Tổng quan luận án

Đề tài luận án tiến sĩ: "Áp dụng hóa tính toán trong thiết kế, tổng hợp và ứng dụng một số sensor huỳnh quang".

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Sensor huỳnh quang là công cụ phân tích có nhiều ưu điểm trong việc phát hiện và định lượng các chất phân tích sinh học và môi trường nhờ quá trình xử lý mẫu đơn giản, thời gian phân tích nhanh, chi phí thiết bị hợp lý và khả năng theo dõi nồng độ chất phân tích theo thời gian thực kết hợp với kỹ thuật kính hiển vi chụp ảnh huỳnh quang (fluorescence imaging microscope).

Trở ngại chính trong quá trình phát triển các sensor huỳnh quang mới là việc dự đoán và kiểm soát đặc tính quang học của phân tử ở dạng tự do cũng như dạng liên kết với chất phân tích. Các quy trình thực nghiệm truyền thống phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm thăm dò, dẫn đến tốn kém thời gian và hóa chất. Trong giai đoạn trước đây, lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) và phiếm hàm mật độ phụ thuộc thời gian (TDDFT) chủ yếu chỉ được sử dụng ở bước sau thực nghiệm nhằm giải thích cơ chế hoạt động của các phân tử đã tổng hợp sẵn, chưa được khai thác như một công cụ dự đoán và thiết kế định hướng ngay từ giai đoạn đầu. Xuất phát từ thực trạng đó, luận án đặt vấn đề tích hợp công cụ hóa học tính toán vào toàn bộ quy trình thiết kế, mô phỏng quang lý, đánh giá nhiệt động học phản ứng tổng hợp, sau đó tiến hành tổng hợp thực nghiệm và kiểm chứng ứng dụng phân tích.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát của luận án được xác định gồm:

  1. Sử dụng hóa học tính toán để thiết kế và thăm dò hoạt động của sensor huỳnh quang.
  2. Áp dụng kết quả thiết kế lý thuyết với thực nghiệm để tổng hợp các sensor huỳnh quang:
    • Sensor BDC phát hiện $\text{Cu}^{2+}$ dựa trên fluorophore là dẫn xuất của coumarin;
    • Sensor $[\text{CuBDC}]^{2+}$ phát hiện cysteine dựa trên phức của BDC và $\text{Cu}^{2+}$;
    • Sensor RLED phát hiện $\text{Hg}^{2+}$ dựa trên fluorophore là dẫn xuất của rhodamine spirolactam.

Nhiệm vụ cụ thể của luận án:

  • Áp dụng hóa tính toán để thiết kế các sensor huỳnh quang;
  • Sử dụng kết quả thiết kế lý thuyết để tổng hợp các sensor huỳnh quang mới:
    • Chemosensor $(E)$-3-((2-(benzo[$d$]thiazol-2-yl)hydrazono)methyl)-7-(diethylamino)coumarin (BDC) phát hiện $\text{Cu}^{2+}$ và các biothiol;
    • Sensor $N$-(rhodamine-6G)lactam-ethylenediamine-4-dimethylamino cinnamaldehyde (RLED) phát hiện $\text{Hg}^{2+}$.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng phân tích: Các cation kim loại nặng và kim loại chuyển tiếp gồm $\text{Cu}^{2+}$, $\text{Hg}^{2+}$ cùng các phân tử biothiol có chứa nhóm thiol (-SH) gồm Cysteine (Cys), Homocysteine (Hcy) và Glutathione (GSH).
  • Đối tượng sensor: Sensor BDC (dẫn xuất coumarin), phức chất $[\text{CuBDC}]^{2+}$, và sensor RLED (dẫn xuất rhodamine spirolactam).
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Về lý thuyết: Mô hình hóa cấu trúc phân tử ở trạng thái cơ bản ($S_0$, $D_0$) và trạng thái kích thích ($S_1$, $D_1$, $D_{10}$), tính toán các thông số nhiệt động học, năng lượng Gibbs solvat hóa trong môi trường nước ($\text{H}_2\text{O}$) sử dụng các mô hình solvat hóa liên tục (PCM, SMD).
    • Về thực nghiệm: Tổng hợp hữu cơ trong phòng thí nghiệm; khảo sát tính chất quang phổ (hấp thụ UV-Vis và phát xạ huỳnh quang) trong hệ dung môi ethanol/HEPES (tỷ lệ thể tích 1/1, pH 7,4 đối với BDC) và dung dịch đối với RLED.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước đây được tổng quan trong văn bản

