Luận văn Thiết kế và tổng hợp một số sensor huỳnh quang để xác định Hg(II)

Nội dung text: Luận văn Thiết kế và tổng hợp một số sensor huỳnh quang để xác định Hg(II)

1. MỞ ĐẦU Ô nhiễm kim loại nặng là mối quan tâm lớn, không chỉ trong cộng đồng khoa học, đặc biệt là các nhà hóa học, sinh học, và bảo vệ môi trường, mà ngay cả trong cộng đồng dân cư nói chung. Trong số đó, thủy ngân là một trong các chất ô nhiễm nguy hiểm và phổ biến, phát thải thông qua các hoạt động tự nhiên hoặc các hoạt động của con người. Một số vi sinh vật sản xuất metyl thủy ngân-một chất độc thần kinh mạnh, từ các dạng tồn tại khác của thủy ngân, gây ra những vấn đề sức khỏe nghiêm trọng bằng cách phá hoại hệ thống thần kinh trung ương và tuyến nội tiết, dẫn đến sự rối loạn về nhận thức và vận động. Nhiều con đường lây lan thủy ngân thông qua không khí, nước, thực phẩm đem lại mối quan ngại lớn bởi vì nó tồn tại trong môi trường, và sau đó tích lũy chất độc trong cơ thể thông qua chuỗi thức ăn. Vì vậy phân tích hàm lượng thủy ngân trong các nguồn nước là vấn đề quan tâm hàng đầu của các nhà khoa học. Một số phương pháp như quang phổ hấp thụ nguyên tử, quang phổ phát xạ nguyên tử plasma ghép nối cảm ứng, cảm biến điện hóa, có thể phát hiện ion Hg2+ ở giới hạn thấp. Tuy nhiên, các phương pháp này đòi hỏi thiết bị đắt tiền và những thao tác mất nhiều thời gian. Trong khi đó, phương pháp huỳnh quang cho phép thực hiện phép phân tích tương đối dễ dàng, ít tốn kém và rất nhạy. Ngoài ra, các tính chất quang lý của fluorophore có thể dễ dàng được điều chỉnh bằng nhiều cách như chuyển điện tích, chuyển electron, chuyển năng lượng, Do đó, các sensor huỳnh quang đã và đang thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học. Chae và Czarnik lần đầu tiên đưa ra khái niệm chemodosimeter và chemosensor; năm 1992 ông và nhóm nghiên cứu đã báo cáo chemodosimeter phát hiện Cu2+ dựa trên phản ứng mở vòng rhodamine B. Sau thời gian đầu phát triển chậm thì từ năm 2005 đến nay, các công trình nghiên cứu về sensor huỳnh quang ngày càng tăng. 1
2. Ở Việt Nam, sensor huỳnh quang đã được Dương Tuấn Quang nghiên cứu từ năm 2007. Nhóm nghiên cứu của ông đã công bố các chemosensor phát hiện ion Fe3+, F-, Cs+ và Cu2+ dựa trên calix[4]arene; chemosensor chứa vòng 1,2,3-triazole phát hiện Al3+ và chemosensor phát hiện Hg2+ từ dẫn xuất của rhodamine. Cho đến nay, việc tổng hợp sensor huỳnh quang là dựa trên các chất phát huỳnh quang khác nhau như: dẫn xuất của rhodamine, dansyl, fluorescein, calixarene Trong đó các dẫn xuất của rhodamine, fluorescein đã được sử dụng nhiều, vì có hê ̣số hấp thu ̣ cao, phát xa ̣huỳnh quang trong vùng khả kiến và hiêụ suất lươṇ g tử huỳnh quang lớn. Hiện nay, chưa có sensor huỳnh quang nào sử dụng dẫn xuất của rhodamine, fluorescein được nghiên cứu về mặt lý thuyết tính toán định hướng cho việc thiết kế, tổng hợp để phát hiện Hg2+ dựa trên các phản ứng đặc trưng của Hg2+ nhằm tăng độ nhạy, độ chọn lọc và giảm chi phí tổng hợp các sensor. Với thực trạng trên, cũng như mong muốn thiết kế được các sensor huỳnh quang phân tử có đô ̣ nhaỵ và đô ̣ choṇ loc̣ cao trong viêc̣ ứng dụng xác điṇ h ion Hg2+, chúng tôi chọn đề tài: “Thiết kế và tổng hợp một số sensor huỳnh quang để xá c điṇ h Hg(II)”. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Tổng quan nghiên cứu về sensor huỳnh quang 1.1.1. Tình hình nghiên cứu sensor huỳnh quang 1.1.2. Nguyên tắc hoạt động của sensor huỳnh quang 1.1.3. Cấu tạo của sensor huỳnh quang 1.1.4. Nguyên tắc thiết kế các sensor huỳnh quang 1.2. Nguồn ô nhiễm, độc tính, phương pháp phát hiện Hg(II) 1.3. Sensor huỳnh quang phát hiện Hg2+ dưạ vào quá triǹ h mở vòng spirolactam của dẫn xuất rhodamine 2
