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

MỞ ĐẦU Glutathione (GSH), cysteine (Cys) homocysteine (Hcy) hợp chất thiol đóng vai trị quan trọng trình sinh học Mức độ bất thường biothiol có liên quan đến nhiều loại bệnh tổn thương gan, tổn thương da, Alzheimer, Parkinson, tim mạch, tiểu đường HIV Thủy ngân chất gây ô nhiễm nguy hiểm phổ biến, phát thải thông qua hoạt động tự nhiên hoạt động người, gây ảnh hưởng nghiêm trọng sức khỏe người cách phá hoại hệ thống thần kinh trung ương tuyến nội tiết, dẫn đến rối loạn nhận thức vận động Vì vậy, việc xác định biothiol tế bào, hàm lượng thủy ngân nguồn nước quan trọng chẩn đoán sớm bệnh liên quan, bảo vệ môi trường sống thu hút quan tâm nhà khoa học ngồi nước Có nhiều phương pháp áp dụng phát biothiol ion Hg(II) phương pháp sắc ký lỏng hiệu cao (HPLC), phương pháp phổ khối lượng (MS), phương pháp sắc ký khí (GC), phương pháp phân tích điện hóa, phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử (MAS) - phương pháp phân tích UV-Vis, phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) phương pháp huỳnh quang… Trong đó, phương pháp huỳnh quang có nhiều ưu điểm hơn, khơng địi hỏi thiết bị máy móc đắt tiền, dễ thực hiện, tốn kém, áp dụng phân tích cho nhiều đối tượng, đặc biệt phân tích chất tế bào sống Phương pháp huỳnh quang Giáo sư Anthony W Czarnik Đại học Quốc gia Ohio nghiên cứu đề xuất cách tiếp cận lĩnh vực sensor quang học vào năm 1992 Với ưu phương pháp huỳnh quang, nên nhiều năm qua, nghiên cứu sensor huỳnh quang nhằm phát ion kim loại, anion, đặc biệt phân tử sinh học thu hút quan tâm nhà khoa học nước với số lượng sensor huỳnh quang công bố ngày nhiều giới Ở Việt Nam, việc nghiên cứu sensor huỳnh quang năm 2007 tác giả Dương Tuấn Quang Các sensor huỳnh quang tác giả Dương Tuấn Quang công bố bao gồm: chemosensor phát ion Fe(III), F-, Cs+ Cu(II) dựa calix[4]arene; chemosensor chứa vòng 1,2,3-triazole phát Al(III) chemosensor phát ion Hg(II) từ dẫn xuất chất phát huỳnh quang rhodamine Để xác định biothiol, nghiên cứu thiết kế sensor huỳnh quang dựa phản ứng đặc trưng biothiol phản ứng tạo vòng với aldehyde, phản ứng cộng Michael, phản ứng ghép nối peptide, phản ứng xếp nhóm nhân thơm, phản ứng phân tách sulfonamide ester sulfonate ester, phản ứng phân tách disulfides Ngoài việc sử dụng phản ứng đặc trưng biothiol, phản ứng trao đổi phức (phức chất huỳnh quang với ion Cu(II)…) sử dụng Các nghiên cứu sensor huỳnh quang phát ion Hg(II) dựa phản ứng đặc trưng ion Hg(II) phản ứng tách loại lưu huỳnh đóng vịng guanidine, phản ứng chuyển đổi nhóm thiocarbonyl thành nhóm carbonyl, phản ứng tách loại thiol,…và dựa phản ứng tạo phức ion Hg(II) với phối tử -O,N,-S vòng mạch hở Đến nay, nhiều chất phát huỳnh quang khác sử sụng để phát triển sensor huỳnh quang Tuy nhiên, từ đặc tính huỳnh quang vượt trội, nên dẫn xuất cyanine coumarin sử dụng nhiều nghiên cứu phát triển sensor huỳnh quang, có sensor huỳnh quang phát ion Hg(II), biothiol Mặc dù có nhiều nỗ lực phát triển sensor huỳnh quang để xác định biothiol ion Hg(II) đa phần sensor tồn số hạn chế sử dụng lượng lớn dung môi hữu