Áp dụng hóa tính toán trong thiết kế, tổng hợp và ứng dụng một số sensor huỳnh quang TT

MỞ ĐẦU Sensor huỳnh quang công bố Goppelsrӧder vào năm 1867, phát chọn lọc ion Al3+ dựa vào hình thành phức chất phát huỳnh quang mạnh ion Al3+ với phân tử flavonol gọi morin Đây khởi đầu cho việc tìm kiếm nhiều chất huỳnh quang để phát cation kim loại khác nhau, đánh dấu phần đời ngành hóa học phân tích Các sensor huỳnh quang thời kỳ đầu chủ yếu tập trung vào việc phát cation kim loại phát anion hay phân tử trung hòa Trong thập niên gần đây, khởi đầu từ công trình nhà nghiên cứu tiên phong De Silva Czarnik Lĩnh vực nghiên cứu sensor huỳnh quang phát triển mạnh Đối tượng phân tích mở rộng sang anion phân tử trung hịa, đặc biệt phát chất phân tích hệ thống sinh học protein DNA Một trở ngại việc phát triển sensor huỳnh quang dự đoán kiểm sốt đặc tính quang học sensor dạng tự dạng liên kết với đối tượng phân tích Các phương pháp thực nghiệm truyền thống thường dựa vào kinh nghiệm khả thành công khẳng định bước cuối đo trực tiếp tương tác sensor tổng hợp dự kiến đối tượng phân tích Trong thập niên qua, có nhiều cơng bố kết hợp tính tốn lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) với thực nghiệm để phát triển sensor huỳnh quang Tuy nhiên, phần nhiều nghiên cứu dừng mức sử dụng tính tốn lý thuyết để giải thích đặc tính quang học chế hoạt động sensor dựa số liệu thực nghiệm có, mà chưa sử dụng tính tốn lý thuyết cơng cụ hỗ trợ hiệu Do đó, việc sử dụng tính tốn lý thuyết từ giai đoạn trình thiết kế sensor huỳnh quang hướng nghiên cứu hấp dẫn, có nhiều triển vọng Việc sử dụng hiệu cơng cụ tính tốn lý thuyết giúp định hướng phát triển sensor từ đầu, rút ngắn thời gian thăm dò thực nghiệm tiết kiệm chi phí nghiên cứu Bên cạnh tồn nhiều vấn đề cần giải sensor huỳnh quang nâng cao độ nhạy, độ chọn lọc, mở rộng phạm vi đối tượng phân tích khả hoạt động sensor huỳnh quang môi trường khác Xuất phát từ thực trạng nhu cầu lĩnh vực nghiên cứu phát triển sensor huỳnh quang mới, chọn đề tài nghiên cứu “Áp dụng hóa tính tốn thiết kế, tổng hợp ứng dụng số sensor huỳnh quang” Những đóng góp luận án - Quy trình thiết kế lý thuyết sensor huỳnh quang bao gồm: dự đốn đặc tính quang học sensor dạng tự dạng liên kết với chất phân tích; số bền phức cation kim loại phân tử sensor; chế hoạt động sensor nhiệt động học phản ứng tổng hợp - Phát triển thành công chemosensor BDC từ dẫn xuất coumarin, phát chọn lọc Cu2+ với giới hạn phát LOD = 4,0 ppb - Phát triển thành công sensor huỳnh quang dựa phức BDC Cu2+ ([CuBDC]2+) phát cysteine với giới hạn phát LOD = 0,3 μM - Phát triển thành công chemodosimeter RLED từ dẫn xuất rhodamin spirolactam, phát Hg2+ với giới hạn phát LOD = 28,0 ppb CHƯƠNG TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Tổng quan nghiên cứu sensor huỳnh quang 1.1.1 Tình hình nghiên cứu sensor huỳnh quang 1.1.2 Nguyên tắc hoạt động sensor huỳnh quang 1.1.3 Cấu tạo sensor huỳnh quang 1.2 Cơ sở vật lý trình hấp thụ phát xạ 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 chế chuyển electron cảm ứng ánh sáng PET 1.3.2 Thiết kế theo chế chuyển điện tích nội