là
không có sự khác biệt.
Điều này cho thấy, mức lý
Hình 3.4. Năng lượng các HOMO và LUMO của
thuyết đã chọn có thể áp
DC, DNSF, aminothiourea và phenyl
isothiocyanate tại B3LYP/LanL2DZ
dụng cho hệ nghiên cứu
5
với kết quả đáng tin cậy.
3.1.1.2. Lựa chọn fluorophore và receptor cho DT
Do chất đầu dùng tổng hợp DT là DC không phát huỳnh quang,
nên chất huỳnh quang dansyl sunfonamide (DNSF) đã được chọn
làm fluorophore, aminothiourea và phenyl isothiocyanate (PITC)
được chọn làm receptor để nghiên cứu. Hình 3.4 cho thấy, nếu
aminothiourea làm receptor, huỳnh quang của sensor hình thành có
thể bị dập tắt do quá trình PET từ receptor đến fluorophore. Vì vậy, ở
đây PITC được chọn để thiết kế sensor huỳnh quang kiểu bật-tắt.
3.1.1.3. Nghiên cứu lý thuyết phản ứng tổng hợp DT
a. Phản ứng giữa DC với diethylenetriamine
Phản ứng giữa DC và diethylenetriamine để hình thành trực tiếp
sulfonamides không xảy ra (∆G298 dương). Sulfonamides được hình
thành thông qua các muối amoni (Hình 3.5). Kết quả tính toán cho
thấy, ΔH298 và ΔG298 phản ứng (2) là âm nhất. Theo đó, B là sản
phẩm thuận lợi về mặt
nhiệt động. Phản ứng
(6), phản ứng giữa B và
sodium hydroxide hình
thành P1 khá thuận lợi
về mặt nhiệt động, với
ΔH298 và ΔG298 là -47,5
và -684,0 kcal.mol-1.
b. Phản ứng giữa P1
với PITC
Phản ứng P1 với
PITC có ba sản phẩm
(DT, DT-1 và DT-2) có
thể được hình thành
(Hình 3.7). Trong đó,
ΔH298 và ΔG298 phản ứng
(8) là âm nhất. Theo đó,
Hình 3.5. Các sản phẩm có thể có của
phản ứng giữa DC với diethylenetriamine
6
DT là sản phẩm thuận lợi về mặt nhiệt động.
Để đánh giá khả năng phản ứng hóa học xảy ra, ngoài điều kiện về
nhiệt động học, cần phải đảm bảo điều kiện về động học. Về nguyên
tắc, hóa tính toán có thể xác định được hằng số tốc độ phản ứng. Tuy
nhiên, đối với phản ứng phức tạp, việc tính toán này mất nhiều thời
gian. Thay vào đó, quá
trình tính toán chỉ dừng
lại ở mức dự đoán khả
năng phản ứng và
hướng sản phẩm dựa
trên các thông số nhiệt
động, sau đó tiến hành
thực nghiệm sẽ cho kết
quả nhanh hơn. Sự kết
hợp linh hoạt giữa tính
toán và thực nghiệm sẽ
giảm tải khối lượng
công việc tính toán
Hình 3.7. Các sản phẩm có thể có của phản ứng giữa
hoặc thực nghiệm.
P1 với phenyl isothiocyanate
3.1.1.4. Nghiên cứu lý
thuyết đặc tính của
chemodosimeter DT
a. Cấu trúc phân tử DT
Chiều dài các liên
kết, số đo các góc
liên kết, góc nhị diện
trong DT đã được
Hình 3.8. Hình học bền của DT tại B3LYP/LanL2DZ
tính toán. Trong đó,
các tiểu phần DC và
diethylenetriamine trong DT ít thay đổi so với ban đầu.
b. Phân tích phổ UV-Vis của DT
Phổ UV-Vis của DC đạt cực đại ở 485,2 và 1055,6 nm; DNSF đạt
cực đại ở 262,0 và 390,0 nm; DT đạt cực đại ở 387,5 nm. Theo đó,
7
DT và DNSF có cùng bước sóng hấp thụ cực đại khoảng 390 nm.
Kết quả này đưa đến kỳ vọng huỳnh quang của DT tương tự DNSF.
