L với nồng độ ion Hg(II) Theo đó, cường độ huỳnh quang dung dịc h giảm mạnh
f Bước chuyển giữa các MO đóng góp Tỷ lệ
(%)E(eV) (nm) động
f Bước chuyển giữa các MO đóng gópTỷ lệ
(%)E(eV) (nm) động E(eV) (nm) động
f Bước chuyển giữa các MO đóng gópTỷ lệ
(%)S1củaACM S1S0 1,89 654,6 0,0006 LUMOHOMO 98,65 S1củaACM S1S0 1,89 654,6 0,0006 LUMOHOMO 98,65
S2S0 3,06 405,6 0,0041 LUMO→HOMO-1 99,13
S2 của ACM S1S0 2,64 469,5 0,0137 LUMOHOMO 96,05
S2S0 2,97 417,4 0,0152 LUMO→HOMO-1 96,77
S1 của ACM-Cys S1S0 3,21 386,3 0,0001 LUMOHOMO 99,92
S2S0 3,82 324,5 0,3171 LUMO→HOMO-1 85,92
S2 của ACM-Cys S1S0 3,49 355,2 0,0018 LUMOHOMO 99,40
S2S0 3,64 340,3 0,5122 LUMO→HOMO-1 94,74
S1 của ACM-Hcy S1S0 3,22 384,8 0,0000 LUMOHOMO 99,80
S2S0 3,80 326,7 0,3777 LUMO→HOMO-1 88,27
S2 của ACM-Hcy S1S0 3,45 359,3 0,0017 LUMOHOMO 99,39
S2S0 3,64 340,7 0,5167 LUMO→HOMO-1 94,87 S1 của S1S0 1,95 637,0 0,0002 LUMOHOMO 99,90 S2S0 3,49 355,4 0,0029 LUMO+1→HOMO 42,49 LUMO+2→HOMO 50,14 S2 của S1S0 1,99 623,5 0,0003 LUMOHOMO 99,72 S2S0 3,37 368,3 0,0021 LUMO+1→HOMO 94,73 S3S0 3,59 345,0 0,0097 LUMO+2→HOMO 50,00
Dạng hình học
Dạng hình học
LUMO+5→HOMO 30,51
S4S0 3,77 328,7 0,4469 LUMO→HOMO-1 84,65
Năng lượng
(a) Năng lượng (b)
Hình 3.48. Giản đồ năng lượng các quá trình kích thích và giải phóng năng lượng kích thích tại hình học bền ở trạng thái cơ bản (RGS) và trạng thái kích thích
electron (REES1, REES2,...) ở mức lý thuyết B3LYP/LanL2DZ: (a)AMC; (b) AMC-Cys; (c) AMC-Hcy; (d) AMC-GSH
Năng lượng (c)
Dạng hình học
Năng lượng (d)
Hình 3.49. Các đặc tính chuyển đổi chính (năng lượng (E), bước sóng (λ), cường độ dao động (f), và các MO biên) của quá trình kích thích và giải phóng
năng lượng kích thích tại hình học bền ở trạng thái cơ bản (RGS) và trạng thái kích thích electron (REES1, REES2,...) ở mức lý thuyết B3LYP/LanL2DZ:
(a) AMC; (b) AMC-Cys; (c) AMC-Hcy; (d) AMC-GSH
Từ kết quả tính toán ở Bảng 3.14 đến 3.17, kết hợp với các kết quả tính toán ở Bảng 3.18, Hình 3.48 và Hình 3.49 cho thấy:
Đối với sensor AMC, tại cấu hình REES1, các quá trình chuyển electron từ S1 về S0 (quá trình (5) ở Hình 3.48a) và S2 về S0 (quá trình (6) ở Hình 3.48a) đều có cường độ dao động (f) là rất nhỏ, thêm vào đó, không có sự xen phủ giữa các MO trong bước chuyển này. Do đó, các quá trình chuyển electron từ S1 và S2 về S0 tại cấu hình REES1 của AMC là bị cấm. Tại cấu hình REES2, các quá trình chuyển electron từ S1 về S0 (quá trình (3) ở Hình 3.48a) và S2 về S0 (quá trình (4) ở Hình 3.48a) có cường độ dao động (f) lớn hơn, tương ứng là 0,0137 và 0,0152, thêm vào đó, có sự xen phủ giữa