phân tử ICT 1.3.2 Thiết kế theo chế truyền lượng cộng hưởng Forster 1.3.4 Thiết kế theo chế mở vòng spirolactam dẫn xuất rhodamine spirolactam 1.3.5 Lựa chọn fluorophore 1.4 Tổng quan đối tượng phân tích Cu2+, Hg2+ biothiol 1.4.1 Ion Hg2+ 1.4.2 Ion Cu2+ 1.4.3 Các biothiol Cys, Hcy GSH 1.5 Hóa tính tốn nghiên cứu sensor huỳnh quang 1.5.1 Khảo sát cấu trúc thông số nhiệt động học 1.5.2 Khảo sát tính chất quang học sensor dựa vào trạng thái 1.5.3 Khảo sát đặc tính quang học sensor dựa vào trạng thái kích thích CHƯƠNG NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 MỤC TIÊU - Sử dụng hóa học tính tốn để thiết kế thăm dò hoạt động sensor huỳnh quang - Áp dụng kết thiết kế lý thuyết với thực nghiệm để tổng hợp sensor huỳnh quang: BDC phát Cu2+; [CuBDC]2+ phát biothiol RLED phát Hg2+ 2.2 NỘI DUNG - Nghiên cứu thiết kế, tổng hợp, đặc trưng ứng dụng sensor huỳnh quang BDC dựa dẫn xuất coumarin để phát Cu2+ biothiol: + Nghiên cứu lý thuyết thiết kế, tổng hợp, đặc trưng ứng dụng sensor huỳnh quang BDC [CuBDC]2+ + Nghiên cứu thực nghiệm tổng hợp, đặc trưng ứng dụng sensor huỳnh quang BDC [CuBDC]2+ - Nghiên cứu thiết kế, tổng hợp, đặc trưng ứng dụng sensor huỳnh quang RLED dựa dẫn xuất rhodamine spirolactam để phát Hg2+: + Nghiên cứu lý thuyết thiết kế, tổng hợp, đặc trưng ứng dụng sensor huỳnh quang RLED + Nghiên cứu thực nghiệm tổng hợp, đặc trưng ứng dụng sensor huỳnh quang RLED 2.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.3.1 Phương pháp nghiên cứu tính tốn lý thuyết - Tối ưu hóa hình học tính tần số dao động điều hịa thực mức lý thuyết: PBE0/6-31+G(d,p)/SDD(Hg) Năng lượng điểm đơn tính tốn mức lý thuyết PBE0/6-311++G(d,p)/SDD(Hg) - Tối ưu hóa hình học trạng thái kích thích TDDFT mức lý thuyết PBE0/6-31+G(d,p)/SDD(Hg) Tính tốn lượng kích thích TDDFT mức lý thuyết 6-311++G(d,p)/ SDD(Hg) - Mơ hình dung mơi PCM sử dụng để tối ưu hóa hình học tính lượng điểm đơn Năng lượng tự hòa tan chất tính mức lý thuyết M05-2X/6-31G(d)/SMD(H2O) - Các tính tốn DFT/TDDFT thực phần mềm Gaussian 16 Revs A.03; phân tích QTAIM thực phần mềm Multiwfn 3.8 2.3.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm - Đặc trưng cấu trúc chất khẳng định phổ 1H NMR, phổ khối MS - Đặc tính, ứng dụng sensor thực phương pháp phổ huỳnh quang phổ hấp thụ phân tử CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Thiết kế, tổng hợp, đặc trưng ứng dụng sensor huỳnh quang BDC dựa dẫn xuất coumarin phát Cu2+ 3.1.1 Nghiên cứu lý thuyết thiết kế, tổng hợp, đặc trưng 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 sensor huỳnh quang (E)-3((2-(benzo[d]thiazol-2-yl).hydrazono).methyl)-7-.(diethylamino)coumarin (BDC), phát Cu2+ sensor [CuBDC]2+ phát biothiol Hình 3.1 Sơ đồ thiết kế hoạt động dự kiến sensor BDC 3.1.1.2 Khảo sát tính chất quang học BDC Kết tính tốn TDDFT cho thấy BDC hấp thụ ánh sáng bước sóng 453 nm (Hình 3.3) phát xạ huỳnh quang 512 nm (Hình 3.6) Hình 3.3 Phổ UV-Vis, HOMO LUMO BDC Cơ chế q trình kích thích phát xạ BDC tìm hiểu qua phân tích mơ hình lỗ trống – điện tử Kết cho thấy q trình kích thích phát xạ xảy cục fluorophore Hình 3.6 Phổ huỳnh quang, HOMO