hạn phát hiện ở mức 0,16 µM. Phương pháp này đã được ứng dụng để phát hiện GSH nội sinh trong tế bào và các mô sống, với nhiều ưu điểm như ít gây tổn thương, giảm thiểu ảnh hưởng huỳnh quang nền và khả năng phát hiện hình ảnh các mô sâu [174].
Năm 2016, Zhiqiang Zhang và nnc đã báo cáo một sensor huỳnh quang, 2- hydroxy-1-naphthaldehyde azine (19), được thiết kế và tổng hợp để phát hiện cả ion Cu(II) và các biothiol dựa trên cơ chế phản ứng trao đổi phức (Hình 1.21).
Hình 1.21. Sensor huỳnh quang 19 phát hiện các biothiol dựa trên phản ứng tạo phức với ion Cu(II) [59]
Sensor 19 phản ứng tạo phức với ion Cu(II) theo tỷ lệ mol 1:1, đi kèm với việc dập tắt hoàn toàn huỳnh quang của dung dịch 19 trong DMF/EPES (20 mM, pH=7,4, 3/7, v/v). Sự thay đổi tín hiệu huỳnh quang của dung dịch 19 ở bước sóng phát xạ cực đại 513 nm quan hệ tuyến tính chặt chẽ với nồng độ ion Cu(II) trong khoảng 0 µM đến 35 µM. Giới hạn phát hiện ion Cu(II) là 15 nM. Các ion kim loại khác bao gồm Fe(III), Hg(II), Cd(II), Pb(II), Zn(II), Ni(II), Co(II), Mn(II), Cr(III), Ag(I), Ca(II), Mg(II), Ba(II), Li(I), K(I), Na(I), không ảnh hưởng đến việc xác định ion Cu(II) bởi 19. Phức 19-Cu(II) phản ứng với các biothiol, bao gồm Hcy, Cys và GSH, dựa trên phương pháp trao đổi phức, tạo ra sự phục hồi nhanh chóng của phổ huỳnh quang và phổ UV-Vis. Kết quả khảo sát cho thấy, phức 19-Cu(II) có thể sử dụng như là một sensor huỳnh quang theo kiểu OFF-ON để phát hiện chọn lọc các biothiol trong sự hiện diện của các amino acids bao gồm Leu, Ala, Arg, Asn, Asp, Gln, Glu, Gly, His, Leu, Lys, Met, Phe, Pro, Ser, Thr, Try and Val. Giới hạn phát hiện của phức 19-Cu(II) đối với Hcy, Cys và GSH lần lượt là 1,5 μM, 1,0 μM và 0,8
μM, điều này cho thấy 19-Cu(II) đủ nhạy để xác định thiol trong các hệ thống sinh học. Khả năng sử dụng 19-Cu(II) để phát hiện các biothiol trong tế bào ung thư phổi ở người A549 đã được kiểm chức bằng phương pháp phân tích hình ảnh hiển vi huỳnh quang [59].
1.4.8. Sensor huỳnh quang phát hiện các biothiol dựa trên các cơ chế khác
Ngoài các chiến lược đã trình bày, một số ít sensor huỳnh quang dùng để phát hiện các biothiol đã được thiết kế dựa trên các cơ chế khác như như liên kết hydrogen, tương tác tĩnh điện,... [66], [106], [107], [116], [164], [168], [175], [176]. 1.5. Sensor huỳnh quang phát hiện ion Hg(II)
Để thiết kế các sensor huỳnh quang phát hiện chọn lọc ion Hg(II), các phản ứng đặc trưng của nó đã được nghiên cứu sử dụng, nhất là các phản ứng mà sự hiện diện của các ion kim loại khác không xảy ra.
1.5.1. Sensor huỳnh quang dựa trên các phản ứng tạo phức với ion Hg(II) bởi các phối tử -N, -S, -O trong vòng và mạch hở
Ion Hg(II) có khả năng tạo phức mạnh với nhiều phối tử, đặc biệt là với -O, - S và -N, nên các hợp chất vòng chứa các nguyên tố này đã được ứng dụng để thiết kế các sensor huỳnh quang phát hiện ion Hg(II). Nhiều sensor huỳnh quang phân tích ion Hg(II) đã được công bố [49], [72], [98] dựa trên các phản ứng tạo phức giữa ion Hg(II) và các phối tử -N, -S, -O trong vòng và mạch hở.