3. 1.4. Sensor huỳnh quang phát hiện Hg2+ dưạ vào quá triǹ h mở vòng spirolactam của dẫn xuất fluorescein 1.5. Tổng quan ứng dụng hóa học tính toán trong nghiên cứu các sensor huỳnh quang 1.5.1. Ứ ng duṇ g hóa hoc̣ tiń h toán trong nghiên cứ u cấu trúc và thuôc̣ tính electron của các chất 1.5.2. Ứ ng duṇ g hóa hoc̣ tiń h toán trong nghiên cứ u các phản ứ ng CHƯƠNG 2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. MỤC TIÊU - Thu được sensor (chemosensor, chemodosimeter) phát hiện Hg2+ dựa trên phản ứng mở vòng spirolactam của dẫn xuất rhodamine. - Thu được chemodosimeter phát hiện Hg2+ dựa trên phản ứng mở vòng lactam của dẫn xuất fluorescein. 2.2. NỘI DUNG - Nghiên cứu thiết kế, tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng chemodosimeter RT dựa trên dẫn xuất của rhodamine, kết hợp phản ứng đặc trưng của Hg2+ với receptor là NIPTC để phát hiện chọn lọc Hg2+. - Nghiên cứu thiết kế, tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng chemosensor RS dựa trên dẫn xuất của rhodamine, kết hợp phản ứng đặc trưng của Hg2+ với receptor là DASA để phát hiện chọn lọc Hg2+. - Nghiên cứu thiết kế, tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng chemodosimeter FS dựa trên dẫn xuất của fluorescein, kết hợp phản ứng đặc trưng của Hg2+ với receptor là BTC để phát hiện chọn lọc Hg2+. 2.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.3.1. Phương pháp nghiên cứu tính toán lý thuyết - Việc xác định cấu trúc hình học bền, năng lượng điểm đơn được thực hiện bằng phương pháp DFT tại B3LYP/LanL2DZ, sử dụng phần mềm Gaussian 03. 3
4. - Các thông số năng lượng tương tác được hiệu chỉnh ZPE gồm biến thiên entanpy và biến thiên năng lượng tự do Gibbs của các phản ứng được tính toán dựa trên sự khác biệt giữa tổng năng lượng của các sản phẩm và tổng năng lượng các chất tham gia. - Tính toán trạng thái kích thích và các yếu tố phụ thuộc thời gian được thực hiện bởi phương pháp TD-DFT ở cùng mức lý thuyết. - Các phân tích AIM và NBO được tiến hành ở cùng mức lý thuyết B3LYP/LanL2DZ. 2.3.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm - Đặc trưng cấu trúc của các chất được khẳng định bởi các phổ 1H NMR, phổ khối MS. - Đặc tính, ứng dụng của các sensor được thực hiện bởi phương pháp phổ huỳnh quang và phổ hấp thu ̣phân tử . 2.3.3. Phương pháp khá c: Thống kê CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Thiết kế, tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng của chemodosimeter huỳnh quang phát hiện chọn lọc Hg2+ dựa trên sự đóng-mở vòng spirolactam của dẫn xuất Rhodamine 3.1.1. Nghiên cứu lý thuyết về thiết kế, tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng của sensor huỳnh quang RT 3.1.1.1. Khảo sát phương pháp tính toán Các công bố về sensor huỳnh quang mà fluorophore là rhodamine thường được tính toán với bộ hàm cơ sở 6-311++G(d,p), điều này là do sự phù hợp giữa kết quả tính toán với các dữ liệu thực nghiệm đã được công bố trước đây về cấu trúc của rhodmine-6G theo phân tích nhiễu xạ XRD đơn tinh thể. Để mở rộng việc chọn bộ hàm cho việc tính toán nhằm giảm thời tính toán nhưng vẫn cho kết quả tin cậy, chúng tôi đã chọn bộ hàm cơ sở LanL2dz. Kết quả so sánh độ dài liên kết, góc liên kết của Rhd với hai 4
5. bộ hàm 6-311++G(d,p) và LanL2DZ, cho thấy có thể sử duṇ g bô ̣ hàm LanL2DZ thay cho bô ̣hàm 6-311++G(d,p). 3.1.1.2. Khảo sát lý thuyết thiết kế và tổng hợp chemodosimeter RT Để thiết kế một cấu trúc phù hợp cho một chemodosimeter dựa trên phản ứng đóng, mở vòng spirolactam của dẫn xuất rhodamine, chúng tôi chọn fluorophore, spacer và receptor tương ứ ng là rhodamine 6G, ethylenediamine và 4-nitrophenyl isothiocyanate. Để dự đoán khả năng các phản ứng hóa học tổng hợp RT có xảy ra về mặt nhiệt động hay không, chúng tôi tính toán năng lượng entanpy và năng lượng tự do Gibbs. Kết quả tính toán các thông số nhiệt động được thực hiện ở B3LYP/LanL2dz cho thấy ∆G < 0 và ∆H < 0 nên xét về mặt nhiệt động các phản ứng tổng hợp chemodosimeter RT có khả năng xảy ra và tỏa nhiệt. Kết quả phân tích AIM chỉ ra rằng trong phân tử RT vẫn còn vòng spirolactam. Với phân tử RG, vòng spirolactam bị phá vỡ (C10C22C21C20N19) và thay vào đó là sự hình thành vòng 1,3,4- oxadiazole (N19C32C33N34C35). 