LUMO BDC PBE0/6-311+ +G(d,p)/PCM(H2O) 3.1.1.3 Khảo sát khả tạo phức BDC Cu2+ Các dạng phức khác BDC Cu 2+ khảo sát Kết cho thấy dạng phức [CuBDC]2+ ổn định với số bền có giá trị logβ = 7,16 (Hình 3.8) Bản chất liên kết phức [CuBDC] 2+ xác định dựa vào phân tích QTAIM Kết cho thấy tồn liên kết Cu với O2, N36 N34 Hình 3.8 Hình học tối ưu dạng phức Cu2+ BDC PBE0/631+G(d,p)/PCM(H2O) 3.1.1.4 Khảo sát tính chất quang học phức [CuBDC]2+ Kết qủa tính tốn TDDFT cho thấy [CuBDC] 2+ hấp thụ ánh sáng bước sóng 431 nm (Hình 3.13) khơng phát huỳnh quang (Hình 3.15) Hình 3.13 Phổ UV-Vis phức [CuBDC]2+ PBE0/6-311++G(d,p) Hình 3.15 Hình học, HOMO LUMO [CuBDC]2+ trạng thái D1 Hình 3.17 Giản đồ Jablonski minh họa chế kích thích dập tắt huỳnh quang phức [CuBDC]2+ Cơ chế kích thích dập tắt huỳnh quang phức [CuBDC]2+ minh họa Hình 3.17 Ở trạng thái [CuBDC] 2+ phân bố mức có dao động thấp () ký hiệu ) Khi bị kích thích photon có bước sóng phù hợp, [CuBDC]2+ chuyển lên trạng thái kích thích D 10 ứng với mức dao động khác Sau phân tử thực q trình vr ic liên tiếp để hồi phục trạng thái kích thích có lượng thấp nhất, ký hiệu ) Trong phức [CuBDC]2+, vùng không gian phân bố mật độ electron LUMOβ HOMOβ không trùng lặp lên nhau, dẫn đến xác suất chuyển đổi D1 → D0 gần không Đồng thời khoảng cách D D1 có giá trị nhỏ (0,35 eV), dẫn đến chồng lấn mức lượng D1 với D0 mức dao động cao, làm trình ic diễn 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, thông số nhiệt động học giai đoạn phản ứng tổng hợp BDC khảo sát trình bày Bảng 3.9 Giá trị enthalpy (∆Ho) lượng Gibbs (ΔGo) phản ứng (1), (2), (3), (4), (5) (6) liệt kê Bảng 3.9 Dữ liệu tính tốn cho thấy tất phản ứng tổng hợp thuận lợi mặt nhiệt động học Bảng 3.9 Các thông số nhiệt động học phản ứng tổng hợp BDC Phản ứng (1) (2) (3) (4) (5) (6) 3,4 –12,5 –39,1 –63,1 –80,4 –8,7 –8,8 –14,9 –47,1 –50,2 –92,1 –7,1 3.1.1.6 Tổng kết thiết kế lý thuyết sensor BDC Kết thiết kế lý thuyết sensor BDC minh họa Hình 3.20 Hình 3.20 Tổng hợp kết thiết kế lý thuyết sensor huỳnh quang BDC 3.1.2 Nghiên cứu thực nghiệm tổng hợp, đặc trưng ứng dụng sensor BDC 3.1.2.1 Thực nghiệm tổng hợp BDC a Tổng hợp chất trung gian P1 P2 Quy trình tổng hợp P1 P2 khảo sát tóm tắt sau: Hòa tan 3,86 gam (20 mmol) 4-Diethylaminosalicylaldehyde 6,4 gam (40 mmol) diethylmalonate vào bình cầu chứa 100 mL ethanol tuyệt đối, thêm tiếp vào hỗn hợp mL triethylamine Khuấy đun hồi lưu hỗn hợp Hỗn hợp sau phản ứng đem cô quay chân không để loại bỏ dung môi triethylamine, thu sản phẩm thô P1 Thêm hỗn hợp gồm 50 mL acid HCl đặc 50 mL acid acetic acid khan vào bình cầu chứa sản phẩm thơ P1, khuấy đun hồi lưu hỗn hợp Bình chứa hỗn hợp phản ứng để nguội đến nhiệt độ phịng, sau cho vào nước đá phút Nhỏ giọt dung dịch NaOH đặc vào hỗn hợp để điều chỉnh pH hỗn hợp khoảng 5, thu kết tủa màu nhạt Sau khuấy hỗn hợp 30 phút Lọc hỗn hợp, rửa kết tủa với nước, sau kết tinh kết tủa lại ethanol thu sản phẩm P2 với hiệu suất khoảng 65,5 % Cấu trúc sản phẩm P2 xác nhận phổ 1HNMR b Tổng hợp chất trung gian P3 Quy trình tổng hợp P3 khảo sát tóm tắt sau: Thêm giọt DMF khan (5 mL) vào bình cầu