Cũng có nhiều công trình công bố về các sensor huỳnh quang phát hiện ion Hg(II) dựa trên phản ứng mở vòng spirolactam của rhodamine. Sự mở vòng spirolactam của rhodamine là do ion Hg(II) tạo phức với các phối tử -N và -O, tuy nhiên sự thay đổi huỳnh quang của các sensor này xảy ra với cơ chế đặc biệt. Điều này là do rhodamine có hệ số hấp thụ phân tử và hiệu suất lượng tử huỳnh quang lớn, phát xạ huỳnh quang trong vùng khả kiến. Dẫn xuất rhodamine kiểu vòng spirolactam không màu và không phát huỳnh quang, trong khi đó dẫn xuất mở vòng spirolactam có màu hồng và phát huỳnh quang mạnh mẽ. Để thúc đẩy phản ứng mở vòng spirolactam, các nhóm thế có ái lực mạnh với ion Hg (II) như -N, -O, và -S đã được gắn vào vị trí R1 của các dẫn xuất rhodamine (Hình 1.22a). Sensor huỳnh quang 20, 21 phát hiện ion Hg(II) theo cơ chế này được trình bày ở Hình 1.22b.
(a) Fluorescence-OFF O NH2 Fluorescence-ON HO (b)
Hình 1.22. Sensor huỳnh quang phát hiện ion Hg(II) dựa trên phản ứng mở vòng spirolactam của rhodamine [25], [80]
Ngoài những sensor huỳnh quang nói trên, những công bố gần đây về các sensor huỳnh quang phát hiện ion Hg(II) dựa trên tạo phức với các phối tử -N, -O và -S ở mạch hở cho thấy, giới hạn phát hiện của các sensor ngày một được cải thiện. Tuy đa số các sensor kiểu này đã công bố có giới hạn phát hiện ion Hg(II) ở mức nồng độ trên 100 ppb [98], [101], [152], [153], [173], song đã có một số sensor công bố phát hiện được ở mức nồng độ dưới 10 ppb [49], [50], [118], [128]. Tuy nhiên, điểm hạn chế của các sensor này là phải sử dụng một lượng lớn các dung môi hữu cơ [49], [50], [98], [101], [102], [118], [152], [153], [173].
1.5.2.Sensor huỳnh quang dựa trên các phản ứng đặc trưng của ion Hg(II)
Ion Hg(II) có ái lực mạnh với lưu huỳnh và oxi nên các công trình nghiên cứu đã thiết kế các sensor dựa trên các fluorophore chứa lưu huỳnh hoặc oxi. Dưới tác dụng của ion Hg(II) đã gây ra các phản ứng đặc trưng như phản ứng tách loại lưu huỳnh và đóng vòng guanidine, phản ứng chuyển đổi nhóm thiocarbonyl thành nhóm carbonyl, phản ứng tách loại thiol.
Theo các tài liệu thu thập được, đến nay có nhiều sensor huỳnh quang phát hiện ion Hg(II) dựa trên các fluorophore là naphthamide, coumarin, benzothiadiazole, Nile Blue và tricarbocyanine, hoạt động theo phản ứng dẫn xuất thiourea với amin tạo thành guanidine khi có mặt ion Hg(II) đã được công bố [38],
[83], [85], [86], [91], [97], [136], [143], [161], [190]. Tùy thuộc vào việc sử dụng fluorophore, các sensor huỳnh quang được thiết kế theo kiểu này, dưới tác dụng của ion Hg(II) đã thúc đẩy quá trình tách loại lưu huỳnh và đóng vòng guanidine, dẫn đến có sự thay đổi màu huỳnh quang hoặc quá trình tách loại lưu huỳnh và đóng vòng guanidine đã làm xuất hiện quá trình PET từ tiểu phần aniline đến fluorophore, dẫn đến dập tắt huỳnh quang hoặc sự tách loại lưu huỳnh và đóng vòng guanidine đã làm giảm khả năng cho electron của các nhóm -NH trong tiểu phần thiourea, đồng thời tăng khả năng cho electron của các nhóm amin trong tiểu phần benzoindole, tạo nên sự gia tăng mức độ liên hợp hệ thống electron π, kết quả các sensor này hoạt động theo kiểu OFF-ON. Sự hiện diện các ion kim loại khác, bao gồm Co(II), Cu(II), Ni(II), Pb(II), Zn(II), Cd(II), Mn(II), Sn(II), Ca(II), K(I), Na(I), Mg(II), Fe(III), không làm thay đổi đáng kể tín hiệu huỳnh quang dung dịch của các sensor trên. Tuy nhiên, các phản ứng xảy ra trong dung dịch với lượng lớn dung môi hữu cơ. Giới hạn phát hiện ion Hg(II) trong khoảng 0,6 µM đến 8,0 µM. Đó là những hạn chế khi áp dụng các sensor này vào phân tích các mẫu trong thực tế, đặc biệt là trong các đối tượng sinh học.