3.1.1.3. Nghiên cứu lý thuyết đặc tính quang lý của chemodosimeter RT a. Cấu trúc phân tử của chemodosimeter RT Tính chất quang lý của các chất phụ thuộc rất nhiều vào cấu trúc phân tử, chính vì vậy việc nghiên cứu cấu trúc phân tử của chemodosimeter RT là rất cần thiết. Kết quả tính toán cho thấy độ dài liên kết, góc liên kết, góc nhị diện của Rhd, NPITC trong phân tử RT và trạng thái tự do ban đầu hầu như không thay đổi; trong vòng benzen thứ nhất của xanthene tồn tại hệ liên hợp π linh động; vòng benzen thứ hai của xanthene tồn tại hệ liên hợp π không linh động. b. Phân tích phổ UV-Vis của chemodosimeter RT Phổ UV-Vis của Rhd, RT và RG được xác định bằng phương pháp TD-DFT tại B3LYP/LanL2DZ cho thấy các chất này có dải hấp thụ cực đại 5
6. lần lượt ở bước sóng 473,3, 543,6 và 476,6 nm. Sự phân bố electron trên các HOMO, LUMO của Rhd và RG tập trung ở tiểu phần xanthene. Với RT, sự phân bố electron trên HOMO cũng tập trung ở tiểu phần xanthene, nhưng trên LUMO thì sự phân bố này tập trung chủ yếu ở tiểu phần NIPTC. Kết quả này đưa đến kỳ vọng là đặc tính quang lý của RG sẽ tương tự như Rhd. Vì vậy, chemodosimeter RT dự kiến thiết kế sẽ hoạt động theo kiểu OFF- ON. c. Phân tích đặc tính huỳnh quang của chemodosimeter RT Tính chất huỳnh quang của các chất phụ thuộc rất nhiều vào mức độ liên hợp π và sự chuyển năng lượng trong hệ. Bảng 3.6. Năng lượng kích thích, cường độ dao động và các MO có liên quan đến quá trình kích thích chính của RT và RG tại B3LYP/LanL2DZ Chất Bước MO E (eV) λ (nm) F CIC chuyển RT S0→S1 163→164 2,13 581,79 0,0003 0,7065 S0→S2 162→164 2,28 543,63 0,0003 0,7064 S0→S3 160→164 2,52 492,60 0,0002 0,6106 RG S0→S1 159→160 1,79 691,58 0,0009 0,7060 S0→S2 155→161 2,60 476,55 0,5727 0,12553 159→161 2,60 476,55 0,5727 0,5797 S0→S3 159→162 2,69 460,23 0,0102 0,7018 Để hiểu rõ hơn về tính chất huỳnh quang của các sensor, chúng tôi tiến hành phân tích NBO, kết hợp với phương pháp TD-DFT cho các sensor trước và sau khi phản ứng với chất phân tích. Số liệu bảng 3.6 và hình 3.11 cho thấy, trạng thái kích thích đầu tiên (S0→S1) của RT ở bước sóng 581,8 nm ứng với bước chuyển MO163→MO164 không dẫn tới huỳnh quang. Nguyên nhân là do MO163 thuộc fluorophore còn MO164 6
7. thuộc receptor, vì vậy khoảng cách giữa chúng là khá lớn và bước chuyển này không dẫn tớ i phát huỳnh quang, điều này tương tự như các sensor dựa trên cơ chế FRET. Các trạng thái kích thích tiếp theo (S0→S2, S0→S3) ứng với các bước chuyển MO162→MO164 và MO160→MO164. Do có MO của fluorophore với mứ c năng lươṇ g nằm ở giữa các MO của bước chuyển, nên xảy ra quá trình PET từ fluorophore đến receptor, vì vậy bước chuyển này không dẫn tới huỳnh quang trong RT. Mặt khác, các bước chuyển trong RT (S0→S1, S0→S2, S0→S3) đều có cường độ dao động nhỏ (f < 0,01 ), chứng tỏ không có sự xen phủ của các MO ban đầu và cuối trong mỗi bước nhảy, nên các bướ c chuyển này không dẫn tớ i huỳnh quang. Hình 3.11. Giản đồ năng lượng các MO biên của fluorophore tự do, receptor tự do và chemodosimeter RT 7
8. Hình 3.12. Giản đồ năng lượng các MO biên của fluorophore tự do, receptor tự do và RG Số liệu bảng 3.6 và hình 3.12 cho thấy, trạng thái kích thích đầu tiên (S0→S1) của RG ở bước sóng 691,58 nm ứng với bước chuyển MO159→MO160, trong đó MO159, MO160 là của fluorophore. Do bước chuyển này có cường độ dao động nhỏ (f = 0,0009), nên quá trình hồi phục về trạng thái cơ bản không phát huỳnh quang. Trạng thái kích thích thứ hai (S0→S2) có hai bước chuyển tương ứng MO155→MO161 và MO159→MO161; ở bước chuyển MO155→MO161, do có MO của fluorophore nằm ở giữa các MO của bước chuyển, nên xảy ra quá trình PET từ fluorophore đến receptor, vì vậy bước chuyển này không dẫn tới huỳnh quang; với bước chuyển MO159→MO161, do có cường độ dao động lớn (f = 0,5727) và không có MO của receptor nằm giữa các MO của bước chuyển, nên không xảy ra quá trình PET từ receptor đến fluorophore, vì vậy bước chuyển này sẽ dẫn tới huỳnh quang trong RG. Để rõ hơn về tính chất huỳnh quang của RT, RG, chúng tôi tiến hành phân tích NBO. Kết quả phân tích NBO đã được tính toán cho hai chất trên 8