  • Lịch sử phát triển sensor huỳnh quang: Hiện tượng huỳnh quang được ghi nhận lần đầu bởi Sahagun (1560) trên dịch chiết cây Eysenhardtia polystachya, sau đó được Stokes (1852) mô tả chi tiết trên khoáng chất fluorite và thủy tinh uranium. Sensor huỳnh quang đầu tiên được công bố bởi Goppelsröder (1867) phát hiện chọn lọc ion $\text{Al}^{3+}$ qua sự tạo phức với flavonoid morin. Về sau, Silva và Czarnik mở rộng phạm vi nghiên cứu sang nhiều đối tượng ion và phân tử sinh học.
  • Nghiên cứu sensor phát hiện cation, anion và phân tử sinh học:
    • Phát hiện cation: $\text{Hg}^{2+}$ trong tế bào ung thư vú, $\text{Cu}^{2+}$ trong lysosome tế bào 293T, $\text{Cd}^{2+}$ và $\text{Pb}^{2+}$ trong tế bào HeLa, cùng các ion khác như $\text{Fe}^{2+}$, $\text{Fe}^{3+}$, $\text{Zn}^{2+}$, $\text{Cr}^{3+}$, $\text{Ag}^{+}$, $\text{Mg}^{2+}$, $\text{Ba}^{2+}$.
    • Phát hiện anion và phân tử trung hòa: $\text{F}^-$, $\text{CN}^-$, $\text{Br}^-$, $\text{S}^{2-}$, $\text{HSO}_3^-/\text{SO}_3^{2-}$, $\text{H}_2\text{S}$, $\text{SO}_2$ và các biothiol (GSH, Hcy, Cys).
    • Tại Việt Nam: Nhóm nghiên cứu của GS. Dương Tuấn Quang đã công bố các hệ sensor huỳnh quang phát hiện $\text{Hg}^{2+}$, $\text{Cu}^{2+}$, $\text{Ag}^{+}$, $\text{Al}^{3+}$, $\text{Cs}^{+}$, $\text{F}^-$ và các biothiol.
  • Các cơ chế vận hành của sensor huỳnh quang:
    • Cơ chế chuyển electron cảm ứng ánh sáng (PET): Phân tích qua sensor BCIO (Hao Zhu và cộng sự) phát hiện $\text{HClO}$ dùng khung BODIPY và sensor CCF1 (Jia và cộng sự) phát hiện $\text{Cu}^{2+}$ dùng khung fluorescein.
    • Cơ chế chuyển điện tích nội phân tử (ICT): Sensor Fura-2 phát hiện $\text{Ca}^{2+}$ trong chụp ảnh tế bào (Roger Y. Tsien, giải Nobel Hóa học 2008) và sensor ZS1 phát hiện $\text{H}_2\text{S}$.
    • Cơ chế truyền năng lượng cộng hưởng Förster (FRET): Phân tích trên sensor IPIN-$\text{SO}_2$ phát hiện ion $\text{SO}_3^{2-}$.
    • Cơ chế mở vòng spirolactam của rhodamine: Phân tích trên sensor RD phát hiện $\text{Cu}^{2+}$ và RMTE phát hiện $\text{Hg}^{2+}$.
    • Cơ chế chuyển proton nội phân tử ở trạng thái kích thích (ESIPT): Nghiên cứu của Li và Chu trên sensor TBTTP-S phát hiện $\text{H}_2\text{S}$.
  • Ứng dụng hóa học tính toán trong nghiên cứu sensor:
    • Ramakrishnan và cộng sự (2014) xây dựng cơ sở dữ liệu cho 134.000 phân tử hữu cơ nhỏ bằng DFT (B3LYP/6-31G(2df,p)) đối chứng với phương pháp hàm sóng G4MP2, xác nhận sai số năng lượng ion hóa không vượt quá $5\text{ kcal}\cdot\text{mol}^{-1}$.
    • Chen và cộng sự áp dụng phương pháp M06-2X/6-31g(d)/SMD tính năng lượng Gibbs ($\Delta G$) cho phản ứng cộng Michael thuận nghịch giữa sensor và GSH với sai số dưới $1\text{ kcal}\cdot\text{mol}^{-1}$.
    • Ma và cộng sự sử dụng DFT/TDDFT (B3LYP/6-31G(d,p)) khảo sát tương tác $\pi-\pi$ stacking và cơ chế dập tắt huỳnh quang PET trong phức $\text{ITTP}_1\text{-TTP}$ phát hiện axit picric.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Luận án tập trung giải quyết khoảng trống phương pháp luận: Thiết lập quy trình hoàn chỉnh sử dụng hóa học tính toán (DFT, TDDFT, QTAIM) ngay từ bước đầu để thiết kế cấu trúc, dự đoán tính chất quang phổ của sensor ở dạng tự do và dạng phức, tính toán hằng số bền của phức chất, đánh giá tính khả thi nhiệt động học của các phản ứng tổng hợp, sau đó mới tiến hành tổng hợp thực nghiệm để kiểm chứng và ứng dụng phát hiện $\text{Cu}^{2+}$, $\text{Hg}^{2+}$ và biothiol.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Lý thuyết, khái niệm và khung phân tích