Ngoài phản ứng đóng vòng guanidine, ion Hg(II) còn thúc đẩy các phản ứng như: tách loại lưu huỳnh tạo hợp chất dị vòng, tách loại thiol từ thioether, chuyển đổi nhóm thiocarbonyl thành nhóm carbonyl,... Dựa trên các phản ứng này, một số sensor huỳnh quang được thiết kế để ứng dụng trong việc phát hiện ion Hg(II) [19], [20], [64], [172], [184].
1.6. Sensor huỳnh quang phát hiện biothiol và ion Hg(II) dựa trên fluorophore là cyanine và coumarin
1.6.1. Sensor huỳnh quang phát hiện biothiol và ion Hg(II) dựa trên fluorophore là cyanine
Các dẫn xuất cyanine bao gồm 3 dạng: streptocyanines hoặc cyanine mạch hở R2N+=CH[CH=CH]n-NR2 (I); hemicyanines Aryl=N+=CH[CH=CH]n-NR2 (II); và cyanine mạch vòng Aryl=N+=CH[CH=CH]n-N=Aryl (III) (Hình 1.23). Các dẫn xuất cyanine đều có cấu trúc kiểu: nhóm đẩy electron (donor) - hệ liên hợp π - nhóm rút electron (acceptor). Trong đó, nhóm đẩy electron là một nhóm amino, nhóm rút
electron là ion amoni. Chúng được biết đến là những hợp chất màu, phát huỳnh quang mạnh mẽ, được sử dụng nhiều để phát triển các sensor huỳnh quang, trong đó có các sensor huỳnh quang phát hiện ion Hg(II) và biothiol [11], [40], [61], [88], [126], [170], [179], [182], [186].
Hình 1.23. Các dạng dẫn xuất cyanine
Hình 1.24. Các sensor phát hiện Hg2+/MeHg+ dựa trên fluorophore là cyanine, sử dụng phản ứng desulfurization và tạo vòng guanidine bởi xúc tác Hg2+/MeHg+[186]
Dựa trên fluorophore là cyanine, Tian và nhóm nghiên cứu đã công bố các sensor 22-24 dùng để phát hiện ion Hg2+ và MeHg+ (Hình 1.24). Ở trạng thái sensor ban đầu, quá trình ICT diễn ra mạnh mẽ bởi sự hiện diện của nhóm đẩy electron (nhóm amin bậc 2). Sự hiện diện của ion Hg2+ hoặc MeHg+ đã thúc đẩy quá trình desulfurization và tạo vòng guanidine, làm giảm quá trình ICT, tạo nên sự dịch chuyển đỏ (red shift) mạnh mẽ trong phổ hấp thụ và phố phát xạ huỳnh quang. Kết quả, các sensor 22-24 có thể phát hiện ion Hg2+ và MeHg+ theo kiểu dựa trên sự biến đổi tỷ lệ cường độ huỳnh quang giữa hai bước sóng F830 nm/F780nm (ratiometric sensor). Giới hạn phát hiện ion Hg2+ ở mức nồng độ nM, trong dung môi
Hình 1.25. Sensor phát hiện ion Hg(II) dựa trên fluorophore là cyanine, sử dụng 3,9-dithia-6-monoazaundecane làm receptor tạo phức với Hg(II) [11]
Năm 2008, Tang và nhóm nghiên cứu thiết kế sensor 25 dựa trên fluorophore là tricarbocyanine, một dẫn xuất cyanine gắn với receptor là 3,9-dithia-6- monoazaundecane có khả năng tạo phức với ion Hg(II) (Hình 1.25). Ở trạng thái tự do, quá trình PET từ tiểu phần 3,9-dithia-6-monoazaundecane đến tiểu phần tricarbocyanine làm cho sensor 25 không phát huỳnh quang. Sau khi sensor 25 phản ứng tạo phức với ion Hg(II), ngăn chặn quá trình PET, dẫn đến phức phát huỳnh quang mạnh mẽ ở bước sóng 783 nm (bước sóng kích thích 685 nm). Sensor 25 có thể sử dụng để phát hiện chọn lọc ion Hg(II) theo kiểu tắt-bật huỳnh quang với giới hạn phát hiện là 13,9 nM, trong đệm pH=7,4 [11].
Sensor 26 đã được Zeng và nhóm nghiên cứu công bố dùng để phát hiện Hg(II) ion dựa trên fluorophore là cyanine, sử dụng phản ứng tạo phức với các nguyên tử N, O và Se có mặt trong sensor 26 (Hình 1.26). Sự hình thành phức đã dập tắt quá trình ICT trong sensor, dẫn đến phổ hấp thụ dịch chuyển về bước sóng ngắn hơn (từ 542 nm về 412 nm), đồng thời làm dập tắt huỳnh quang (bước sóng phát quang 590 nm). Sensor 26 có thể phát hiện ion Hg(II) với giới hạn phát hiện là 50 nM, trong dung dịch ethanol/nước (1/1, v/v) [182].
