Luận Án Tiến Sĩ Hóa Học: Nghiên Cứu Ứng Dụng Hóa Tính Toán Trong Thiết Kế Và Ứng Dụng Sensor Huỳnh Quang

• Chuyên ngành: Hóa học
• Đề tài: Ứng Dụng Hóa Tính Toán Trong Thiết Kế Sensor Huỳnh Quang
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 1.1. Tổng quan các nghiên cứu về sensor huỳnh quang
• 1.2. Tình hình nghiên cứu sensor huỳnh quang
• 1.3. Nguyên tắc hoạt động của sensor huỳnh quang
• 1.4. Cấu tạo của sensor huỳnh quang
• 1.5. Cơ sở vật lý của quá trình hấp thụ và phát xạ của phân tử
• 1.6. Quá trình hấp thụ
• 1.7. Quá trình phát xạ huỳnh quang
• 1.8. Nguyên tắc thiết kế sensor huỳnh quang
• 1.9. Thiết kế theo cơ chế chuyển electron cảm ứng ánh sáng PET
• 1.10. Thiết kế theo cơ chế chuyển điện tích nội phân tử ICT (intramolecular charge transfer)
• 1.11. Thiết kế theo cơ chế truyền năng lượng cộng hưởng Forster (FRET)
• 1.12. Thiết kế theo cơ chế mở vòng spirolactam của dẫn xuất rhodamine spirolactam
• 1.13. Lựa chọn fluorophore
• 1.14. Tổng quan về các đối tượng phân tích Cu2+, Hg2+ và các biothiol
• 1.15. Các biothiol Cys, Hcy và GSH
• 1.16. Hóa tính toán trong nghiên cứu sensor huỳnh quang
• 1.17. Khảo sát cấu trúc và các thông số nhiệt động học
• 1.18. Khảo sát tính chất quang học của sensor dựa vào trạng thái cơ bản
• 1.19. Khảo sát đặc tính quang học của sensor dựa vào trạng thái kích thích
• 2. CHƯƠNG 2: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Mục tiêu nghiên cứu
• 2.2. Nội dung nghiên cứu
• 2.3. Phương pháp nghiên cứu
• 2.4. Phương pháp nghiên cứu tính toán lý thuyết
• 2.5. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Thiết kế, tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng sensor huỳnh quang BDC dựa trên dẫn xuất coumarin phát hiện Cu2+
• 3.2. Nghiên cứu lý thuyết về thiết kế, tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng sensor huỳnh quang BDC
• 3.3. Nghiên cứu thực nghiệm tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng của sensor BDC
• 3.4. Kết luận chung về nghiên cứu sensor huỳnh quang BDC và [CuBDC]2+
• 3.5. Thiết kế, tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng sensor huỳnh quang RLED dựa trên phản ứng mở vòng rhodamine spirolactam phát hiện Hg2+
• 3.6. Nghiên cứu lý thuyết về thiết kế, tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng sensor huỳnh quang RLED
• 3.7. Nghiên cứu thực nghiệm tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng sensor RLED
• 3.8. Kết luận chung về nghiên cứu sensor huỳnh quang RLED
• NHỮNG KẾT LUẬN CHÍNH CỦA LUẬN ÁN
• ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ LIÊN QUAN LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

I. Hóa học tính toán

Hóa học tính toán đóng vai trò quan trọng trong việc thiết kế và phát triển các sensor huỳnh quang. Phương pháp này sử dụng các mô hình lý thuyết để dự đoán các đặc tính quang học và cơ chế hoạt động của sensor. Các công cụ như thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) và thuyết phiếm hàm mật độ phụ thuộc thời gian (TDDFT) được áp dụng để khảo sát cấu trúc, tính chất nhiệt động học và quang học của sensor. Hóa học tính toán giúp rút ngắn thời gian thực nghiệm và tiết kiệm chi phí nghiên cứu.

1.1. Khảo sát cấu trúc và thông số nhiệt động học

Các nghiên cứu sử dụng hóa học tính toán để khảo sát cấu trúc phân tử và các thông số nhiệt động học của sensor. Các phương pháp như DFT và TDDFT được sử dụng để tính toán năng lượng kích thích, bước sóng hấp thụ và phát xạ. Kết quả tính toán giúp dự đoán hiệu quả hoạt động của sensor trong các điều kiện khác nhau.