Điều này cũng cho thấy sử dụng DNSF làm fluorophore trong nghiên
cứu lý thuyết thu được kết quả chính xác hơn so với DC.
c. Phân tích đặc tính huỳnh quang của chemodosimeter DT
Bảng 3.5. Năng lượng kích thích, cường độ dao động và các MO có liên quan đến quá
trình kích thích chính của DC, DNSF, PITC và DT tại B3LYP/LanL2DZ
Chất
Bước
chuyển
MO
Năng lượng
(eV)
Bước sóng
(nm)
f
DC
S0→S1
60→61
1,17
1055,6
0,0459
0,648
DNSF
S0→S1
61→62
3,18
390,0
0,0908
0,668
S0→S5
58→62
4,73
262,0
0,1137
-0,219
PITC
DT
CIC
59→62
0,454
60→63
-0,178
60→64
0,312
61→64
0,185
61→65
0,192
S0→S2
29→33
4,57
271,0
0,3670
-0,264
S0→S1
30→31
114→116
3,20
387,5
0,0974
0,608
0,668
Hình 3.14. Giản đồ năng lượng các MO biên của fluorophoro tự do, receptor tự do và
chemodosimeter DT (các mức năng lượng là tương đối, không theo tỷ lệ)
8
Bảng 3.5 cho thấy, trạng thái kích thích chủ yếu của DT là ở bước
sóng 387,5 nm, với bước chuyển MO114→MO116. Do ở giữa các
MO này không có các MO của receptor (Hình 3.14), nên không có
quá trình PET từ receptor đến fluorophore. Tuy giữa các MO này có
MO115 thuộc về spacer, nhưng do chênh lệch năng lượng giữa
MO115 và MO114 là không lớn (0,1 eV), nên quá trình PET từ
MO115 về MO114 có xảy ra thì hằng số cân bằng nhỏ. Kết quả
này dẫn đến một kỳ vọng DT có đặc tính huỳnh quang tương tự như
DNSF. Tuy nhiên, do ảnh hưởng của quá trình PET nói trên, hiệu
suất lượng tử huỳnh quang của DT có thể là không lớn.
3.1.1.5. Ứng dụng của DT
a. Phản ứng giữa DT với Hg(II)
Hình 3.15 trình bày
hai sản phẩm (DG, và
DG-1) có thể có từ
phản ứng giữa DT và
Hg(II). Kết quả tính
toán ΔG298 và ΔH298
của phản ứng (12) âm
hơn so với phản ứng
(13) tương ứng là -9,9
kcal mol-1 và -11,8
kcal mol-1. Do đó, sự
hình thành DG là
Hình 3.15. Các sản phẩm có thể có của phản ứng giữa
thuận lợi về mặt nhiệt
chemodosimeter DT với Hg(II)
động.
b. Phổ UV-Vis và huỳnh quang của DG
Phổ UV-Vis của DG đạt cực đại ở bước sóng 403,8 nm với cường
độ dao động 0,0993.
Bảng 3.6 cho thấy, ở trạng thái kích thích, tất cả các bước chuyển
electron trong DG đều có cường độ dao động không lớn. Trạng thái
kích thích chính của DG là từ S0→S4, ở bước sóng 403,8 nm, tương
9
ứng bước chuyển MO109→MO112, với cường độ dao động mạnh
nhất là 0,0993. Do giữa các MO này có sự hiện diện của MO110 và
MO111 thuộc về receptor (Hình 3.19), nên xảy ra quá trình PET từ
receptor đến fluorophore. Kết quả trên dẫn đến một kỳ vọng DG
không phát huỳnh quang. Do đó, DT có thể sử dụng để phát hiện
chọn lọc Hg(II) theo kiểu bật-tắt huỳnh quang.