chứa 5mL POCl nhiệt độ phịng mơi trường khí N khuấy hỗn hợp 30 phút, thu dung dịch màu đỏ sẫm Thêm 3,0 gam (14 mmol) sản phẩm P2 vào bình cầu chứa hỗn hợp chuẩn bị Khuấy hỗn hợp 30 phút, thu huyền phù màu đỏ tươi Sau hỗn hợp khuấy qua đêm 60 0C Để nguội hỗn hợp phản ứng đến nhiệt độ phịng sau cho vào nước đá phút Nhỏ giọt dung dịch NaOH 20 % vào hỗn hợp thu kết tủa màu trắng Kết tủa lọc, rửa nước, sấy khô kết tinh lại ethanol khan, thu sản phẩm P3 với hiệu suất khoảng 60,5 % Cấu trúc sản phẩm P3 xác nhận phổ 1H-NMR c Tổng hợp sensor BDC Quy trình tổng hợp BDC khảo sát tóm tắt sau: Hịa tan 245 mg (1 mmol) sản phẩm P3 182,5 mg (1,1 mmol) 2hydrazinobenzothiazole vào bình cầu chứa 50 mL ethanol khan Khuấy đun hồi lưu hỗn hợp thu kết tủa màu đỏ Lọc, rửa kết tủa ethanol nóng lần, thu sản phẩm BDC với hiệu suất khoảng 75,6 % Cấu trúc sản phẩm BDC xác nhận phổ 1H-NMR, 13CNMR ESI-MS 3.1.2.2 Khảo sát thực nghiệm đặc trưng sensor BDC a Chuẩn bị mẫu điều kiện đo Dung dịch gốc BDC (1 mM) pha hệ dung môi ethanol/HEPES với tỉ lệ thể tích ethanol HEPES 1:1 pH 7,4 (pH 7,4, 1/1, v/v) Dung dịch gốc cation kim loại (1 mM), biothiol (1 mM) pha nước cất hai lần b Phổ UV-Vis huỳnh quang BDC Phổ thực nghiệm UV-Vis huỳnh quang dung dịch BDC trình bày Hình 3.25 Kết cho thấy BDC có hai dải hấp thụ với bước sóng cực đại 300 nm 460 nm Trong dải hấp thụ với có cường độ lớn Phổ huỳnh quang BDC, có dải phát xạ mạnh đạt cực đại 536 nm, với độ chuyển dịch Stoke tương đối lớn (76 nm) Hình 3.25 Phổ UV-Vis (a) huỳnh quang (b) bước sóng kích thích 460 nm BDC (5,0 μM) ethanol/HEPES (pH 7,4, 1/1, v/v) c Phổ UV-Vis huỳnh quang BDC với cation kim loại Hình 3.26 trình bày phổ UV-Vis huỳnh quang dung dịch BDC có mặt cation kim loại khác Dữ liệu cho thấy ion Cu 2+ có tương tác rõ ràng với BDC kết làm tăng cường độ hấp thụ dịch chuyển đáng kể cực đại hấp thụ từ 460 nm đến 510 nm Ion Hg 2+ làm dịch chuyển cực đại hấp thụ từ 460 nm đến 500 nm, cường độ hấp thụ nhỏ so với ion Cu2+ Các cation kim loại lại tạo thay đổi nhỏ phổ UV-Vis BDC Đối với phổ huỳnh quang, có mặt ion Cu2+ dẫn đến dập tắt huỳnh quang BDC 95 %, ion Hg2+ dập tắt huỳnh quang khoảng 40 % Các cation kim loại cịn 10 lại khơng làm thay đổi huỳnh quang BDC Ảnh hưởng Hg2+ lên trình phát Cu 2+ BDC loại bỏ ion Cl- (Hình 3.28) Hình 3.26 Phổ UV-Vis (a) huỳnh quang (b) BDC (5,0 μM) thêm 5,0 μM Cu2+ Na+, K+, Mg2+, Fe3+, Co2+, Ni2+, Zn2+, Pb2+, Cd2+ Hg2+ Hình 3.28 Phổ huỳnh quang BDC (5,0 μM) ethanol/HEPES (pH 7,4, 1/1, v/v) có mặt Hg 2+, Cu2+ NaCl (a); có mặt Cu2+ EDTA d Khảo sát ảnh hưởng thời gian pH lên phổ UV-Vis huỳnh quang Để sử dụng BDC làm sensor phát ion Cu 2+, yếu tố thời gian pH khảo sát Kết cho thấy phản ứng BDC Cu 2+ xảy nhanh đạt cân sau khoảng 10 giây; pH tiến hành thí nghiệm khoảng 5,0 đến 9,0 e Khảo sát phổ UV-Vis huỳnh quang BDC với Cu2+ Kết trình bày hình 3.31, cho thấy nồng độ Cu 2+ tỷ lệ với mật độ quang 510 nm cường độ huỳnh quang 536 nm 11 Hình 3.31 Phổ UV-Vis (a) huỳnh quang (b) BDC (5,0 μM) 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 10,0 μM) f Khảo sát sử dụng BDC làm sensor UV-Vis huỳnh quang phát Cu2+ Hình 3.32 Thay đổi mật độ quang 525 nm (a) cường độ huỳnh quang 536 nm (b) BDC (5,0 μM) 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 525 nm Hình 3.32a cho thấy 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 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)[Cu2+] (ppb) với R2 = 0,9992 Tại bước sóng huỳnh quang 536 nm, 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 ± 12 4,262) – (3,004 ± 0,029)[Cu2+] (ppb) với R2 = 0,9992 Kết cho thấy sử dụng BDC sensor huỳnh quang phát ion Cu2+ Hình 3.33 cho thấy phương pháp đo UV-Vis có LOD = 5,7 ppb, LOQ = 19,0 ppb phương đo huỳnh quang có LOD = 4,0 ppb, LOQ = 13,3 ppb Độ nhạy sensor BDC cao nhiều so với số sensor cơng bố gần Hình 3.33 Đồ thị xác định LOD LOQ Cu2+ BDC (5,0 μM) phương pháp UV-Vis 525 nm (a) huỳnh quang 536 nm (b) 3.1.2.3 Khảo sát khả sử dụng phức BDC–Cu2+ phát biothiol a Xác định tỉ lệ tạo phức BDC Cu2+ Hình 3.34 (a) Đồ thị Job BDC Cu2+; (b) Đồ thị cường độ huỳnh quang BDC (5,0 μM) nồng độ khác Cu2+ (bước sóng kích thích 460 nm, bước sóng phát xạ 536 nm) Kết từ đồ thị Job cho thấy BDC tạo phức với ion Cu 2+ theo tỷ lệ 1:1 Kết xác nhận dựa vào thay đổi cường độ huỳnh 13 quang dung dịch BDC thêm Cu2+ nồng độ khác (Hình 3.34b) b Xác định số bền thực nghiệm phức BDC–Cu2+ Hằng số bền thực nghiệm phức [CuBDC] 2+ (βex) xác định phương pháp làm khớp đường cong phi tuyến (nonlinear curve-fitting method) [157],[158] (Hình 3.35) xác định logβ = 7,54 (R2 = 0,990) Hình 3.35 Đường cong phi tuyến xác định số bền phức [CuBDC]2+ c Khảo sát khả phản ứng [CuBDC]2+ với biothiol Các phân tử biothiol gồm cysteine (Cys), homocysteine (Hcy) glutathione (GSH) phản ứng với [CuBDC]2+ dẫn đến phục hồi huỳnh quang dung dịch (Hình 3.36) Hình 3.36 Cường độ huỳnh quang BDC (5,0 μM); BDC (5,0 μM) + Cu2+ (5,0 μM) BDC (5,0 μM) + Cu2+ (5,0 μM) + Cys, HCy GSH (10,0 μM) d Khảo sát sử dụng [CuBDC]2+ làm sensor phát cysteine 14 Để xem xét khả sử dụng [CuBDC]2+ làm sensor huỳnh quang phát cystien, phụ thuộc cường độ huỳnh quang dung dịch vào nồng độ Cys khảo sát Hình 3.37 Phổ huỳnh quang (a) cường độ huỳnh quang (b) [CuBDC]2+ (5,0 μM) 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 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 Cys theo phương trình với R2 = 0,9959 (Hình 3.37) Giới hạn phát (LOD) giới hạn định lượng (LOQ) xác định phương pháp hồi quy tuyến tính khoảng nồng độ thấp Cys Giá trị LOD LOQ 0,3 1,1 μM (Hình 3.38) Hình 3.38 Đồ thị xác định LOD LOQ Cys sensor [CuBDC]2+ (5,0 μM) 15 3.2 Thiết kế, tổng hợp, đặc trưng ứng dụng sensor huỳnh quang RLED dựa phản ứng mở vòng rhodamine spirolactam phát Hg2+ 3.2.1 Nghiên cứu lý thuyết thiết kế, tổng hợp, đặc trưng ứng dụng sensor huỳnh quang RLED 3.2.1.1 Sơ đồ thiết kế RLED Hình 3.40 trình bày sơ đồ thiết kế hoạt động dự kiến sensor huỳnh quang N–(rhodamine–6G)lactam – ethylenediamine – – dimethylamino – cinnamaldehyde (RLED) phát Hg2+ Hình 3.40 Sơ đồ thiết kế hoạt động dự kiến sensor RLED 3.2.1.2 Khảo sát tính chất quang học RLED Kết tính toán TDDFT cho thấy RLED hấp thụ ánh sáng bước sóng 375 nm (Hình 3.3) Cả phân tích TDDFT mơ hình lỗ trống – điện