cơ, giới hạn phát cịn cao, có bước sóng phát xạ ngắn gây ảnh hưởng đến tế bào, phản ứng sensor với chất phân tích xảy chậm Hiện nay, nhà khoa học giới tiếp tục nghiên cứu thiết kế sensor huỳnh quang có độ nhạy độ chọn lọc cao để phát biothiol ion Hg(II) Đây hướng nghiên cứu nhà khoa học giới quan tâm lớn, có nhiều tiềm ứng dụng phân tích đối tượng mơi trường y sinh học Với phát triển hỗ trợ mạnh cơng nghệ thơng tin, thế, hố tính tốn trở thành cơng cụ quan trọng nghiên cứu hố học nói chung nghiên cứu sensor huỳnh quang nói riêng Nhiều tính chất lý, hố dự đốn xác, làm sáng tỏ từ q trình tính tốn Sự kết hợp hóa tính tốn với nghiên cứu thực nghiệm hướng nghiên cứu đại Bởi vì, tính tốn lý thuyết nhằm định hướng cho thực nghiệm thiết kế, tổng hợp dự đốn đặc tính sensor; thực nghiệm kiểm chứng, khẳng định kết tính tốn, số trường hợp, kết thực nghiệm định hướng cho tính tốn việc nghiên cứu chất, giải thích rõ chế phản ứng Sự kết hợp linh hoạt giúp giảm thiểu thời gian thực nghiệm, tiết kiệm hóa chất tăng khả thành công nghiên cứu Tuy nhiên, cịn sensor huỳnh quang nghiên cứu theo hướng công bố Trước thực trạng trên, thực đề tài: "Thiết kế, tổng hợp số sensor huỳnh quang từ dẫn xuất cyanine coumarin để xác định biothiol Hg(II) " Nhiệm vụ luận án: - Nghiên cứu thiết kế, tổng hợp, đặc trưng ứng dụng sensor L từ dẫn xuất cyanine dựa phản ứng tạo phức phản ứng trao đổi phức, nhằm phát biothiol ion Hg(II) - Nghiên cứu thiết kế, tổng hợp, đặc trưng ứng dụng sensor AMC từ dẫn xuất coumarin phát biothiol, dựa phản ứng cộng Michael Những đóng góp luận án: - Sensor L thiết kế từ dẫn xuất cyanine công bố, phát chọn lọc ion Hg(II) dựa phản ứng tạo phức, hoạt động theo kiểu bật-tắt (ON-OFF); phức chất Hg(II) với L (Hg2L2) phát chọn lọc Cys dựa phản ứng trao đổi phức, hoạt động theo kiểu tắt-bật (OFF-ON) Giới phát giới hạn định lượng ion Hg(II) L tương ứng 11,8 μg/L 39,3 μg/L hay 0,059 μM 0,19 μM; giới phát giới hạn định lượng Cys Hg2L2 tương ứng 0,2 μM 0,66 μM - Sensor AMC thiết kế từ dẫn xuất coumarin công bố, phát chọn lọc Cys dựa phản ứng cộng Michael, hoạt động theo kiểu dựa biến đổi tỷ lệ cường độ huỳnh quang hai bước sóng Giới phát giới hạn định lượng Cys xác định tương ứng 0,5 μM 1,65 μM - Sensor L sensor AMC nghiên cứu kết hợp linh hoạt nghiên cứu tính tốn hóa lượng tử với nghiên cứu thực nghiệm Những đóng góp luận án công bố tại: - Dyes and Pigments, 2016, 131, pp 301-306 - Chemistry Letters, 2017, 46, pp 135-138 - Dyes and Pigments, 2018, 152, pp 118-126 - Vietnam Journal of Chemistry, International Edition, 2017, 55, pp.700-707 - Hue Univerity Journal of Science: Natural Science, 2018, Vol.127, No 1A, pp 51-59 Cấu trúc luận án gồm phần sau: - Mở đầu - Chương 1: Tổng quan tài liệu - Chương 2: Nội dung phương pháp nghiên cứu - Chương 3: Kết thảo luận - Những kết luận luận án - Định hướng nghiên cứu - Danh mục cơng trình liên quan đến luận án - Tài liệu tham khảo - Phụ lục CHƯƠNG TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Tổng quan nghiên cứu sensor huỳnh quang 1.1.1 Tình hình nghiên cứu sensor huỳnh quang Trong hóa học phân tích, phương pháp