  • Cơ sở quang vật lý phân tử: Quá trình hấp thụ photon ($\Delta E = h\nu$), chuyển mức electron theo nguyên lý Franck - Condon, giản đồ Jablonski mô tả các quá trình hồi phục dao động ($vr$), chuyển mức không phát xạ nội phân tử ($ic$), chuyển mức giữa các độ bội spin khác nhau ($isc$), quy tắc Kasha (phát xạ huỳnh quang từ mức $S_1$), ngoại lệ quy tắc Kasha (phân tử azulene phát xạ từ $S_2$), hiệu suất lượng tử huỳnh quang ($\Phi_f$), quy tắc Vavilov và quy tắc Ermolaev ($\Phi_f + \Phi_{isc} \approx 1$).
  • Mô hình cấu trúc sensor: Cấu trúc 3 thành phần gồm Fluorophore (phát huỳnh quang), Receptor (nhận biết chọn lọc chất phân tích) và Spacer (liên kết, truyền tín hiệu); hoặc dạng liên kết trực tiếp Fluorophore - Receptor.
  • Lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT và TDDFT):
    • Dựa trên hai định lý Hohenberg - Kohn (1964, 1965) và hệ phương trình Kohn - Sham (1965).
    • Năng lượng hệ phân tử: $E[\rho(\mathbf{r})] = T_{KS}[\rho(\mathbf{r})] + V_{ne}[\rho(\mathbf{r})] + V_H[\rho(\mathbf{r})] + E_{xc}[\rho(\mathbf{r})]$.
    • Các phiếm hàm trao đổi tương quan ($E_{xc}$): Phiếm hàm lai PBE0, B3LYP; các phiếm hàm hiệu chỉnh tầm xa và tương tác phân tán (CAM-B3LYP, LC-$\omega\text{PBE}$, $\omega\text{B97XD}$, M06-2X).
    • TDDFT dùng để tính toán năng lượng kích thích ($E$), bước sóng hấp thụ/phát xạ ($\lambda$), cường độ dao động ($f$), cấu tạo orbital phân tử biên (HOMO, LUMO) và phân tích phân bố lỗ trống - electron (hole-electron analysis).
  • Lý thuyết lượng tử về nguyên tử trong phân tử (QTAIM của Bader): Phân tích topo mật độ electron $\rho(\mathbf{r})$, ma trận Hessian, giá trị Laplacian $\nabla^2\rho(\mathbf{r})$, xác định các điểm tới hạn liên kết (Bond Critical Point - BCP) và điểm tới hạn vòng (Ring Critical Point - RCP) để làm rõ bản chất liên kết phối trí.
  • Mô hình solvat hóa: Mô hình liên tục phân cực PCM (Polarizable Continuum Model) và mô hình dựa trên mật độ SMD (Solvation Model based on Density) trong môi trường nước ($\text{H}_2\text{O}$).
  • Bộ hàm cơ sở: Bộ hàm Pople gồm 6-31G, 6-31+G(d,p), 6-311++G(d,p) có tích hợp hàm phân cực và hàm khuếch tán; thế năng lõi hiệu dụng ECP (LANL2DZ của Hay và Wadt, SDD của Stuttgart - Dresden) dùng cho kim loại nặng $\text{Hg}$.
      +-------------------------------------------------------------+
      |               QUY TRÌNH NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN              |
      +-------------------------------------------------------------+
                                     |
                                     v
      +-------------------------------------------------------------+
      |                   1. TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT                    |
      | - Tối ưu hóa cấu trúc trạng thái cơ bản và kích thích (DFT) |
      | - Tính phổ UV-Vis, huỳnh quang, FMO, lỗ trống-electron      |
      | - Đánh giá nhiệt động học phản ứng tổng hợp (Delta G)       |
      | - Phân tích liên kết phối trí qua QTAIM (BCP, RCP)          |
      +-------------------------------------------------------------+
                                     |
                                     v
      +-------------------------------------------------------------+
      |                   2. THỰC NGHIỆM TỔNG HỢP                   |
      | - Tổng hợp sensor BDC (dẫn xuất coumarin)                   |
      | - Tổng hợp sensor RLED (dẫn xuất rhodamine spirolactam)     |
      | - Kiểm tra cấu trúc: 1H-NMR, 13C-NMR, ESI-MS                |
      +-------------------------------------------------------------+
                                     |
                                     v
      +-------------------------------------------------------------+
      |                  3. ĐẶC TRƯNG VÀ ỨNG DỤNG                   |
      | - Đo quang phổ UV-Vis và huỳnh quang                        |
      | - Đánh giá độ chọn lọc cation kim loại và ion cản trở       |
      | - Khảo sát ảnh hưởng pH, thời gian đáp ứng, Job's plot      |
      | - Xác định hằng số bền, giới hạn phát hiện LOD và LOQ       |
      +-------------------------------------------------------------+