1.2. Tính chất quang học của sensor

Hóa học tính toán cũng được sử dụng để khảo sát tính chất quang học của sensor dựa trên trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích. Các nghiên cứu tập trung vào việc phân tích sự chuyển đổi electron và quá trình hấp thụ, phát xạ huỳnh quang. Kết quả tính toán giúp hiểu rõ cơ chế hoạt động của sensor và tối ưu hóa thiết kế.

II. Thiết kế sensor huỳnh quang

Thiết kế sensor huỳnh quang là quá trình kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm để tạo ra các sensor có độ nhạy và độ chọn lọc cao. Các sensor được thiết kế dựa trên các cơ chế như chuyển electron cảm ứng ánh sáng (PET), chuyển điện tích nội phân tử (ICT) và truyền năng lượng cộng hưởng Forster (FRET). Thiết kế sensor cũng bao gồm việc lựa chọn các fluorophore phù hợp để tối ưu hóa hiệu suất phát quang.

2.1. Cơ chế PET trong thiết kế sensor

Cơ chế PET được sử dụng rộng rãi trong thiết kế sensor huỳnh quang. Sensor hoạt động theo cơ chế này thường có hiệu ứng bật-tắt huỳnh quang (ON-OFF) khi tương tác với chất phân tích. Các nghiên cứu tập trung vào việc tối ưu hóa cấu trúc phân tử để tăng cường hiệu ứng PET.

2.2. Cơ chế ICT và FRET

Cơ chế ICT và FRET cũng được áp dụng trong thiết kế sensor. ICT dựa trên sự chuyển điện tích nội phân tử, trong khi FRET dựa trên sự truyền năng lượng giữa hai phân tử. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc kết hợp các cơ chế này giúp cải thiện độ nhạy và độ chọn lọc của sensor.

III. Ứng dụng hóa học trong thiết kế sensor

Ứng dụng hóa học trong thiết kế sensor huỳnh quang bao gồm việc sử dụng các phương pháp hóa học để tổng hợp và đặc trưng các sensor. Các nghiên cứu tập trung vào việc phát triển các sensor mới có khả năng phát hiện các ion kim loại và phân tử sinh học. Ứng dụng hóa học cũng bao gồm việc nghiên cứu các phản ứng hóa học xảy ra trong quá trình hoạt động của sensor.

3.1. Tổng hợp và đặc trưng sensor

Các sensor huỳnh quang được tổng hợp thông qua các phản ứng hóa học cụ thể. Quá trình tổng hợp được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo độ tinh khiết và hiệu suất của sensor. Các phương pháp đặc trưng như NMR, UV-Vis và huỳnh quang được sử dụng để xác định cấu trúc và tính chất của sensor.

3.2. Ứng dụng trong phát hiện ion và phân tử

Các sensor huỳnh quang được ứng dụng rộng rãi trong việc phát hiện các ion kim loại như Cu2+, Hg2+ và các phân tử sinh học như cysteine (Cys), homocysteine (Hcy) và glutathione (GSH). Các nghiên cứu cho thấy rằng sensor có độ nhạy và độ chọn lọc cao, phù hợp cho các ứng dụng trong y học và môi trường.

IV. Kết quả và thảo luận

Các kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc kết hợp hóa học tính toán và thực nghiệm đã mang lại hiệu quả cao trong việc thiết kế và phát triển các sensor huỳnh quang. Các sensor được thiết kế có độ nhạy và độ chọn lọc cao, phù hợp cho các ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Kết quả và thảo luận cũng chỉ ra các hướng nghiên cứu tiếp theo để cải thiện hiệu suất của sensor.

4.1. Đánh giá hiệu suất sensor

Các sensor được đánh giá dựa trên các thông số như độ nhạy, độ chọn lọc và giới hạn phát hiện (LOD). Kết quả cho thấy rằng các sensor có hiệu suất cao, đáp ứng được yêu cầu của các ứng dụng thực tế.

4.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo

Các nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc cải thiện độ nhạy và độ chọn lọc của sensor, cũng như mở rộng phạm vi ứng dụng của sensor trong các lĩnh vực khác nhau như y học, môi trường và công nghiệp.