tử cho thấy q trình kích thích RLED xảy bên ngồi trung tâm fluorophore, dự đốn RLED khơng phát huỳnh quang Hình 3.42 Phổ UV-Vis, HOMO LUMO RLED 16 3.2.1.3 Khảo sát dạng tồn RLED dung dịch Hình 3.44 trình bày dạng tồn RLED dung dịch Tính tốn nhiệt động phản ứng chuyển đổi dạng tồn RLED (Bảng 3.12) cho thấy môi trường acid RLED tồn dạng mở vòng spirolactam, ngược lại mơi trường trung tính RLED tồn dạng đóng vịng spirolactam Hình 3.44 Cấu trúc phân tử dạng RLED dung dịch Bảng 3.12 Năng lượng Gibbs phản ứng chuyển đổi dạng tồn RLED 3.2.1.3 Khảo sát phản ứng RLED Hg2+ 17 Hình 3.46 Hình học bền M, N phức ổn định Tương tác RLED ion Hg 2+ đóng vai trị định hoạt động sensor dự kiến Theo sơ đồ thiết kế, phản ứng RLED ion Hg2+ phải dẫn đến mở vòng spirolactam để bật huỳnh quang phân tử sensor Các tính tốn nhiệt động học trình bày Bảng 3.13 cho thấy thấy RLED tạo phức thuận lợi với Hg 2+ để hình thành phức [HgL1]2+, sau phức bị thủy phân (phản ứng 2) để tạo thành rhodamine 575 (M) hợp chất phát huỳnh quang mạnh, với bước sóng kích thích phát xạ thực nghiệm môi trường ethanol tương ứng 526 nm 546 nm [171] Bảng 3.13 Năng lượng Gibbs phản ứng khảo sát số bền phức Liên kết phức [HgL1]2+ xác nhận dựa vào phân tích QTAIM Kết cho thấy có hình liên kết ngun tử Hg với N31 N64 3.2.1.4 Khảo sát phản ứng tổng hợp RLED Dựa vào sơ đồ tổng hợp thực nghiệm, thông số nhiệt động học giai đoạn phản ứng tổng hợp RLED khảo sát trình bày Bảng 3.15 Kết cho thấy phản ứng (1) thuận lợi mặt nhiệt động 18 Phản ứng (2) thuộc loại phản ứng tạo imine nhóm aldehyde amine bậc hai Về mặt thực nghiệm, phản ứng thuận nghịch phù hợp kết tính toán lượng Gibbs phản ứng 0,1 kcal.mol –1 tương ứng số cân phản ứng 0,84 Giá trị số cân cho thấy phản ứng thuận nghịch điển hình Do để tăng hiệu suất phản ứng (2) cần có biện pháp loại bỏ nước tạo thành trình phản ứng Bảng 3.15 Các thơng số nhiệt động học phản ứng tổng hợp RLED 3.2.1.6 Tổng kết thiết kế lý thuyết sensor RLED Kết thiết kế lý thuyết sensor RLED minh họa Hình 3.50 Hình 3.50 Tổng hợp kết thiết kế lý thuyết sensor huỳnh quang RLED 3.2.2 Nghiên cứu thực nghiệm tổng hợp, đặc trưng 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 khảo sát tóm tắt sau: Cho vào bình cầu 100 mL, 480 mg (1,0 mmol) Rhodamine 6G, 0,67 mL (10,0 mmol) ethylenediamine 20 mL ethanol Hỗn hợp phản ứng đun hồi lưu huỳnh quang mẫu biến Hỗn hợp sau phản ứng để nguội đến nhiệt độ phòng, lọc kết tủa rửa ba lần ethanol lạnh Sản phẩm thô kết tinh lại acetonitril thu khoảng 19 370 mg N-(rhodamine-6G)lactam-ethylenediamine chất rắn màu trắng với hiệu suất khoảng 80 % Cấu trúc N-(rhodamine-6G)lactamethylenediamine xác nhận phổ 1H-NMR ESI-MS b Tổng hợp RLED Quy trình tổng hợp khảo sát tóm tắt sau: Cho 456 mg (1,0 mmol) N-(rhodamine-6G)lactam-ethylenediamine, 350 mg (2,0 mmol) 4-dimethylamino-cinnamaldehyde 50 mL ethanol vào bình cầu Đun hồi lưu hỗn hợp phản ứng khí N khuấy thêm nhiệt độ phòng thu kết tủa màu trắng, lọc rửa kết tủa ba lần ethanol lạnh Kết tinh lại sản phẩm acetonitrile thu khoảng 338.2 mg RLED với hiệu suất khoảng 50 % Cấu trúc RLED xác nhận phổ 1H-NMR, 13C-NMR