9. ở mức lý thuyết B3LYP/LanL2DZ cho thấy, trong phân tử RT có hai hệ liên hợp π bị gián đoạn trong tiểu phần xanthene của fluorophore, nên RT không phát huỳnh quang. Trong phân tử RG do có sự phá vỡ cấu trúc vòng spirolactam, tạo ra hệ liên hợp π kéo dài suốt trong fluorophore, dẫn đến sự phát huỳnh quang ở RG. 3.1.2. Nghiên cứu thực nghiệm tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng của chemodosimeter RT 3.1.2.1. Thực nghiệm tổng hợp chemodosimeter RT Tổng hơp̣ N-(rhodamine-6G)lactam-ethylenediamine (Rhd-E): lấy 1,44 gam rhodamine-6G và 2,0 mL ethylenediamine trôṇ lẫn trong 50 mL ethanol tuyêṭ đối, rồi đun hồi lưu trong 4 giờ cho đến khi huỳnh quang của dung dic̣ h hỗn hơp̣ biến mất (kiểm tra bằng đèn UV). Sau đó phản ứ ng đươc̣ làm laṇ h đến nhiêṭ đô ̣ phòng, loc̣ và thu đươc̣ kết tủa, rử a sac̣ h kết tủa bằng ethanol nhiều lần. Các sản phẩm thô đươc̣ tinh chế bằng kết tinh laị trong acetonitrile để có đươc̣ sản phẩm mong muốn (1,03 gam chất rắn màu trắng) hiệu suất 75,1%. Cấu trúc của RT đươc̣ khẳng định bở i phổ 1H-NMR (CDCl3) và TOF-MS . Tổng hơp̣ RT: Lấy 456 mg N-(rhodamine-6G)lactam- ethylenediamine và 270 mg 4-nitrophenyl isothiocyanate trôṇ lẫn vớ i 40 mL acetonitrile. Dung dic̣ h phản ứ ng đươc̣ đun hồi lưu trong 6 giờ , có suc̣ khí nitơ và khuấy thêm 2 giờ ở nhiêṭ đô ̣ phòng, thu đươc̣ kết tủa màu vàng. Lọc kết tủa, rử a sac̣ h vớ i acetonitrile nhiều lần và làm khô bằng MgSO4. Sau đó tiếp tuc̣ tinh chế bằng côṭ silica gel. Khi đó ta thu đươc̣ RT (335mg, hiêụ suất 52,6%) là môṭ chất rắn màu vàng. Cấu trúc của RT đươc̣ khẳng 1 định bở i phổ H-NMR (CDCl3) và TOF-MS. 3.1.2.2. Khảo sát thực nghiệm ứng dụng chemodosimeter RT a. Khảo sát phổ UV-Vis và phổ huỳnh quang của chemodosimeter RT với Hg2+ 9
10. Phổ chuẩn độ huỳnh quang của dung dịch RT (10 µM) bằng Hg2+ cho thấy khi tăng dần nồng độ Hg2+ từ 0 đến 30 µM, thì cường độ huỳnh quang của dung dịch cũng tăng dần. Kết quả này cho thấy có thể dùng RT để xác định Hg2+. b. Khảo sát phản ứng giữa chemodosimeter RT với Hg2+ Việc xác định hệ số tỉ lươṇ g của phản ứng RT và Hg2+ được thực hiện bằng phương pháp hệ đồng phân tử gam. Kết quả cho thấy RT phản ứng với Hg2+ theo tỉ lệ 1:1, điều này cũng được dự đoán ngay từ thiết kế ban đầu. Để xem xét tính thuận nghịch của phản ứng giữa RT với Hg2+, một thí nghiệm khác cũng được tiến hành bằng cách thêm EDTA vào dung dịch sau phản ứng giữa Hg2+ và RT, với nồng độ gấp 2 lần nồng độ Hg2+. Kết quả không thấy bất kỳ sự thay đổi nào về tín hiệu huỳnh quang. Vì vậy phản ứng giữa RT với Hg2+ là bất thuận nghịch và RT có thể hoạt động như một chemodosimeter huỳnh quang. c. Khảo sát ảnh hưởng của các ion kim loại cạnh tranh Hình 3.16 cho thấy sư ̣ hiện diện của các ion kim loại khác nhau như Zn2+, Cu2+, Cd2+, Pb2+, Ag+, Fe2+, Cr3+, Co3+, Ni2+, Ca2+, Mg2+, K+ và Na+ với nồng độ gấp 3 lần so với RT không làm thay đổi phổ hấp thụ UV-Vis và phổ huỳnh quang của RT. Sự hiện diện của các ion này ở nồng độ trên cũng không ảnh hưởng đến phản ứng giữa Hg2+ với RT. Thí nghiệm này cho thấy RT có thể phát hiện chọn lọc Hg2+ trong sự hiện diện của các ion kim loại kể trên. d. Khảo sát thời gian phản ứng giữa Hg2+ với chemodosimeter RT Thực nghiệm cho thấy phản ứng giữa Hg2+ với RT xảy ra nhanh, sau khi thêm Hg2+ khoảng 5 phút thì cường độ huỳnh quang của dung dịch RT hầu như không thay đổi. Thời gian phản ứng của RT với Hg2+ nhanh hơn nhiều so với các sensor huỳnh quang đã công bố. 10
