a. Nghiên cứu sử dụng phức Hg2L2 làm sensor huỳnh quang phát hiện các biothiol từ hằng số bền
Để nghiên cứu sử dụng phức Hg2L2 như một sensor huỳnh quang phát hiện các biothiol, hằng số bền của phức đã được xác định bằng phương pháp chuẩn độ huỳnh quang. Trong phương pháp này, nồng độ của phối tử (L) được giữ cố định,
- 9,2 - 8,8 - 8,1 - 7,4 - 5,8 - 4,6 - 4,2 - 4,1
93 94 95 96 97 98 99 100
- 8,17 - 8,12 - 7,61
- 7,60
- 6,23 - 6,17 - 4,88
- 4,81
199 200
201 202 203
204
206 205
L Hg2L2
86
ion kim loại (M) được thêm dần vào dung dịch phối tử. Phối tử L là hợp chất phát huỳnh quang duy nhất, còn lại kim loại M và phức M2L2 là những chất không phát huỳnh quang. Phổ huỳnh quang ghi nhận được là một hàm số theo biến số là nồng độ phối tử. Giả định rằng mối quan hệ tuyến tính giữa cường độ huỳnh quang với nồng độ luôn luôn được đáp ứng; và quá trình cân bằng tạo phức không bị ảnh hưởng bởi proton trong dung dịch.
Quá trình cân bằng tạo phức M2L2 được biểu diễn như sau:
(3.1) Mối quan hệ giữa hằng số phân ly (the equilibrium dissociation constant, Kd) và hằng số liên kết (the equilibrium association, Ka) của phức được biểu diễn bởi các công thức sau:
(3.2) (3.3) Nếu gọi F0 là cường độ huỳnh quang của phối tử (L) tự do tại nồng độ ban đầu CL (bước sóng huỳnh quang cực đại), F0 tỷ lệ với nồng độ CL:
(3.4) Trong đó, a là hằng số tỷ lệ thuận với hệ số hấp thụ phân tử (tại bước sóng kích thích) và hiệu suất lượng tử huỳnh quang của phối tử L.
F là cường độ huỳnh quang của phối tử tự do (L) tại nồng độ [L], F tỷ lệ với nồng độ [L]:
Từ (3.4) và (3.5) ta có:
(3.6) Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng cho phối tử và ion kim loại ta có:
(3.7) (3.8) Ở đây, CM là tổng nồng độ ion kim loại đã thêm vào dung dịch:
(3.9) (3.5)
87
Từ (3.6), ta có: (3.10)
Từ (3.10) và (3.7), ta có: ] (3.11)
Từ (3.8), (3.9), và (3.11), ta có: (3.12)
Từ (3.2), (3.10), (3.11), và (3.12), ta có:
(3.13) Từ (3.13), ta có:
Hay,
Sử dụng dung dịch cú nồng độ phối tử L ban đầu CL = 5 (àM). Kết quả chuẩn độ phổ huỳnh quang thu được ở Bảng 3.9. Vẽ đồ thị (đường cong (3.14) biểu diễn mối liên hiện giữa nồng độ của ion kim loại thêm vào dung dịch (x) với y=F/F0
được trình bày Hình 3.21. Sử dụng phương pháp “đường công phi tuyến tính” (non- linear curve fitness) để xác định được hằng số P1. Từ đó xác định Ka.
Bảng 3.9. Kết quả chuẩn độ phổ huỳnh quang xác định hằng số bền của Hg2L2
x 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50
F 830 768 691 625 574 501 429 355
y 1,00 0,92 0,83 0,75 0,69 0,60 0,52 0,43
x 3,50 4,00 4,50 5,00 6,00 7,00 8,00 10,00
F 355 271 186 133 81 48 31 14
y 0,43 0,33 0,22 0,16 0,10 0,06 0,04 0,02
Kết quả tính toán: P1 = 0,59877. Từ (3.15), ta có: Ka = 1017,45 (M-3). Từ (3.3), ta có: Kd = 3,57 x 10-18 (M3).
Như vậy, hằng số cân bằng tạo phức Hg2L2 bằng 1017,45 M-3 (2Hg2+ + 2L = [Hg2L2]2+, Ka). Trong khi đó, hằng số cân bằng tạo phức Hg(RS)2 từ ion Hg(II) với các biothiol RSH, (2Hg(II) + 2RSH = Hg(SR)2 + 2H+, Ka) đối với Cys, GSH, Hcy tương ứng là 1020,1; 1020,2 và 1019,7 [148]. Vì vậy, phản ứng giữa Hg2L2 với các biothiol (Cys, GSH, Hcy) để tạo thành phức Hg(II) với các biothiol và giải phóng L (3.14)
, với (3.15)
88
tự do có thể xảy ra. Điều này mở ra khả năng sử dụng phức Hg2L2 như một sensor huỳnh quang dùng để phát hiện các biothiol theo kiểu tắt-bật (OFF-ON) huỳnh quang.