huỳnh quang có ưu điểm phương pháp quang học khác, độ nhạy cao Điều phát xạ tín hiệu huỳnh quang tỉ lệ thuận với nồng độ chất phân tích; phương pháp trắc quang nồng độ chất tỉ lệ thuận với độ hấp thụ, mà độ hấp thụ lại liên quan đến tỉ lệ cường độ đo trước sau chùm ánh sáng qua mẫu Do đó, huỳnh quang, tăng cường độ chùm tia tới dẫn đến phát tín hiệu huỳnh quang mạnh, điều khơng xảy phương pháp đo độ hấp thụ Các kỹ thuật đo huỳnh quang xác định nồng độ nhỏ triệu lần so với phương pháp đo độ hấp thụ Năm 1992, Anthony W Czarnik lần đưa khái niệm chemodosimeter phân tử phi sinh học đề xuất cách tiếp cận lĩnh vực sensor quang học để nhận dạng chất phân tích Ông nnc trình bày chemodosimeter phát ion Cu(II) dựa phản ứng mở vòng dẫn xuất rhodamine-B [17] Thời gian đầu, cơng trình nghiên cứu chemosensor chemodosimeter (gọi chung sensor huỳnh quang) chủ yếu thiết kế để xác định ion kim loại, sau chúng phát triển để xác định anion Trong thời gian gần đây, nhà khoa học thiết kế chemosensor chemodosimeter để xác định phân tử, đặc biệt phân tử sinh học Đến nay, giới tuần có sensor huỳnh quang cơng bố [138] Điều sensor huỳnh quang thường nhạy, dễ thực tốn [120] so với phương pháp truyền thống phương pháp sắc ký lỏng hiệu cao, phương pháp phổ khối lượng, phương pháp sắc ký khí, phương pháp phân tích điện hóa, phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử - phương pháp phân tích UV-Vis, phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) việc phân tích chất Các nghiên cứu sensor huỳnh quang nhằm mục đích phân tích nhiều đối tượng khác Những nghiên cứu cơng bố phát chọn lọc ion kim loại Hg(II), Cu(II), Fe(II), Fe(III), Al(III),…[63], [74], [75], [78], [82], [120] Một số sensor huỳnh quang phát ion kim loại tế bào sống ion Fe(III) tế bào gan [82], ion Cu(II) tế bào HepG2 [63], ion Hg(II) tế bào PC3 [78],… Ngoài ra, sensor huỳnh quang cịn phát anion bisulfite [111], sulfite [47], acetate, benzoate, cyanide, fluoride [26],…So với ion kim loại anion, việc phát triển chemosensor chemodosimeter ứng dụng phân tích phân tử, đặc biệt phân tử sinh học bắt đầu muộn hơn, số lượng cơng trình đặc biệt tăng lên thời gian gần đây, kết nghiên cứu chemosensor chemodosimete cho thấy sensor huỳnh quang phát nhanh, nhạy, chọn lọc biothiol [33], [35], [45], [60], [65], [89], [90], [93], [141], [144], [169], [177], [178],[180], [181],[185], [187] Các cơng trình khoa học liên quan đến lĩnh vực chemodosimeter chemosensor huỳnh quang nhà khoa học Việt Nam cơng bố tạp chí quốc tế cịn Sensor huỳnh quang tác giả Dương Tuấn Quang nghiên cứu kể từ năm 2007 Đến có số tác giả khác nghiên cứu lĩnh vực Các sensor huỳnh quang tác giả Dương Tuấn Quang nnc công bố bao gồm: chemosensor phát ion Fe(III) dựa biến đổi tỉ lệ phát xạ monomer/excimer từ nhóm pyren gắn với calix[4]arene [73]; chemosensor phát ion F(I) ion Cs(I) dựa calix[4]arene với 2,3-naphthocrown-6 coumarin amide [84]; chemosensor phát ion Cu(II) dựa calix[4]arene coumarin [119]; chemosensor chứa vòng 1,2,3-triazole dùng để phát ion Al(III) [75]; chemosensor phát ion Hg(II) dựa dẫn xuất rhodamine [121] Tác giả Nguyễn