11. e. Khảo sát sử dụng chemodosimeter RT phát hiện định lượng Hg2+ Mối quan hệ giữa nồng độ Hg2+ với cường độ huỳnh quang của dung dịch RT-Hg2+ đã được khảo sát. Kết quả cho thấy, trong khoảng nồng độ Hg2+ từ 0,1 đến 25µM, cường độ huỳnh quang tuyến tính với nồng độ Hg2+, 2+ thể hiện qua phương trình: I560 = (-5,80 ± 2,86) + (1,32 ± 0,17) × [Hg ], với tbảng (0,95;12)=2,17; R=0,9982 (N=14, P<0,0001). Điều này cho thấy có thể sử dụng RT để phát hiện định lượng Hg2+. Giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng Hg2+ tương ứng là 0,04 và 0,14 µM. f. Khảo sát ảnh hưởng của pH Kết quả khảo sát ảnh hưở ng pH đến cườ ng đô ̣ huỳnh quang cho thấy trong khoảng pH từ 5 đến 10, cường độ huỳnh quang của RT là nhỏ nhất và hầu như không thay đổi, trong khi đó cường độ huỳnh quang của dung dịch RT + Hg2+ lại lớn nhất và cũng không có sự thay đổi đáng kể. Điều này đưa đến kết luận có thể sử dụng RT để phát hiện các ion kim loại Hg2+ trong dung dịch với khoảng pH khá rộng, từ 5 đến 10. 3.2. Thiết kế, tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng của chemosensor huỳnh quang RS phát hiện chọn lọc Hg2+ dựa vào sự mở vòng spirolactam của dẫn xuất Rhodamine 3.2.1. Nghiên cứu lý thuyết về thiết kế, tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng của chemosensor huỳnh quang RS 3.2.1.1. Khảo sát lý thuyết thiết kế và tổng hợp chemosensor RS Để thiết kế chemosensor dựa trên phản ứng mở vòng spirolactam, chúng tôi chọn fluorophore, spacer và receptor tương ứ ng là rhodamine-6G, ethylendiamine và 4-diethylaminosalicylaldehyde (DASA). Các phản ứ ng tổng hơp̣ RS đều có ∆G < 0 nên xét về mặt nhiệt động chúng có khả năng xảy ra. 3.1.1.2. Nghiên cứu lý thuyết các đặc tính quang lý của chemosensor RS a. Cấu trúc phân tử của chemosensor RS 11
12. Cấu trúc phân tử của chemosensor RS cũng tương tự như của chemodosimeter RT, trong phân tử có tồn tại vòng spirolactam. Kết quả phân tích AIM cũng chỉ ra rằng tại điểm tiếp xúc của Rhd-E và DASA tồn tại một BCP của liên kết N64C65 trong phân tử RS. Ngoài ra trong phân tử RS còn phát hiện một RCP của liên kết C10C22C21C20N19. Điều đó cho thấy trong RS có tồn tại một vòng spirolactam (C10C22C21C20N19). Sư ̣ tồn tại vòng spirolactam này làm cho hệ liên hợp π trong fluorophore bị gián đoạn. b. Phân tích phổ UV-Vis của chemosensor RS Phổ UV-Vis của Rhd và RS được xác định bằng phương pháp TD- DFT tại B3LYP/LanL2DZ. Kết quả cho thấy phổ UV-Vis của Rhd và RS đạt cực đại hấp thụ ở bước sóng 473,3 và 357,9 nm; đồng thờ i sự phân bố electron trên các HOMO, LUMO của Rhd tập trung ở tiểu phần xanthene, còn sự phân bố electron trên HOMO và LUMO của RS thì tập trung ở tiểu phần receptor. Kết quả này đưa đến kỳ vọng là đặc tính quang lý của RS sẽ khác vớ i Rhd. c. Phân tích đặc tính huỳnh quang của chemosensor RS Năng lượng kích thích và hình dạng các MO biên của receptor và RS được tính toán theo phương pháp TD-DFT ở mức lý thuyết B3LYP/LanL2DZ và được tóm tắt ở bảng 3.10. Kết quả cho thấy, đối với RS trạng thái kích thích đầu tiên (S0→S1) ở bước sóng 426,5 ứ ng với 2 bước chuyển tương ứng MO169→MO170, MO169→MO171. Măc̣ dù có cường độ dao động lớ n (f= 0,0628), nhưng các bước chuyển này lại không dẫn tới huỳnh quang trong RS, vì đây là quá triǹ h đồng phân hóa của liên kết C=N. Trạng thái kích thích thứ hai (S0→S2) ở bước sóng 387,6 nm có cường độ dao động quá nhỏ (f=0,0007), nên bước chuyển này không dẫn tới huỳnh quang. Trạng thái kích thích tiếp theo (S0→S3) ở bước sóng 357,9 nm ứ ng với các bước chuyển tương ứng MO167→MO170, 12