.
b. Nghiên cứu sử dụng phức Hg2L2 làm sensor huỳnh quang phát hiện các biothiol từ nhiệt động
Để xem xét khả năng sử dụng phức Hg2L2 để phát hiện các biothiol, nghiên cứu về mặt nhiệt động của sự tương tác giữa ion Hg(II) với Cysteine (H2Cys) được khảo sát. Các cấu trúc hình học bền của H2Cys và phức chất có thể của nó với ion Hg(II) được xác định ở mức lý thuyết B3LYP/LanL2DZ, theo đó, có 6 cấu trúc hình học bền của phức giữa ion Hg(II) và H2Cys đã được xác định (Hình 3.22). Các phản ứng để tạo thành các phức được thể hiện trong Hình 3.23. Các biến thiên của enthalpy (ΔH298) và biến thiên năng lượng Gibbs (ΔG298) của các phản ứng được tính toán và trình bày trong Bảng 3.10.
Kết quả cho thấy sự biến thiên của enthalpies (ΔH298) và năng lượng tự do (ΔG298) của phản ứng (14) là âm nhất, với giá trị ΔH298 là -841,8 kcal.mol-1 và giá trị ΔG298 là -821,6 kcal.mol-1. Theo đó, [Hg(Cys)2]2-(4 kiểu phối trí) là sản phẩm thích hợp của phản ứng giữa ion Hg(II) và H2Cys.
Như đã trình bày ở trên, sự biến thiên của năng lượng tự do của phản ứng tạo Hg2L2 từ ion Hg(II) và sensor L là -410,2 kcal.mol‾1. Do đó, phản ứng sau xảy ra (vì có ΔG298 là -1232 kcal.mol-1):
Hình 3.21. Đồ thị biểu diễn mối liên hiện giữa nồng độ của ion kim loại thêm vào dung dịch (x) với y=F/F0
Hg2L2 + 4 H2Cys + 80H- 2-
2 Hg(Cys)2 + 8 H20 + 2L
89
Kết quả là, Hg2L2 có thể được sử dụng như một sensor huỳnh quang hoạt động theo kiểu OFF-ON để phát hiện cysteine.
(H) (C) (N) (S) (O) (Hg)
+ Hg(II) + 4OH- Hg(Cys)22- + 4 H20 (13) 2
+
2- + 4 H20 (14)
Hg(II) + 4OH- Hg(Cys)2
2
+ Hg(II) + 6OH- Hg(Cys)34- + 6 H20 (15) 3 H2Cys
H2Cys
H2Cys
+ Hg(II) + 8OH- Hg(Cys)4 4- + 8 H20 (16) 4 H2Cys
+ Hg(II) + 2OH- + 2 H20 (17)
2 H2Cys Hg(HCys)2
+ Hg(II) + 3OH- + 3 H20 (18)
3 H2Cys Hg(HCys)
2
(b)
(c)
-1
Hình 3.23. Các phản ứng tạo thành các phức giữa H2Cys với ion Hg(II) Hình 3.22. Các cấu trúc hình học bền của H2Cys (a) và phức chất có thể của nó
với ion Hg (II): (b) [Hg(Cys)2]2- (2 kiểu phối trí), (c) [Hg(Cys)2]2-(4 kiểu phối trí), (d) [Hg(Cys)3]4-, (e) [Hg(Cys)4]6-, (f) [Hg(HCys)2] (2 kiểu phối trí),
(g)[Hg(HCys)3]1- ở mức lý thuyết B3LYP/LanL2DZ
90
Bảng 3.10. Các biến thiên của enthalpy (ΔH298) và biến thiên năng lượng Gibbs (ΔG298) của các phản ứng để tạo thành phức giữa ion Hg (II) với H2Cys ở mức lý
thuyết B3LYP/LanL2DZ (kcal.mol‾1)
Phản ứng ΔH298 ΔG298
(13) -821,6 -806,2
(14) -841,8 -821,6
(15) -782,4 -758,2
(16) -569,3 -536,2
(17) -707,3 -688,5
(18) -836,7 -808,9