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

  • Hóa chất và tổng hợp hữu cơ: Tổng hợp BDC qua các hợp chất trung gian (P2, P3); tổng hợp RLED từ $N$-(rhodamine-6G)lactam ethylenediamine và 4-dimethylaminocinnamaldehyde.
  • Phương pháp phổ nghiệm xác định cấu trúc:
    • Phổ cộng hưởng từ hạt nhân proton ($^1\text{H-NMR}$) và carbon-13 ($^{13}\text{C-NMR}$).
    • Phổ khối lượng ion hóa phun mù điện tử (ESI-MS).
  • Phương pháp trắc quang và huỳnh quang:
    • Đo quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis và phổ phát xạ huỳnh quang.
    • Phương pháp đồ thị Job (Job's plot) để xác định thành phần tỉ lệ tạo phức giữa sensor và ion kim loại.
    • Chuẩn độ huỳnh quang để lập đường chuẩn, tính toán giới hạn phát hiện ($\text{LOD} = 3\sigma/k$) và giới hạn định lượng ($\text{LOQ} = 10\sigma/k$).
    • Phương pháp đường cong phi tuyến để xác định hằng số bền ($\beta$) của phức chất.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU

Chương 1 trình bày tổng quan hệ thống cơ sở lý thuyết và các công trình liên quan đến sensor huỳnh quang:

  • Trình bày lịch sử hình thành từ công trình của Goppelsröder (1867) đến các phát triển hiện đại; làm rõ nguyên tắc hoạt động cơ bản gồm kiểu bật - tắt huỳnh quang (ON-OFF), kiểu tắt - bật huỳnh quang (OFF-ON) và kiểu chuyển dịch bước sóng phát xạ.
  • Phân tích chi tiết cơ sở vật lý của quá trình hấp thụ và phát xạ photon: các mức chuyển dịch trạng thái electron của anthracene, giản đồ Jablonski, các quy tắc quang vật lý kinh điển (Kasha, Vavilov, Ermolaev).
  • Phân loại và mô tả các cơ chế thiết kế sensor huỳnh quang phổ biến:
    • Cơ chế PET: Điều khiển chuyển dịch electron giữa HOMO/LUMO của receptor và fluorophore.
    • Cơ chế ICT: Ảnh hưởng của dung môi và tương tác phối trí lên donor/acceptor làm thay đổi độ dịch chuyển Stokes.
    • Cơ chế FRET: Quá trình truyền năng lượng không bức xạ phụ thuộc vào khoảng cách $r$ (tỷ lệ $1/r^6$) và sự xen phủ phổ giữa donor và acceptor.
    • Cơ chế mở vòng spirolactam của rhodamine: Chuyển đổi từ dạng đóng vòng không màu, không huỳnh quang sang dạng mở vòng phát huỳnh quang mạnh.