các MO trong bước chuyển này. Do đó, các quá trình chuyển electron từ S1 và S2 về S0 tại cấu hình REES2 của AMC là xảy ra. Năng lượng phát huỳnh quang tính toán tương ứng là 2,64 eV và 2,97 eV; với bước sóng huỳnh quang tương ứng là 469,5 nm và 417,4 nm. Thêm vào đó, do cường độ dao động (f) của cả hai quá trình (3) và (4) ở trên là lớn không đáng kể (0,0137 và 0,0152), điều này dẫn đến cường độ huỳnh quang của AMC là nhỏ như quan sát được trong thực nghiệm. Ngoài ra, do quá trình kích thích từ S0→S1 (quá trình (1) ở Hình 3.48a) có cường độ dao động lớn hơn nhiều so với quá trình kích thích từ S0→S2 (quá trình
(2) ở Hình 3.48a), nên quá trình chuyển electron từ S1 về S0 (quá trình (3) ở Hình 3.48a) sẽ chiếm ưu thế hơn từ S2 về S0 (quá trình (4) ở Hình 3.48a). Điều này có thể là nguyên nhân dẫn đến cường độ huỳnh quang ở bước sóng dài (469,5 nm) mạnh hơn cường độ huỳnh quang ở bước sóng ngắn (417,4 nm) như quan sát trong thực nghiệm.
Đối với AMC-Cys, các quá trình chuyển electron từ S1 về S0 tại cấu hình REES1 (quá trình (5) ở Hình 3.48b) và cấu hình REES2 (quá trình (3) ở Hình 3.48b) đều có cường độ dao động (f) là rất nhỏ, thêm vào đó, không có sự xen phủ giữa các MO trong bước chuyển này. Do đó, các quá trình chuyển electron từ S1 về S0 của AMC-
Cys tại cấu hình REES1 và cấu hình REES2 là bị cấm. Trong khi đó, các quá trình chuyển electron từ S2 về S0 tại cấu hình REES1 (quá trình (6) ở Hình 3.48b) và cấu hình REES2 (quá trình (4) ở Hình 3.48b) có cường độ dao động (f) là rất lớn, tương ứng là 0,3171 và 0,5122; thêm vào đó, có sự xen phủ giữa các MO trong bước
REES1 và cấu hình REES2 của AMC-Cys là xảy ra. Năng lượng phát huỳnh quang tính toán tương ứng là 3,82 eV và 3,64 eV; với bước sóng huỳnh quang tương ứng là 324,5 nm và 340,3 nm. Thêm vào đó, do cường độ dao động (f) của cả hai quá trình này là rất lớn, trong đó cường độ dao động (f) ở bước sóng 340,3 nm là 0,5122, lớn hơn ở bước sóng 324,5 nm là 0,3171; điều này dẫn đến cường độ huỳnh quang của
AMC-Cys quan sát được trong thực nghiệm là rất mạnh, và ở bước sóng dài 340,3 nm là mạnh hơn nhiều so với ở bước sóng ngắn 324,5 nm. Ngoài ra, do quá trình chuyển electron từ S2 về S1 (quá trình (6) ở Hình 3.48b) tại cấu hình REES1, với cấu hình S2 tương ứng không phải là cấu hình có năng lượng cực tiểu, nên quá trình (6) ở Hình 3.48b ít chiếm ưu thế hơn so với quá trình (4) ở Hình 3.48b. Đó có thể là một nguyên nhân khác dẫn đến cường độ huỳnh quang ở bước sóng dài (340,3) nm mạnh hơn rất nhiều so với ở bước sóng ngắn (324,5 nm) như quan sát trong phần thực nghiệm.