13. MO167→MO171, MO168→MO170, MO168→MO171 có cường độ dao động f=0,0216; trong đó bước chuyển MO167→MO170 và MO168→MO170 không dẫn tới huỳnh quang do xảy ra cơ chế FRET; bước chuyển MO167→MO171, MO168→MO171 cũng không dẫn tới huỳnh quang do xảy ra cơ chế PET. Kết quả phân tích NBO cho thấy, phân tử RS có hai hệ liên hợp π bị gián đoạn trong tiểu phần xanthene của fluorophore. Điều này là do trong RS tồn tại vòng spirolactam làm cho nguyên tử C10 ở trạng thái lai hóa sp3, dẫn tới hệ liên hơp π bị phá vỡ. Vì vậy RS không phát huỳnh quang. Bảng 3.10. Năng lượng kích thích, cường độ dao động và các MO có liên quan đến quá trình kích thích chính của RS tại B3LYP/LanL2DZ Chất Bước MO E λ f CIC chuyển (eV) (nm) RS S0→S1 169→170 2,91 426,5 0,00628 0,64541 169→171 -0,10360 S0→S2 169→170 3,20 387,6 0,007 0,13303 169→171 0,69201 S0→S3 167→170 3,46 357,9 0,0216 0,12660 167→171 -0,31220 168→170 -0,46031 168→171 -0,34850 Kết quả phân tích NBO, kết hợp với phương pháp TD-DFT đối với RS cho thấy RS không phát huỳnh quang. Điều này là do trong RS tồn taị vòng spirolactam làm cho hê ̣liên hơp̣ π bi g̣ ián đoaṇ và do sư ̣ đồng phân hóa của liên kết C=N trong RS. Vì vậy, chemosensor RS dự kiến tổng hợp được sẽ hoạt động theo kiểu OFF-ON. 13
14. 3.2.2. Nghiên cứu thực nghiệm tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng của chemodosimeter RS 3.2.2.1. Thực nghiệm tổng hợp chemosensor RS Tổng hơp̣ RS: Trộn 456 mg N-(rhodamine-6G)lactam- ethylenediamine với 212 mg 4-diethylaminosalicylaldehyde trong 30 mL ethanol. Dung dic̣ h phản ứ ng đươc̣ đun hồi lưu trong 6 giờ , có suc̣ khí nitơ và khuấy thêm 2 giờ ở nhiêṭ đô ̣ phòng thu đươc̣ kết tủa. Kết tủa này đươc̣ loc̣ , rử a sac̣ h vớ i ethanol nhiều lần và làm khô bằng MgSO4. Sau đó tiếp tuc̣ tinh chế bằng kết tinh lại từ ethanol tuyệt đối. Khi đó thu đươc̣ RS (514 mg, hiêụ suất 81,2%) là chất tinh thể màu trắng. Cấu trúc của RS đươc̣ khẳng định bở i phổ 1H NMR và phổ TOF-MS. 3.2.2.2. Khảo sát thực nghiệm ứng dụng chemosensor RS a. Khảo sát phổ UV-Vis và phổ huỳnh quang của chemosensor RS với một số ion kim loại Khi cho 5 đương lượng Hg2+ vào RS (5 µM), phổ UV-Vis của dung dịch (Hình 3.30a) xuất hiện dải hấp thụ mới với cực đại ở 530 nm, còn phổ huỳnh quang (Hình 3.302b) có cường độ tăng lên ở bước sóng 556 nm (OFF-ON). Một thí nghiệm khác khảo sát sự chọn lọc ion Hg2+ của sensor RS được thực hiện khi dùng RS (5 µM) trong dung dịch với sự có mặt của các ion kim loại khác bao gồm Pb2+, Cd2+, Cr3+, Cu2+, Zn2+, Fe2+, Co2+, Ni2+, Ca2+, Mg2+, Ag+, K+ và Na+ (25µM tương ứng) đều không làm tăng cường độ huỳnh quang. Kết quả của phổ UV-Vis và phổ huỳnh quang chỉ ra rằng RS có tính chọn lọc tốt và nhạy với Hg2+ khi có mặt của các ion cạnh tranh khác. b. Khảo sát phản ứng giữa chemosensor RS với Hg2+ Phổ chuẩn độ huỳnh quang của dung dịch RS (5 µM) bằng Hg2+ cho thấy, khi tăng dần nồng độ Hg2+ từ 1 đến 25 µM, thì cường độ huỳnh quang của dung dịch cũng tăng dần. Kết quả này chứng tỏ có thể dùng RS để xác 14
15. định Hg2+. Đồng thời khi thêm EDTA vào dung dịch sau phản ứng giữa Hg2+ và RS, với nồng độ gấp 2 lần nồng độ Hg2+ thì cường độ huỳnh quang bị dập tắt hoàn toàn. Điều này cho thấy, phản ứng giữa RS với Hg2+ là phản ứng bất thuận nghịch và RS có thể hoạt động như một chemosensor huỳnh quang. Quá trình xác định thành phần của phức được tính theo phương pháp hệ đồng phân tử gam. Kết quả chỉ ra rằng RS và Hg2+ tương tác với nhau để tạo phức chất có hệ số tỉ lượng 1:1. c. Khảo sát sử dụng chemosensor RS phát hiện định lượng Hg2+ Mối quan hệ giữa nồng độ Hg2+ với cường độ huỳnh quang của RS- Hg2+ đã được khảo sát. Kết quả cho thấy, trong khoảng nồng độ Hg2+ từ 0,5 đến 10 µM, cường độ huỳnh quang tuyến tính với nồng độ Hg2+, thể hiện qua 2+ phương trình: I552 = 11,35 + 32,10 × [Hg ], với R=0,9943 (N=12, P<0,0001). Điều này cho thấy RS có thể sử dụng để phát hiện định lượng Hg2+. Giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng tương ứng là 0,13 và 0,45 µM. d. Khảo sát ảnh hưởng của pH Ả nh hưở ng của pH đến quá trình xác định Hg2+ cũng đươc̣ khảo sát. Kết quả cho thấy trong khoảng pH từ 6 đến 10, cường độ huỳnh quang của RS là nhỏ nhất và hầu như không thay đổi. Trong khi đó, cường độ huỳnh quang của các dung dịch RT + Hg2+ lại lớn nhất và cũng không có sự thay đổi đáng kể. Điều này đưa đến kết luận rằng có thể sử dụng RS để phát hiện các ion kim loại Hg2+ trong dung dịch với khoảng pH khá rộng, từ 6 đến 10. 