    • Cơ chế ESIPT và phản ứng tạo phức chelate (CHEF).
  • Tổng quan tiêu chí lựa chọn các bộ khung fluorophore (coumarin, BODIPY, naphthalimide, rhodamine) dựa trên hệ số hấp thụ mol ($\varepsilon$), bước sóng kích thích ($\lambda_{max(abs)}$), bước sóng phát xạ ($\lambda_{max(em)}$), hiệu suất lượng tử ($\Phi_f$) và độ sáng ($\varepsilon\Phi$).
  • Phân tích độc tính, tiêu chuẩn môi trường và vai trò sinh lý của các đối tượng phân tích: $\text{Hg}^{2+}$ (tiêu chuẩn EPA: $10\text{ nM}$), $\text{Cu}^{2+}$ (tiêu chuẩn EPA: $1,3\text{ ppm}$), và các phân tử biothiol Cys, Hcy, GSH.
  • Khái quát vai trò của hóa học tính toán (DFT, TDDFT) trong việc tính toán cấu trúc, năng lượng Gibbs phản ứng, phân tích FMO và trạng thái kích thích.

CHƯƠNG 2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Chương 2 thiết lập toàn bộ quy trình tính toán lý thuyết và phương pháp thực nghiệm:

  • Phương pháp tính toán lý thuyết:
    • Trình bày cơ sở toán học của phương pháp lượng tử từ phương trình Schrödinger, phương pháp bán kinh nghiệm, phương pháp ab initio (HF, MP2, CI, CC, CASSCF) đến lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT/TDDFT).
    • Khảo sát cấu trúc bộ hàm cơ sở Pople (từ STO-3G, 6-31G đến 6-311++G(d,p)), cơ sở Dunning (cc-pVDZ, cc-pVTZ) và thế năng lõi hiệu dụng ECP (LANL2DZ, SDD) cho kim loại chuyển tiếp.
    • Thiết lập mức lý thuyết tính toán: PBE0/6-311++G(d,p)/PCM($\text{H}_2\text{O}$) để tối ưu hóa hình học, tính phổ kích thích và phát xạ của BDC và RLED; áp dụng lý thuyết QTAIM để phân loại các điểm tới hạn (BCP, RCP).
    • Thiết lập công thức nhiệt động học xác định năng lượng Gibbs tạo phức trong dung dịch ($\Delta G_{aq}$), năng lượng Gibbs solvat hóa ($\Delta G_{solv}$) và hằng số bền phức ($\beta$).
  • Phương pháp thực nghiệm:
    • Liệt kê danh mục hóa chất, dung môi chính sử dụng trong tổng hợp.
    • Mô tả chi tiết quy trình tổng hợp BDC và RLED.
    • Thiết lập quy trình đo phổ $^1\text{H-NMR}$, $^{13}\text{C-NMR}$, ESI-MS, UV-Vis và huỳnh quang; quy trình khảo sát pH, thời gian đáp ứng và các cation kim loại cản trở.