Sự sai khác về bước sóng phát huỳnh quang tính toán (324,5 nm và 340,3 nm) so với bước sóng phát huỳnh quang thực nghiệm (375 nm và 450 nm) của AMC- Cys có thể là do các tính toán được thực hiện trong ethanol, trong khi thực nghiệm tiến hành trong dung dịch C2H5OH/HEPES, pH =7,4, 1/4, v/v. Đặc biệt với cấu trúc các trạng thái S0, S1 và S2 của AMC-Cys có sự quay xoắn góc giữa tiểu phần acryloyl và tiểu phần coumarine, thì dung môi đóng vai trò rất lớn đến độ ổn định của cấu trúc [146]. Đó có thể là lý do dẫn đến có sự khác biệt giữa bước sóng phát huỳnh quang tính toán so với bước sóng phát huỳnh quang thực nghiệm. Điều này cũng giải thích tương tự cho các chất AMC-Hcy, AMC-GSH.
Tương tự AMC-Cys, đối với AMC-Hcy, các quá trình chuyển electron từ S1 về S0 tại cấu hình REES1 (quá trình (5) ở Hình 3.48c) và cấu hình REES2 (quá trình (3) ở Hình 3.48c) cũng có cường độ dao động (f) là rất nhỏ, thêm vào đó, không có sự xen phủ giữa các MO trong bước chuyển này. Do đó, các quá trình chuyển electron từ S1 về S0 của AMC-Hcy tại cấu hình REES1 và cấu hình REES2 cũng bị cấm. Trong khi đó, các quá trình chuyển electron từ S2 về S0 tại cấu hình REES1 (quá trình (6) ở Hình 3.48c) và cấu hình REES2 (quá trình (4) ở Hình 3.48c) có cường độ dao động (f) là rất lớn, tương ứng là 0,3777 và 0,5167; thêm vào đó, có sự xen phủ giữa
các MO trong bước chuyển này. Do đó, các quá trình chuyển electron từ S2 về S0 tại cấu
hình REES1 và cấu hình REES2 của AMC-Hcy là xảy ra. Năng lượng phát huỳnh quang tính toán tương ứng là 3,80 eV và 3,64 eV; với bước sóng huỳnh quang tương ứng là 326,7 nm và 340,7 nm. Thêm vào đó, do cường độ dao động (f) của cả hai quá trình này là rất lớn, trong đó cường độ dao động (f) ở bước sóng 340,7 nm là 0,5167, lớn hơn ở bước sóng 326,7 nm là 0,3777; điều này dẫn đến cường độ huỳnh quang của AMC-Hcy quan sát được trong thực nghiệm là rất mạnh, và ở bước sóng dài 340,7 nm là mạnh hơn nhiều so với ở bước sóng ngắn 326,7 nm. Ngoài ra, do quá trình chuyển electron từ S2 về S1 (quá trình (6) ở Hình 3.48c) tại cấu hình REES1, với cấu hình S2 tương ứng không phải là cấu hình có năng lượng cực tiểu, nên quá trình (6) ở Hình 3.48c ít chiếm ưu thế hơn so với quá trình (4) ở Hình 3.48c. Đó có thể là một nguyên nhân khác dẫn đến cường độ huỳnh quang ở bước sóng dài (340,7) nm mạnh hơn rất nhiều so với ở bước sóng ngắn (326,7 nm) như quan sát trong thực nghiệm.
Đối với AMC-GSH, các quá trình chuyển electron từ S1 về S0 tại cấu hình REES1 (quá trình (5) ở Hình 3.48d) và cấu hình REES2 (quá trình (3) ở Hình 3.48d), cũng như các quá trình chuyển electron từ S2 về S0 tại cấu hình REES1 (quá trình (6) ở Hình 3.48d) và cấu hình REES2 (quá trình (4) ở Hình 3.48d) đều có cường độ dao động (f) là rất nhỏ. Quá trình phát xạ huỳnh quang không xảy ra từ trạng thái kích thích S1 và S2, mà xảy ra từ trạng thái kích thích S4.