3.2.3.2. Nghiên cứ u lý thuyết ứ ng duṇ g chemosensor RS a. Hiǹ h hoc̣ bền củ a phứ c RS-Hg2+ Thưc̣ nghiêṃ đã xác điṇ h đươc̣ phứ c taọ thành khi cho RS tác duṇ g vớ i Hg2+ có hệ số tỉ lượng 1:1. Khảo sát lý thuyết tiń h toán về cấu trúc hình hoc̣ bền của phứ c vớ i mứ c lý thuyết B3LYP/LanL2DZ đã tìm thấy các daṇ g tồn taị bền của phứ c với số phối tri ́ 2 (R2), 3 (R3) và 4 (R4). Giá tri ̣∆ , ∆ của phản ứ ng taọ thành các phứ c chất R2, R3, R4 đều nhỏ hơn 0 15
16. chứ ng tỏ các phản ứ ng này đều xảy ra và tỏa nhiêṭ. Tuy nhiên, các giá tri ̣ ∆ , ∆ của phản ứ ng taọ thành R4 là âm nhất, do vâỵ phản ứ ng taọ phứ c giữa RS với Hg2+ se ̃ ưu tiên taọ thành R4 hơn R2 và R3. b. Phân tích AIM Kết quả phân tích AIM chỉ ra rằng Hg2+ tương tác với phân tử RS sẽ hình thành phức chất vớ i số phối trí 4. Ngoài ra không phát hiện sự tồn tại RCP của liên kết liên kết C10C22C21C20N19, điều đó cho thấy trong R4 không tồn tại liên kết vòng spirolactam (C10C22C21C20N19). c. Phân tích năng lươṇ g kích thích, và cá c MO biên Năng lượng kích thích và hình dạng các MO biên của R4 được tính toán theo phương pháp TD-DFT ở mức lý thuyết B3LYP/LanL2DZ, kết quả được tóm tắt ở bảng 3.14. Bảng 3.14. Năng lượng kích thích, cường độ dao động và các MO có liên quan đến quá trình kích thích chính của R4 tại B3LYP/LanL2DZ Chất Bước MO E (eV) λ (nm) F CIC chuyển R4 S0→S1 179→180 0,23 5318,7 0,0228 0,2390 S0→S2 178→180 0,98 1332,5 0,0001 0,6905 S0→S3 176→180 1,03 1199,1 0,0179 0,68585 Trạng thái kích thích đầu tiên trong R4 (S0→S1) ứng với bước chuyển MO179→MO180, trong đó MO179, MO180 là của fluorophore; bước chuyển này có cường độ dao động lớ n (f = 0,0228), nên quá trình hồi phục về trạng thái cơ bản có thể dẫn tớ i huỳnh quang. Trạng thái kích thích thứ hai (S0→S2) ứng với bước chuyển MO178→MO180. Do bướ c chuyển này có cường độ dao động nhỏ (f = 0,0001), nên quá trình hồi phục về trạng thái cơ bản không dẫn tớ i huỳnh quang. Trạng thái kích thích thứ ba (S0→S3) ứng với bước chuyển 16
17. tương ứng MO177→MO180, trong đó MO177 thuôc̣ receptor còn MO180 thuôc̣ fluorophore. Bướ c chuyển này cũng không dẫn tớ i huỳnh quang, do khoảng cách về không gian và điều này đã được nghiên cứu trong các sensor hoạt động theo cơ chế FRET. d. Phân tích NBO Kết quả phân tích NBO cho thấy vòng spirolactam trong phân tử R4 bị phá vỡ, làm cho nguyên tử C10 trong RS ở trạng thái lai hóa sp3 chuyển thành sp2 trong R4, tạo ra hệ liên hợp π kéo dài suốt trong fluorophore. Măṭ khác năng lượng tương tác E(2) từ LP(2)O26 đến LP(6)Hg58 và từ LP(1)N64 đến LP(6)Hg58 khá lớ n tương ứ ng là 12,70 và 27,45 kcal mol-1, làm ngăn chăṇ quá trình PET từ căp̣ electron riêng của O26 và N64 đến tiểu phần xanthene của fluorescein, dẫn đến sự phát huỳnh quang của R4. e. Phân tích sư ̣choṇ loc̣ huỳnh quang củ a cá c ion Sư ̣ choṇ loc̣ huỳnh quang củ a Hg2+ so vớ i các ion cùng nhóm như Cd2+, Zn2+ đươc̣ giải thích dưạ vào khả năng phản ứ ng và khả năng phát huỳnh quang của các hơp̣ chất sau khi phản ứ ng vớ i các ion. Giá tri ̣∆G, ∆H của các phản ứ ng taọ phứ c với số phối trí 4 giữa RS vớ i Cd2+ và Zn2+ đều nhỏ hơn 0. Như vậy, xét về mặt nhiêṭ đôṇ g những phản ứ ng này có khả năng xảy ra và tỏa nhiêṭ. Kết quả phân tích AIM chỉ ra rằng có sự hình thành phức chất vớ i số phối trí 4 giữa RS với Cd2+, và giữa RS với Zn2+ thông qua các nguyên tử có ái lực với Cd2+ và Zn2+ là O26, N34, O91, O95. Góc nhi ̣ diêṇ O95-N54-O26-O91 trong hai phứ c RS-Cd và RS-Zn đều bằng 46,9o. Điều này cho thấy bốn nguyên tử O26, N54, O91 và O95 không đồng phẳng; ngoài ra góc liên kết O91-Cd-O95 và O91-Zn-O95 trong phứ c RS-Cd, RS-Zn đều gần bằng 104,4o. Điều này cho thấy Cd2+ và Zn2+ trong hai phứ c đều ở daṇ g lai hóa sp3. Trong khi đó góc nhi ̣diêṇ O95-N54-O26-O91 trong phứ c RS-Hg (R4) bằng 17,2o, chứng tỏ bốn nguyên tử O26, N54, O91 và O95 gần như đồng phẳng và Hg2+ 17