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Chương 3 trình bày toàn bộ các phát hiện lý thuyết và kết quả thực nghiệm của hai hệ sensor:

1. Nghiên cứu sensor huỳnh quang BDC và hệ cảm biến $[\text{CuBDC}]^{2+}$

  • Nghiên cứu lý thuyết:
    • Tối ưu hóa cấu trúc BDC ở trạng thái cơ bản ($S_0$) và trạng thái kích thích ($S_1$) tại mức PBE0/6-311++G(d,p)/PCM($\text{H}_2\text{O}$). Tính toán các thông số chuyển đổi điện tử $S_0 \rightarrow S_1$ và $S_1 \rightarrow S_0$, phân tích orbital HOMO, LUMO và mật độ lỗ trống - electron.
    • Khảo sát cấu trúc phức giữa $\text{Cu}^{2+}$ và BDC: Xác định cấu trúc bền của phức $[\text{CuBDC}]^{2+}$. Phân tích topo QTAIM xác định mật độ electron $\rho(\mathbf{r})$ tại các điểm tới hạn liên kết (BCP).
    • Tính toán phổ UV-Vis và bước chuyển điện tử của phức $[\text{CuBDC}]^{2+}$ ở các trạng thái doublet ($D_0 \rightarrow D_{10}$ và $D_1 \rightarrow D_0$). Kết quả chỉ ra cơ chế PET làm dập tắt huỳnh quang của BDC khi tạo phức với $\text{Cu}^{2+}$.
    • Đánh giá nhiệt động học các phản ứng dự kiến trong quy trình tổng hợp BDC, xác nhận các giá trị $\Delta G$ thuận lợi.
  • Nghiên cứu thực nghiệm:
    • Tổng hợp thành công BDC qua các sản phẩm trung gian P2, P3; xác nhận cấu trúc bằng phổ $^1\text{H-NMR}$ và $^{13}\text{C-NMR}$.
    • Phổ UV-Vis và huỳnh quang của BDC ($5,0\ \mu\text{M}$) trong ethanol/HEPES (pH 7,4; tỷ lệ 1/1 v/v) tại bước sóng kích thích $460\text{ nm}$ cho pic phát xạ huỳnh quang cực đại tại $536\text{ nm}$.
    • Khi thêm $5,0\ \mu\text{M}\ \text{Cu}^{2+}$, huỳnh quang tại $536\text{ nm}$ bị dập tắt mạnh (hoạt động theo cơ chế ON-OFF). Sensor có tính chọn lọc cao với $\text{Cu}^{2+}$ khi so sánh với các cation: $\text{Na}^+$, $\text{K}^+$, $\text{Mg}^{2+}$, $\text{Ca}^{2+}$, $\text{Fe}^{2+}$, $\text{Fe}^{3+}$, $\text{Co}^{2+}$, $\text{Ni}^{2+}$, $\text{Zn}^{2+}$, $\text{Pb}^{2+}$, $\text{Cd}^{2+}$, $\text{Hg}^{2+}$.
    • Thử nghiệm phục hồi huỳnh quang khi thêm chất tạo phức cạnh tranh EDTA chứng minh tính thuận nghịch của liên kết giữa BDC và $\text{Cu}^{2+}$.
    • Khảo sát thời gian và pH cho thấy phản ứng tạo phức diễn ra nhanh và ổn định trong vùng pH sinh lý.
    • Khảo sát chuẩn độ nồng độ $\text{Cu}^{2+}$ ($0,0 - 10,0\ \mu\text{M}$ và $0,0 - 300,0\text{ ppb}$): Đồ thị Job xác định tỉ lệ tạo phức 1:1; xác định hằng số bền phức $[\text{CuBDC}]^{2+}$; xác định giới hạn phát hiện $\text{LOD} = 4,0\text{ ppb}$.
  • Ứng dụng phát hiện biothiol bằng phức $[\text{CuBDC}]^{2+}$:
    • Phức $[\text{CuBDC}]^{2+}$ ($5,0\ \mu\text{M}$) ở trạng thái tắt huỳnh quang (OFF). Khi thêm các biothiol (Cys, Hcy, GSH ở nồng độ $10,0\ \mu\text{M}$), ion $\text{Cu}^{2+}$ bị tách ra khỏi phức do ái lực mạnh hơn với nhóm thiol (-SH), giải phóng BDC tự do và phục hồi tín hiệu huỳnh quang tại $536\text{ nm}$ (cơ chế OFF-ON).
    • Chuẩn độ huỳnh quang với Cysteine ($0,0 - 20,0\ \mu\text{M}$) xác định giới hạn phát hiện với Cys đạt $\text{LOD} = 0,3\ \mu\text{M}$.