ESI-MS c Sản phẩm phản ứng RLED Hg2+ Theo thiết kế lý thuyết, có mặt ion Hg 2+, RLED bị thủy phân tạo sản phẩm rhodamine 575 Do thực nghiệm phản ứng RLED ion Hg2+ tiến hành để xác nhận sản phẩm phản ứng Cho 100 mg (0.16 mmol) RLED, 400 mg (1,0 mmol) Hg(ClO 4).nH2O 100 mL ethanol vào bình cầu Đun hồi lưu hỗn hợp Dung môi loại bỏ áp suất thấp hòa tan cặn 100 mL CH 2Cl2, rửa nước lần Lớp hữu làm khô MgSO dung môi làm bay áp suất thấp Sản phẩm thơ tính chế sắt ký cột thu 16.5 mg Rhodamine 575 Cấu trúc rhodamine 575 xác định phổ 1H-NMR, 13C NMR ESI-MS 3.2.2.2 Khảo sát thực nghiệm đặc trưng sensor RLED a Chuẩn bị mẫu điều kiện đo Dung dịch gốc RLED (1,0 mM) pha hệ dung môi methanol/HEPES (pH 7,4, 1/9, v/v) Các dung dịch gốc cation kim loại (1,0 mM) pha nước cất hai lần Các cuvette thủy tinh thạch anh có chiều rộng 10 mm sử dụng để đo phổ UV-Vis huỳnh quang tương ứng Chiều rộng khe (slit) kích thích phát xạ nm b Phổ UV-Vis huỳnh quang RLED có mặt cation kim loại Kết cho thấy dạng tự RLED có ba dải hấp thụ tương ứng với bước sóng hấp thụ cực đại 295 nm, 407 nm 480 nm (Hình 3.55) 20 Hình 3.55 Phổ UV-Vis (a) huỳnh quang (b) RLED (10,0 μM) thêm 10,0 μM Hg2+ 10,0 μM cation kim loại khác (Mn+) Cu2+, Zn2+, Pb2+, Cd2+,Fe2+, Co2+, Ni2+, Ag+, Na+, K+, Ca2+ Mg2+ Dung dịch RLED có mặt Hg 2+ xuất cực đại hấp thụ 530 nm cation kim loại khác không ảnh hưởng lên phổ UV-Vis RLED Tương đồng với dự đốn lý thuyết, RLED chuyển từ dạng khơng phát huỳnh quang sang phát huỳnh quang tương tác với ion Hg2+ với bước sóng phát xạ cực đại 558 nm Hơn nữa, có mặt cation kim loại khác gần khơng làm thay đổi tính chất huỳnh quang RLED c Khảo sát ảnh hưởng thời gian pH lên phổ UV-Vis huỳnh quang Để sử dụng RLED làm sensor phát Hg 2+, yếu tố thời gian pH khảo sát Kết cho thấy phản ứng RLED Hg 2+ xảy chậm, cường độ hấp thụ huỳnh quang đạt ổn định sau khoảng 30 phút; pH tối ưu tiến hành thí nghiệm khoảng 5,0 đến 10,0 d Khảo sát sử dụng RLED làm sensor UV-Vis huỳnh quang phát Hg2+ Cực đại hấp thụ xuất 530 nm có cường độ tăng dần thêm Hg2+ (Hình 3.59a) Đồng thời với thay đổi này, màu sắc dung dịch chuyển từ không màu sang màu hồng Phổ huỳnh quang Hình 3.59b cho thấy bổ sung dần Hg 2+ xuất dải hấp thụ cực đại 558 nm với cường độ tăng dần, kéo theo phát xạ huỳnh quang màu vàng dung dịch (Hình 3.59b) 21 Hình 3.59 Phổ UV-Vis (a) huỳnh quang (b) RLED (10,0 μM) thêm 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 20,0 μM) Kết Hình 3.60a Hình 3.60b cho thấy mối quan hệ tuyến tính độ hấp thụ bước sóng 530 nm cường độ huỳnh quang bước sóng 558 m với nồng độ Hg 2+ khoảng 0,010,0 μM Ở nồng độ Hg2+ lớn 10,0 μM, độ hấp thụ cường độ huỳnh quang không đổi Những kết cho thấy RLED phản ứng với ion Hg 2+ theo tỉ lệ 1:1 Trong khoảng nồng độ Hg2+ từ 0,0 đến 10,0 μM, đường chuẩn thu từ mối quan hệ tuyến tính độ hấp thụ RLED nồng độ Hg 2+ A530nm = (0,022 ± 0,002) + (0,017 ± 0,000)[Hg 2+] với R2 = 0,9969; đường chuẩn thu từ mối quan hệ tuyến tính cường độ huỳnh quang RLED nồng độ ion Hg2+ F558nm = (–34,015 ± 26,792) + (199,175 ± 4,529)[Hg2+] với R2 = 0,9949 Giới hạn phát Hg 2+ phương pháp đo UV-Vis huỳnh quang