18. trong phức R4 ở trạng thái lai hóa dsp2. Sư ̣ khác nhau về traṇ g thái lai hóa của ion trung tâm sẽ dẫn tớ i sư ̣ thay đổi về khả năng phát huỳnh quang của các chất. Để rõ hơn về khả năng phát quang của các phứ c, chú ng tôi sử dụng phương pháp TD-DFT với các phứ c RS-Cd và RS-Zn ở mứ c lý thuyết B3LYP/LanL2DZ. Kết quả cho thấy các traṇ g thái kích thích S0→S1, S0→S2, S0→S3 của hai phứ c RS-Cd và RS-Zn đều có cườ ng đô ̣ dao đôṇ g rất nhỏ nên các chuyển này se ̃ không dẫn tớ i huỳnh quang, trong khi đó phức RS-Hg lại phát huỳnh quang. Điều này cho thấy sư ̣ choṇ loc̣ huỳnh quang của RS vớ i Hg2+; các ion Cd2+, Zn2+ không ảnh hưở ng đến kết quả phân tích huỳnh quang của RS với Hg2+. 3.3. Thiết kế, tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng của chemodosimeter huỳnh quang phát hiện chọn lọc Hg2+ dựa trên dẫn xuất của Fluorescein 3.3.1. Nghiên cứu lý thuyết về thiết kế, tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng của chemodosimeter huỳnh quang FS 3.3.1.1. Khảo sát phương pháp tính toán Các công bố về sensor huỳnh quang mà fluorophore là fluorescein (Flu) thường được tính toán với bộ hàm cơ sở 6-311+G(d,p). Để mở rộng việc chọn bộ hàm nhằm giảm thời tính toán nhưng vẫn cho kết quả tin cậy, chúng tôi đã chọn bộ hàm cơ sở LanL2dz. Kết quả so sánh độ dài liên kết, góc liên kết và góc nhi ̣ diêṇ của Flu với hai bộ hàm 6-311+G(d,p), LanL2DZ, cho thấy có thể sử duṇ g bô ̣ hàm LanL2DZ thay cho bô ̣ hàm 6- 311+G(d,p). 3.3.1.2. Khảo sát lý thuyết thiết kế và tổng hợp chemodosimeter FS Quá trình thiết kế và tổng hợp chemodosimeter FS với fluorophore, spacer và receptor tương ứng là fluorescein, hydrazin và benzyl thiocyanate. Kết quả tiń h biến thiên năng lươṇ g tư ̣ do Gibbs và entanpy các 18
19. phản ứ ng tổng hơp̣ FS cho thấy ∆G < 0 và ∆H < 0 nên xét về mặt nhiệt động các phản ứng tổng hợp chemodosimeter FS có khả năng xảy ra và đều tỏa nhiệt. Kết quả phân tích AIM chỉ ra rằng phân tử FS vẫn còn vòng spirolactam; còn ở phân tử FG, vòng spirolactam bị phá vỡ và thay vào đó là sự hình thành vòng 1,3,4-oxadiazole. 3.1.1.4. Nghiên cứu lý thuyết các đặc tính quang lý chemodosimeter FS a. Cấu trúc phân tử của chemodosimeter FS Tính chất quang lý của các chất phụ thuộc rất nhiều vào cấu trúc phân tử, chính vì vậy việc nghiên cứu cấu trúc phân tử của chemodosimeter FS là rất cần thiết. Kết quả tính toán cho thấy độ dài liên kết, góc liên kết, góc nhị diện của Flu, BTC trong phân tử FS và trạng thái tự do ban đầu hầu như không thay đổi. Tuy nhiên một vài thông số hình học có sự thay đổi tương đối xung quanh C25 và N27. Điều này có thể giải thích là do nguyên tử C25 và N27 của FS tương ứng ở trạng thái lai hóa sp2 và sp3, còn trong BTC thì chúng ở trạng thái lai hóa tương ứng là sp và sp2. Cấu trúc phân tử của FS cho thấy trong tiểu phần xanthene của phân tử FS tồn tại 2 hệ liên hợp π gián đoạn. b. Phân tích phổ UV-Vis của chemodosimeter FS Phổ UV-Vis của Flu, FS và FG được xác định bằng phương pháp TD-DFT tại B3LYP/LanL2DZ cho thấy rằng các chất này có dải hấp thụ cực đại ở bước sóng 380,0 nm; FS đạt cực đại ở bước sóng 395,2 nm; còn FG đạt cực đại ở bước sóng 446,4 và 340,2 nm. Phổ UV-Vis của Flu và FS tương tự nhau và đạt cực đại ở bước sóng tương ứng là 380,0 nm và 395,2 nm; trong khi đó phổ của FG lại khác với phổ của Flu, FS và đạt cực đại ở bước sóng 446,4 và 340,2 nm. Điều này cho phép dự đoán rằng FS có tính chất quang lý giống Flu và khác với FG. c. Phân tích đặc tính huỳnh quang của chemodosimeter FS Năng lượng kích thích và hình dạng các MO biên của fluorophore, 19