Bảng 3.6. Năng lượng kích thích, cường độ dao động và các MO có liên quan đến quá
trình kích thích chính của DG tại B3LYP/LanL2DZ
Chất
DG
Bước
chuyển
S0→S1
S0→S2
S0→S3
S0→S4
Bước sóng
(nm)
542,4
f
CIC
111→112
Năng lượng
(eV)
2,28
0,0004
0,706
110→112
2,79
444,0
0,0062
0,536
110→112
2,81
441,1
0,0040
-0,457
109→112
3,07
403,8
0,0993
0,670
MO
111→113
0,457
Hình 3.19. Giản đồ năng lượng các MO biên của DT và DG
(các mức năng lượng là tương đối, không theo tỷ lệ)
10
3.1.2. Thực nghiệm tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng của
chemodosimeter DT
3.1.2.1. Thực nghiệm tổng hợp chemodosimeter DT
a. Tổng hợp dansyl-diethylenetriamine
Hoà tan diethyltriamine (8,58 mL, 80 mmol) trong 20 mL CH3CN
và làm lạnh đến khoảng 0oC. Thêm từng giọt dung dịch dansyl
chloride (2,70 g, 10 mmol, hòa tan trong 100 mL CH3CN). Khuấy
hỗn hợp phản ứng trong 6 giờ ở nhiệt độ phòng. Sau đó cô đặc hỗn
hợp thu được trong thiết bị cô quay chân không. Thêm 100 mL nước
và axit hóa hỗn hợp thu được bằng dung dịch HCl (khoảng pH = 3).
Thêm 25 mL ethyl ether, lắc kỹ, chiết loại bỏ pha hữu cơ (3 lần). Pha
nước thu được, thêm dung dịch NaOH 2M và khuấy đều đến khi
dung dịch trở nên sánh (khoảng 25 mL). Thêm 25 mL CH2Cl2 lắc kỹ
và chiết lấy pha hữu cơ. Loại bỏ nước trong pha hữu cơ bằng
Na2SO4. Làm bay hơi dung môi trong thiết bị cô quay chân không để
thu được sản phẩm chất rắn màu vàng đậm (khoảng 2,42 g, hiệu suất
72,0%). Cấu trúc của dansyl-diethylenetriamine được khẳng định bởi
phổ 1H NMR và FAB-MS.
b. Tổng hợp chemodosimeter DT
Dansyl-diethyltriamine (337 mg, 1,0 mmol) và phenyl
isothiocyanate (0,25 mL, 1,3 mmol) được hoà tan trong 30 mL
acetonitrile. Đun hồi lưu dung dịch phản ứng trong 6 giờ và đồng
thời có sục khí N2 đuổi không khí trong bình đun. Khuấy dung dịch
phản ứng ở nhiệt độ phòng qua đêm. Thêm vào dung dịch thu được
200 mL nước cất, 100 mL CH2Cl2, chiết lấy pha hữu cơ. Loại bỏ
nước trong pha hữu cơ bằng MgSO4. Làm bay hơi dung môi trong
thiết bị cô quay chân không. Sử dụng sắc ký cột silicagel (dung dịch
rửa giải: CH2Cl2/ethyl acetate, 6/1) để tách lấy DT trong dung dịch
rửa giải. Tiếp tục làm bay hơi dung môi trong thiết bị cô quay chân
không để thu chất rắn DT (khoảng 387 mg, 82%). Cấu trúc của DT
được khẳng định bởi phổ 1H NMR, 13C NMR và FAB-MS.
11
(a)
MËt ®é quang
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
250
300
350
400
450
C-êng ®é huúnh quang (a. u.)
3.1.2.2. Thực nghiệm ứng dụng chemodosimeter DT
a. Phổ UV-Vis và phổ huỳnh quang của DT
140
(b)
120
100
80
60
40
20
0
400
450
500
550
600
650
700
B-íc sãng (nm)
B-íc sãng (nm)
Hình 3.25. Phổ hấp thụ UV-Vis và phổ huỳnh quang của DT: (a) Phổ UV-Vis, DT (10
µM) trong C2H5OH/H2O (1/9, v/v), pH ~7; (b) phổ huỳnh quang, DT (10 µM) trong
C2H5OH/H2O (1/9, v/v), pH ~7, bước sóng kích thích 330 nm
1.0
(a)
MËt ®é quang
0.8
ChuÈn ®é Hg
0.6
2+
0.4
0.2
0.0
250
300
350
400
B-íc sãng (nm)
450
C-êng ®é huúnh quang (a. u.)