Hình 1.26. Sensor phát hiện ion Hg(II) dựa trên fluorophore là cyanine, sử dụng phản ứng tạo phức của Hg(II) với các nguyên tử N, O, Se [182]
Hình 1.27. Các sensor phát hiện biothiol dựa trên fluorophore là cyanine, sử dụng các phản ứng phân cắt receptor bởi biothiols [61], [88], [126], [170], [179]
Các sensor 27-32 đã được thiết kế dựa trên fluorophore là cyanine dùng để phát hiện các biothiol (Hình 1.27). Quá trình PET từ receptor đến fluorophore dẫn đến các sensor này không phát huỳnh quang. Các biothiol phản ứng với các sensor này dẫn đến sự phân cắt các receptor (phân cắt carbamate trong sensor 27, phân cắt liên kết S-N trong sensor 28, phân cắt liên kết C-O trong sensor 29 và 32, phân cắt liên kết Se-N trong sensor 30 và 31), ngăn chặn quá trình PET, tạo các sản phẩm phát huỳnh quang mạnh mẽ. Do đó, các sensor này có thể sử dụng để phát hiện các biothiol (Cys, Hcy và GSH) theo kiểu tắt-bật huỳnh quang. Trong đó, sensor 27 có thể phát hiện GSH, Cys và Hcy với giới hạn phát hiện lần lượt là 0,20 μM, 0,29 μM và 0,21 μM, trong đệm HEPES pH=7,4 chứa 5% DMSO [61]. Sensor 28 có thể phát hiện GSH, Cys và Hcy trong tế bào HeLa ở mức nồng độ 100 µM bằng phương pháp hình ảnh huỳnh quang, với thời gian đáp ứng khoảng 20 phút [179]. Sensor 29 có thể phát hiện chọn lọc GSH trong sự có mặt Cys và Hcy; giới hạn phát hiện GSH là 26 nM, trong môi trường đệm HEPES, pH=7,4. Tuy vậy, tốc độ phản ứng chậm, thời gian phản ứng lên đến 3 giờ [88]. Sensor 30 và 31 có thể phát hiện các thiol không thuộc về protein như GSH, Cys, N-acetylcysteine và dithiothreitol ở mức
nồng độ 5 mM; phát hiện các thiol thuộc về protein như thioredoxin, glutathione reductase và metallothionein ở mức nồng độ 10 µM. Cả hai sensor này đều có thời gian phản ứng nhanh, khoảng pH làm việc rộng (4-8,6), phát xạ ở vùng hồng ngoại gần, có thể sử dụng để phát hiện biothiol trong tế bào đại thực bào chuột RAW
264.7 và mô gan của chuột [126]. Sensor 32 phản ứng với GSH và làm gia tăng mạnh mẽ cường độ huỳnh quang ở bước sóng 805 nm. Trong khi đó, sensor 32
phản ứng với Cys làm gia tăng mạnh mẽ cường độ huỳnh quang ở bước sóng 775 nm; ngược lại, sự có mặt của Hcy không làm thay đổi đáng kể cường độ huỳnh quang (trong cùng một bước sóng kích thích là 710 nm). Kết quả là, sensor 32 có thể phát hiện đồng thời GSH và Cys trong cùng một bước sóng kích thích là 710 nm, kể cả sự hiện diện của Hcy. Sensor 32 đã được ứng dụng để phát hiện GSH và Cys trong tế bào Hela. Hạn chế của sensor này là thời gian phản ứng chậm, lên đến 2 giờ [170].
1.6.2. Sensor huỳnh quang phát hiện biothiol và ion Hg(II) dựa trên fluorophore là coumarin
Coumarin có cấu tạo gồm một dị vòng pyrone gắn liền với một vòng benzen. Trong đó, nhóm cacbonyl ở vị trí tạo nên cấu trúc tran-stilbene, các liên kết đôi được cố định bởi cấu trúc lactone. Điều này tránh được quá trình chuyển đổi tran- cis của các liên kết đôi dưới bức xạ của tia cực tím, dẫn đến coumarine và các dẫn xuất của nó là những hợp chất phát huỳnh quang mạnh mẽ, được sử dụng nhiều để phát triển các sensor huỳnh quang, trong đó có cả các sensor huỳnh quang phát hiện ion Hg(II) và biothiol [46].
Hình 1.28. Sensor phát hiện Hg(II) có fluorophore là dẫn xuất coumarin và dựa trên vài trò thúc đẩy phản ứng loại bỏ nhóm bảo vệ dithioacetals của Hg(II) [166]
Năm 2018, Xiaohong Cheng và nhóm nghiên cứu đã thiết kế sensor 33 và