Như đã trình bày, kết quả nghiên cứu về hình học tối ưu các trạng thái kích thích của AMC, AMC-Cys, AMC-Hcy và AMC-GSH cho thấy, đối với sensor
AMC, có sự xoắn góc mạnh giữa tiểu phần coumarin và tiểu phần acryloxy tại cấu hình REES1 và REES2, điều này dẫn đến sự phá vỡ hệ thống electron π liên hợp giữa hai tiểu phần, kéo theo đó là mật độ electron giữa tiểu phần coumarin và tiểu phần acryloxy bị phân tách mạnh. Kết quả là có sự xen phủ rất ít giữa các MO trong các bước chuyển đổi electron ở trạng thái kích thích của sensor AMC. Ngược lại, tại REES2 của AMC-Cys, AMC-Hcy và AMC-GSH, tiểu phần coumarin và tiểu phần acryloxy nằm trong cùng một mặt phẳng. Đây là một yếu tố thuận lợi cho sự xen phủ giữa các MO trong các bước chuyển đổi trạng thái. Như vậy, việc nghiên cứu về hình học tối ưu các trạng thái kích thích của AMC, AMC-Cys, AMC-Hcy và
AMC-GSH đã cung cấp minh chứng, qua đó làm sáng tỏ thêm về có sự xen phủ hoặc không có sự xen phủ giữa các MO trong quá trình chuyển đổi trạng thái và kết quả này phù hợp với kết quả phân tích phổ huỳnh quang như đã phân tích trên.
Những phân tích ở trên cho thấy, sự phát huỳnh quang của sensor AMC và các sản phẩm cộng của nó với các biothiol không bắt nguồn từ trạng thái S1. Đây là một trường hợp ngoại lệ của quy tắc của Kasha [113]. Theo quy tắc Kasha, sự phát quang photon (huỳnh quang hoặc lân quang) xảy ra chỉ từ trạng thái kích thích có năng lượng thấp nhất (S1) trong một số lượng nhất định các trạng thái kích thích. Ba trường hợp ngoại lệ của quy tắc của Kasha đã được dự đoán gồm:
Thứ nhất, khi khoảng cách năng lượng giữa trạng thái kích thích điện tử singlet ở mức cao (Sn, n> 1) và trạng thái kích thích điện tử S1 là lớn, cường độ dao động của quá trình chuyển đổi S0→Sn lớn, quá trình chuyển đổi nội bộ từ Sn→S0 là tương đối chậm, dẫn đến huỳnh quang xảy ra từ trạng thái kích thích Sn cạnh tranh với quá trình chuyển đổi nội bộ Sn→S0 (không phát huỳnh quang).
Thứ hai, khi khoảng cách năng lượng giữa trạng thái kích thích Sn và S1 là nhỏ, cường độ dao động của chuyển đổi S0→S1 nhỏ, nhưng cường độ dao động của quá trình chuyển đổi S0→Sn lớn, các yếu tố này dẫn đến thời gian sống của trạng thái S1 kéo dài và huỳnh quang sẽ xảy ra từ Sn.
Thứ ba, huỳnh quang yếu có thể xảy ra từ Sn bởi các yếu tố chủ quan, khi các “nguồn sáng bẩn” chưa được loại bỏ cẩn thận (nguồn sáng bẩn là nguồn sáng khả kiến hoặc hồng ngoại), tạo huỳnh quang nền không mong muốn và giảm độ nhạy. Ví dụ như sử dụng quá trình phân hủy triplet-triplet thay vì kích thích trực tiếp để quan sát sự huỳnh quang bị trì hoãn từ một số hydrocarbon thơm [111].
Như vậy, kết quả tính toán lý thuyết đã chứng minh được AMC và AMC- thiol đều phát huỳnh quang; lý thuyết đã làm sáng tỏ AMC phát huỳnh quang yếu ở hai bước sóng, AMC-thiol phát huỳnh quang tại hai bước sóng, trong đó cường độ huỳnh quang ở bước sóng dài mạnh hơn bước sóng ngắn; tính toán lý thuyết cũng giải thích được sự phát xạ huỳnh quang của AMC, AMC-thiol đều xuất phát từ trạng thái kích thích electron mức cao.
O O