Khoa Hiền nnc thiết kế tổng hợp chemosensor huỳnh quang từ dẫn xuất dimethylaminocinnamaldehyde với aminothiourea để xác định đồng thời ion Ag(I), ion Hg(II) ion Cu(II) [42] chemodosimeter dựa hệ liên hợp dansyl-diethylenetriamine-thiourea phát chọn lọc ion Hg(II) [43], sensor hoạt động theo kiểu ON-OFF; tác giả Phan Tứ Quý nnc thiết kế tổng hợp chemosensor huỳnh quang từ dẫn xuất rhodamine phát chọn lọc ion Hg(II) dựa phản ứng tạo phức phản ứng đặc trưng ion Hg(II) chemodosimeter từ dẫn xuất fluorescein phát chọn lọc ion Hg(II) dựa phản ứng tạo phức phản ứng đặc trưng ion Hg(II), tất hoạt động kiểu tắtbật (OFF-ON) huỳnh quang theo chế khác 1.1.2 Nguyên lý hoạt động sensor huỳnh quang Năm 2010, tác giả Dương Tuấn Quang Jong Seung Kim trình bày nguyên lý hoạt động chemosensor chemodosimeter [120] mơ tả Hình 1.1 Theo tác giả, chemosensor tương tác với chất phân tích, xảy phối trí chemosensor với chất phân tích, kết tạo thành cấu trúc phát tín hiệu (Hình 1.1a), hình thành cấu trúc phát tín hiệu cấu trúc khơng phát tín hiệu (Hình 1.1b) Các phản ứng thuận nghịch Trong đó, chemodosimeter tương tác với chất phân tích gây phản ứng khơng thuận nghịch, chất phân tích liên kết cộng hóa trị với hay nhiều nguyên tử hình thành cấu trúc phát tín hiệu cấu trúc khơng phát tín hiệu, cấu trúc khác mặt hóa học so với chemodosimeter ban đầu Chất phân tích liên kết với hai cấu trúc (Hình 1.1c 1.1d) Hình 1.1 Nguyên lý hoạt động chemosensor (a, b) chemodosimeter (c, d) [120] Các sensor huỳnh quang hoạt động theo nguyên lý biến đổi từ trạng thái không phát huỳnh quang sang phát huỳnh quang (hay gọi kiểu “tắt-bật” “turn on”, “OFF-ON”) Bên cạnh đó, cơng bố [142] gần cho thấy, số sensor huỳnh quang hoạt động theo kiểu ngược lại (hay gọi kiểu “bật-tắt” “turn off”, “ON-OFF”) Vì vậy, khái niệm, sensor phân tử (gồm chemodosimeter chemosensor) dùng để phát chất phân tích dựa thay đổi tín hiệu huỳnh quang trước sau phản ứng với chất phân tích Nếu sensor huỳnh quang phản ứng thuận nghịch với chất phân tích gọi chemosensor Trái lại, sensor huỳnh quang phản ứng không thuận nghịch với chất phân tích gọi chemodosimeter 1.1.3 Cấu tạo sensor huỳnh quang Hình 1.2 trình bày cấu tạo thơng thường sensor huỳnh quang Theo đó, gồm ba thành phần “fluorophore-spacer-receptor” Trong đó, fluorophore tiểu phần liên quan đến thay đổi tín hiệu huỳnh quang; receptor tiểu phần phản ứng tạo liên kết với chất phân tích; spacer tiểu phần cầu nối truyền dẫn tín hiệu receptor fluorophore [138] Các sensor loại thường hoạt động theo chế PET, FRET Một ví dụ sensor huỳnh quang có cấu tạo đầy đủ ba thành phần (Hình 1.3), Nguyễn Khoa Hiền nnc báo cáo dùng để phát ion Hg(II) [43] Hình 1.2 Cấu tạo sensor huỳnh quang [138] Hình 1.3 Sensor huỳnh quang kiểu “fluorophore-spacer-receptor” [43] Dựa nguyên tắc đó, sensor huỳnh quang cấu tạo gồm nhiều fluorophore nhiều receptor theo kiểu fluorophore-[spacer-receptor]n, [fluorophore-spacer]n-receptor [fluorophore]n-spacer-[receptor]n…[117], [183] Ngồi ra, số sensor huỳnh quang cấu tạo fluorophore-receptor [188], sensor loại thường hoạt động theo chế ICT 1.1.4 Nguyên