tương ứng 0,02 μM 0,014 μM Các kết cho thấy sử dụng RLED làm sensor UV-Vis huỳnh quang phát Hg 2+ Hình 3.60 Mật độ quang 530 nm (a) cường độ huỳnh quang 558 nm (b) RLED (10,0 μM) thêm Hg2+ (0,0 – 20,0 μM) 22 NHỮNG KẾT LUẬN CHÍNH CỦA LUẬN ÁN Hóa học tính tốn lượng tử áp dụng thành công để hỗ trợ định hướng thực nghiệm thiết kế, tổng hợp, đặc trưng ứng dụng ba sensor huỳnh quang chemosensor BDC, chemodosensor [CuBDC] 2+ chemodosimeter RLED Đây hướng nghiên cứu có nhiều triển vọng việc phát triển vật liệu nói chung sensor huỳnh quang nói riêng Chemosensor BDC chemodosimeter RLED thiết kết lý thuyết từ đầu, bao gồm khảo sát lý thuyết đặc tính quang học sensor; khả tương tác sensor với đối tượng phân tích; thay đổi tín hiệu huỳnh quang sensor trước sau tương tác với đối tượng phân tích; đánh giá nhiệt động học phản ứng tổng hợp sensor Quá trình nghiên cứu thực nghiệm thành công sensor BDC RLED dựa sơ đồ thiết kế lý thuyết chứng minh cho kết quả, giá trị khoa học luận án với mục tiêu áp dụng hóa học tính toán thực nghiệm để phát triển sensor huỳnh quang BDC chemosensor huỳnh quang phát ion Cu 2+ với đặc tính: giới hạn phát giới hạn định lượng tương ứng 4,0 ppb 13,3 ppb; phản ứng xảy gần tức thời; không bị ảnh hưởng cation kim loại khác Na+, K+, Mg2+, Fe3+, Co2+, Ni2+, Zn2+, Pb2+ Cd2+; hoạt động khoảng pH rộng từ 5,0 đến 9,0 BDC Cu 2+ tương tác với theo chế tạo phức với tỉ lệ phản ứng 1:1 Hằng số bền phức BDC–Cu2+ xác định tính tốn có phù hợp tốt với thực nghiệm với giá trị tương ứng 7,16 7,54 Kết tính tốn thực nghiệm cho thấy sensor BDC hoạt động theo kiểu ON–OFF Ngồi sử dụng BDC làm sensor trắc quang phát ion Cu2+ với giới hạn phát định lượng tương ứng 5,7 ppb 19,0 ppb Một sensor huỳnh quang sử dụng phức [CuBDC] 2+ phát biothiol phát triển thành công dựa vào thiết kế lý thuyết thực nghiệm Sensor huỳnh quang [CuBDC] 2+ phát cysteine với giới hạn phát định lượng tương ứng 0,3 μM 1,1 μM RLED chemodosimeter huỳnh quang phát chọn lọc ion Hg2+ có mặt cation kim loại khác bao gồm Cu2+, Zn2+, Pb2+, Cd2+, Fe2+, Co2+, Ni2+, Ag+, Na+, K+, Ca2+ Mg2+ với giới hạn phát định lượng tương ứng 0,14 μM 0,47 μM Kết tính tốn lý thuyết 23 thực nghiệm cho thấy RLED tương tác với ion Hg2+ thông qua phản ứng tạo phức dẫn đến mở vịng spirolactam q trình thủy phân tạo rhodamine 575 chất có màu hồng phát huỳnh quang mạnh Sensor RLED hoạt động khoảng pH rộng từ 5,0 đến 10,0 theo kiểu OFF–ON Ngồi sử dụng RLED làm sensor trắc quang phát ion Hg2+ với giới hạn phát định lượng tương ứng 0,02 μM 0,07 μM 24 ... thuyết thiết kế, tổng hợp, đặc trưng ứng dụng sensor huỳnh quang BDC [CuBDC]2+ + Nghiên cứu thực nghiệm tổng hợp, đặc trưng ứng dụng sensor huỳnh quang BDC [CuBDC]2+ - Nghiên cứu thiết kế, tổng hợp, .. .hóa tính tốn thiết kế, tổng hợp ứng dụng số sensor huỳnh quang? ?? Những đóng góp luận án - Quy trình thiết kế lý thuyết sensor huỳnh quang bao gồm: dự đoán đặc tính quang học sensor dạng... LUẬN 3.1 Thiết kế, tổng hợp, đặc trưng ứng dụng sensor huỳnh quang BDC dựa dẫn xuất coumarin phát Cu2+ 3.1.1 Nghiên cứu lý thuyết thiết kế, tổng hợp, đặc trưng ứng dụng sensor huỳnh quang BDC