Như dự đoán từ tính toán, DT phát huỳnh quang màu xanh lá cây,
với hiệu suất lượng tử là 0,11; bước sóng huỳnh quang cực đại 529
nm, bước sóng hấp thụ cực đại 330 nm.
b. Phổ chuẩn độ UV-Vis và huỳnh quang DT với Hg(II)
Hình 3.26 cho thấy, như dự đoán từ lý thuyết, Hg(II) phản ứng và
làm thay đổi phổ UV-Vis và phổ huỳnh quang của DT. Cường độ
huỳnh quang dung dịch DT giảm dần khi tăng nồng độ Hg(II).
140
(b)
120
2+
ChuÈn ®é Hg
100
80
60
40
20
0
450
500
550
600
650
B-íc sãng (nm)
Hình 3.26. Phổ chuẩn độ UV-Vis và huỳnh quang của DT bởi Hg(II): (a) Phổ UV-Vis, DT
(10 µM) trong C2H5OH/H2O (1/9, v/v), pH ~7, Hg(ClO4)2 (0, 2, 4, 6, 8, 10, 12 µM); (b) Phổ
huỳnh quang, DT (10 µM) trong C2H5OH/H2O (1/9, v/v), pH ~7, Hg(ClO4)2 (0, 1, 2, 3, 4, 5,
6.5, 7, 7.5, 8, 9, 10, 12 µM), bước sóng kích thích 330 nm
12
C-êng ®é huúnh quang (a. u.)
c. Phản ứng giữa DT với Hg(II)
Hình 3.27 cho thấy DT phản
100
ứng với Hg(II) theo tỷ lệ 1:1 về số
80
mol. DG, sản phẩm phản ứng
60
giữa DT với Hg(II) đã được tổng
40
hợp và cấu trúc hoàn toàn phù
20
hợp với kết quả tính toán. DG
0
2
4
6
8 10 12 14 16
[Hg ], µM
không phát huỳnh quang.
Hình 3.27. Đồ thị xác định quan hệ tỷ lượng
Khi thêm EDTA với nồng độ
phản ứng giữa Hg(II) với DT (DT 10 µM
gấp
2 lần DT vào dung dịch sau
trong C2H5OH/H2O (1/9, v/v) ở pH ~7, bước
sóng huỳnh quang 529 nm, kích thích 330 nm)
phản ứng giữa Hg(II) và DT. Kết
quả, không thấy bất kỳ một sự thay
đổi nào trong tín hiệu huỳnh quang. Như vậy, phản ứng giữa DT với
Hg(II) không đảo ngược được. DT là một chemodosimeter huỳnh quang.
140
120
2+
(a)
DT
MËt ®é quang
0.8
DT + C¸c ion kim lo¹i kh¸c
0.6
2+
DT + Hg
0.4
2+
DT + C¸c ion kim lo¹i kh¸c + Hg
0.2
0.0
250 275 300 325 350 375 400 425 450
C-êng ®é huúnh quang (a.u.)
1.0
DT + C¸c ion kim lo¹i kh¸c
(b)
140
DT
120
100
80
DT + C¸c ion kim lo¹i kh¸c + Hg
60
40
DT + Hg
2+
DG
20
0
400
450
500
550
600
650
B-íc sãng (nm)
B-íc sãng (nm)
Hình 3.31. Phổ UV-Vis và phổ huỳnh quang DT trong sự hiện diện các ion kim loại
a) Phổ UV-vis, b) Phổ huỳnh quang DT (10 µM) trong C2H5OH/H2O (1/9, v/v) tại pH
~7, bước sóng kích thích 330 nm. Điều kiện: i) DT (10 µM); ii) DT + Hg(II) (15 µM);
iii) DT + các ion kim loại Zn(II), Cu(II), Cd(II), Pb(II), Ag(I), Fe(II), Cr(III), Co(III),
Ni(II), Ca(II), Mg(II), K(I) và Na(I) (15 µM; iv) DT + các ion kim loại + Hg(II) (15 µM);
v) DG(10µM) trong C2H5OH/H2O (1/9, v/v)
d. nh hưởng của các ion kim loại cạnh tranh
Hình 3.31 cho thấy DT có thể phát hiện chọn lọc Hg(II) trong sự
hiện diện của các ion kim loại Zn(II), Cu(II), Cd(II), Pb(II), Ag(I),
2+
13
Fe(II), Cr(III), Co(III), Ni(II), Ca(II), Mg(II), K(I) và Na(I) với nồng
độ gấp 1,5 lần với DT.