tắc thiết kế sensor huỳnh quang Để thiết kế sensor huỳnh quang phù hợp vào việc ứng dụng phân tích chất tính chất huỳnh quang (bao gồm hiệu suất lượng tử huỳnh quang, bước sóng thời gian sống) phải thay đổi sau tương tác với chất phân tích Do đó, cần khảo sát tất yếu tố ảnh hưởng đến tính chất huỳnh quang Những yếu tố chủ yếu dựa nguyên tắc sau (chi tiết trình bày Phụ lục 1) [51], [146], [172]: Mức độ liên hợp hệ thống electron π; Ảnh hưởng nhóm thế; Sự chuyển điện tích nội phân tử (ICT); Sự chuyển điện tích nội phân tử xoắn (TICT); Sự chuyển electron cảm ứng ánh sáng (PET); Sự chuyển proton nội phân tử trạng thái kích thích (ESIPT); Sự chuyển lượng cộng hưởng Forster (FRET) 1.2 Vai trò biothiol tế bào phương pháp phát 1.2.1 Các biothiol vai trò chúng Các hợp chất hữu có chứa nhóm sulfhydryl hay nhóm thiol (nhóm -SH) gọi hợp chất thiol, trước thường gọi mecaptan Biothiol phân tử thiol sinh học, quan trọng gồm cysteine (Cys), glutathione (GSH) homocysteine (Hcy) (Hình 1.4) Các biothiol đóng vai trị quan trọng q trình sinh học Quá trình trao đổi chất vận chuyển hợp chất biothiol hệ thống sinh học có liên quan chặt chẽ đến loạt enzyme protein quan trọng Sự thiếu hụt mức nồng độ nội sinh biothiol dẫn đến thay đổi điều kiện bệnh lý khác Sự dao động thể trạng thái chức enzymn tương ứng có liên quan đến bệnh lý [13], [24], [75], [96], [162] Ví dụ, Cys xem nucleophile lý tưởng xúc tác enzyme cho phản ứng (oxy hóa khử) chuyển đổi thuận nghịch để trì cấu trúc protein bậc ba bậc bốn thơng qua hình thành disulfide điều kiện sinh lý [114] Sự thiếu hụt Cys gây bệnh lý tăng trưởng chậm, hôn mê, tổn thương gan, tổn thương da phá hủy sắc tố tóc [18]; GSH đóng vai trị quan trọng việc trì mơi trường oxy hóa tế bào sống [52], [122] [177] GSH có tác dụng bảo vệ tế bào chống lại chất tiết, chất độc hại tự nhiên gốc tự hydroperoxide Sự suy giảm nồng độ GSH có liên quan đến số bệnh người bệnh ung thư, thối hóa thần kinh bệnh tim mạch [5]; Nồng độ Hcy huyết cao yếu tố dẫn đến nguy cao mắc bệnh Alzheimer, bệnh tim mạch, viêm đại tràng, dị tật bẩm sinh bệnh suy giảm trí nhớ người cao tuổi [124], [134], [147] (b) (a) (c) (H) (C) (N) (S) (O) Hình 1.4 Hình học bền Cys (a), Hcy (b) GSH (c) mức lý thuyết B3LYP/LanL2DZ 1.2.2 Phương pháp phát biothiol Do tầm quan trọng phân tử thiol sinh học, việc nghiên cứu phương pháp để phát biothiol nhà khoa học quan tâm Có nhiều phương phân tích khác sử dụng để phát biothiol, chẳng hạn sắc ký lỏng hiệu cao, phổ khối lượng [36], sắc ký khí 10 ... tài: "Thiết kế, tổng hợp số sensor huỳnh quang từ dẫn xuất cyanine coumarin để xác định biothiol Hg(II) " Nhiệm vụ luận án: - Nghiên cứu thiết kế, tổng hợp, đặc trưng ứng dụng sensor L từ dẫn xuất. .. dẫn xuất cyanine coumarin sử dụng nhiều nghiên cứu phát triển sensor huỳnh quang, có sensor huỳnh quang phát ion Hg(II), biothiol Mặc dù có nhiều nỗ lực phát triển sensor huỳnh quang để xác định. .. calix[4]arene; chemosensor chứa vòng 1,2,3-triazole phát Al(III) chemosensor phát ion Hg(II) từ dẫn xuất chất phát huỳnh quang rhodamine Để xác định biothiol, nghiên cứu thiết kế sensor huỳnh quang dựa