e. Thời gian phản ứng giữa Hg(II) với DT
Phản ứng Hg(II) với DT xảy ra gần như tức thời, khoảng 20 giây
sau khi thêm Hg(II), nhanh hơn nhiều so với các sensor đã công bố.
f. Sử dụng DT phát hiện định lượng Hg(II)
Trong khoảng nồng độ Hg(II) từ 0,5 đến 10µM, biến thiên cường
độ huỳnh quang (ΔI529) quan hệ tuyến tính với nồng độ Hg(II), thể
hiện phương trình: ΔI529 = (2,8 ± 0,8) + (11,3 ± 0,2) x [Hg(II)], với
R=0,999. Giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng Hg(II) bởi DT
đã được xác định, tương ứng là 0,25 và 0,83 µM, hay 50 và 166 ppb.
3.2. Thiết kế, tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng của DA chemosensor phát hiện đồng thời Hg(II), Cu(II) và Ag(I) dựa
trên dẫn xuất của 4-N,N-dimethylaminocinnamaldehyde
3.2.1. Nghiên cứu lý thuyết thiết kế, tổng hợp và đặc trưng DA
3.2.1.1. Lựa chọn fluorophore và receptor cho DA
Hình 3.36 cho thấy năng
lượng HOMO và LUMO
của
aminothiourea
và
PITC đều không nằm giữa
hai mức năng lượng
HOMO và LUMO của
fluorophore là DACA. Vì
vậy, cả hai chất này đều có
thể chọn làm receptor, ở
đây chọn aminothiourea để
Hình 3.36. Giản đồ năng lượng HOMO và LUMO
của DACA, aminothiourea và phenyl
thiết kế sensor kiểu bật-tắt
isothiocyanate tại B3LYP/LanL2DZ
huỳnh quang.
3.2.1.2. Lý thuyết phản ứng tổng hợp DA
Bốn sản phẩm có thể được hình thành từ phản ứng giữa DACA và
aminothiourea (Hình 3.37). Kết quả tính toán cho thấy, phản ứng tạo
sản phẩm DA-1 và DA-2 không xảy ra (ΔG298 có giá trị dương).
ΔG298 và ΔH298 của phản ứng tạo sản phẩm DA-3 và DA có giá trị
14
âm. Trong đó, ΔG298 và
ΔH298 của phản ứng tạo sản
phẩm DA là âm hơn. DA là
sản phẩm thuận lợi về mặt
nhiệt động.
3.2.1.3. Lý thuyết đặc
tính của DA
a. Cấu trúc phân tử DA
Độ dài các liên kết, số
đo các góc liên kết, góc nhị
diện trong DA đã được xác
định tại B3LYP/LanL2DZ;
và đã được so sánh với dữ
liệu thực nghiệm khi phân
Hình 3.37. Các sản phẩm có thể có của phản
tích nhiễu xạ đơn tinh thể
ứng giữa DACA với aminothiourea
tia X. Kết quả cho thấy
mức
lý
thuyết
B3LYP/LanL2DZ có thể
áp dụng cho kết quả đáng
tin cậy.
b. Phổ UV-Vis của DA
Phổ hấp thụ của DACA
đạt cực đại ở bước sóng
242,5 và 350,0 nm; DA đạt
Hình 3.38. Hình học bền của DA tại
B3LYP/LanL2DZ
cực đại ở bước sóng 278,4
và 395,2 nm. Phổ hấp thụ
của DA có cường độ mạnh hơn DACA. Kết quả này đưa đến kỳ vọng
đặc tính huỳnh quang của DA tốt hơn DACA.
c. Phân tích đặc tính huỳnh quang của chemosensor DA
* Khả năng phát huỳnh quang trong chemosensor DA
Bảng 3.9 cho thấy, trạng thái kích thích có cường độ dao động
mạnh nhất của DA là từ S0→S2, ở bước sóng 395,2 nm, ứng với bước
chuyển từ MO61 (HOMO)→MO62 (LUMO). Do ở giữa các MO
15
này không có các MO của receptor, nên không có quá trình PET từ
receptor đến fluorophore. Kết quả này dẫn đến kỳ vọng rằng DA là
một hợp chất phát huỳnh quang. Ở trạng thái kích thích sau đó, từ
S0→S5, mặc dù cường độ dao động khá lớn, song bước chuyển đóng
vai trò quan trọng nhất ở trạng thái này từ MO58→MO62, có
MO60 thuộc về receptor nằm ở giữa hai MO trong bước chuyển
này, nên xảy ra quá trình PET từ receptor đến fluorophore. Vì vậy
bước chuyển này không dẫn đến sự phát huỳnh quang trong DA.
Bảng 3.9. Năng lượng kích thích, cường độ dao động và các MO có liên quan đến quá trình
kích thích chính của DACA, aminothiourea và DA tại B3LYP/LanL2DZ
Chất
Bước
chuyển
MO
Năng lượng
(eV)
Bước sóng
(nm)
f
CIC
DA
S0→S2
61→62
3,14
395,2
1,3602
0,620
S0→S5
58→62
4,45
278,4
0,2861
0,610
DACA
Amino
thiourea
61→64
0,199
61→64
-0,166
S0→S2
47→48
3,53
350,8
0,8621
0,614
S0→S5
44→48
5,11
242,6
0,2685
0,358
S0→S2
45→48
0,425
47→50
0,367
18→20
5,43
228,4
0,1540
0,602
19→21
0,178
19→24
-0,124
* Đặc tính huỳnh quang của chemosensor DA
Phân tử DA có cấu trúc kiểu Donor-π-Aceptor nên ảnh hưởng của
độ phân cực dung môi và quá trình phát xạ huỳnh quang ở trạng thái
xoắn đã được khảo sát. Kết quả cho thấy, độ phân cực của dung môi
không ảnh hưởng đến bước sóng huỳnh quang của DA. Khi phân tử
DA bị kích thích bởi ánh sáng, ở trạng thái thái kích thích S1, sự
chuyển đổi từ trạng thái kích thích LE* (phẳng) sang TICT* (xoắn) là
thuận lợi về mặt năng lượng. Trạng thái TICT * ứng với mức năng
lượng S1 thấp nhất tương ứng với góc xoắn θ (góc giữa mặt phẳng
donor và mặt phẳng π) bằng 90. Quá trình xoắn đồng thời làm tăng
16
bề mặt thế năng của trạng thái cơ bản và S0 đạt giá trị cực đại khi góc
xoắn θ bằng 90. Khi đó, xuất hiện một khoảng cách cực tiểu giữa S0
và S1, dẫn đến phổ huỳnh quang DA chuyển dịch về bước sóng dài.
Hình 3.43. Giản đồ năng lượng các MO biên của fluorophoro tự do, receptor tự do và
chemosensor DA (các mức năng lượng là tương đối, không theo tỷ lệ)
3.2.2. Thực nghiệm tổng hợp và đặc trưng của DA
3.2.2.1. Thực nghiệm tổng hợp chemosensor DA
Hoà tan DACA (175 mg; 1,0 mmol) và aminothiourea (100 mg;
1,1 mmol) trong ethanol tuyệt đối (40 mL). Đun hồi lưu dung dịch
phản ứng trong 6 giờ có kèm theo sục khí N2 để đuổi không khí trong
bình đun. Khuấy hỗn hợp sau khi đun 2 giờ ở nhiệt độ phòng để được
một kết tủa rắn. Lọc và rửa kết tủa (ba lần) với ethanol tuyệt đối (mỗi
lần 5 mL). Chất rắn thu được tiếp tục tinh chế bằng kết tinh lại trong
ethanol tuyệt đối (25 mL) để thu sản phẩm DA tinh chất ở dạng rắn
màu vàng sẫm (khoảng 207 mg, hiệu suất 83,0%). Cấu trúc của DA
được khẳng định bởi phổ 1H NMR, FAB-MS, IR và phân tích nhiễu
xạ đơn tinh thể tia X.
3.2.2.2. Thực nghiệm đặc trưng của chemosensor DA
Như dự đoán, DA phát huỳnh quang màu xanh lá cây, với hiệu
suất lượng tử là 0,25, bước sóng huỳnh quang cực đại ở 510 nm,
bước sóng hấp thụ cực đại ở 390 nm, độ dịch chuyển Stoke 120 nm.
- Xem thêm -