2. Nghiên cứu sensor huỳnh quang RLED phát hiện $\text{Hg}^{2+}$

  • Nghiên cứu lý thuyết:
    • Tối ưu hóa cấu trúc RLED ở trạng thái cơ bản ($S_0$) tại PBE0/6-311++G(d,p)/PCM($\text{H}_2\text{O}$). Tính toán phổ hấp thụ UV-Vis, HOMO, LUMO và chuyển đổi $S_0 \rightarrow S_1$.
    • Tính toán nhiệt động học Gibbs cho các dạng tồn tại của RLED trong dung dịch và phản ứng tạo phức $[\text{HgL1}]^{2+}$; phân tích các điểm tới hạn QTAIM (BCP) của phức.
    • Tính toán nhiệt động học khẳng định tính khả thi của các phản ứng tổng hợp RLED.
  • Nghiên cứu thực nghiệm:
    • Tổng hợp RLED từ $N$-(rhodamine-6G)lactam ethylenediamine; xác nhận cấu trúc các chất và sản phẩm qua phổ $^1\text{H-NMR}$, $^{13}\text{C-NMR}$ và ESI-MS.
    • Khi chưa có $\text{Hg}^{2+}$, RLED tồn tại ở dạng đóng vòng spirolactam, dung dịch không màu và không phát huỳnh quang.
    • Khi thêm $\text{Hg}^{2+}$, xảy ra phản ứng mở vòng spirolactam giải phóng dẫn xuất huỳnh quang rhodamine 575; dung dịch chuyển sang màu hồng, hấp thụ mạnh tại $530\text{ nm}$ và phát xạ huỳnh quang tại $558\text{ nm}$ (hoạt động theo kiểu chemodosimeter, OFF-ON).
    • Khảo sát độ chọn lọc với $10,0\ \mu\text{M}\ \text{Hg}^{2+}$ so với các ion $\text{Cu}^{2+}$, $\text{Zn}^{2+}$, $\text{Pb}^{2+}$, $\text{Cd}^{2+}$, $\text{Fe}^{3+}$, $\text{Co}^{2+}$, $\text{Ni}^{2+}$, $\text{Ag}^{+}$, $\text{Na}^+$, $\text{K}^+$, $\text{Ca}^{2+}$, $\text{Mg}^{2+}$ cho thấy tín hiệu huỳnh quang chỉ bật lên khi có mặt $\text{Hg}^{2+}$.
    • Khảo sát động học phản ứng theo thời gian và sự phụ thuộc vào pH.
    • Chuẩn độ huỳnh quang với $\text{Hg}^{2+}$ ($0,0 - 20,0\ \mu\text{M}$) xác định giới hạn phát hiện $\text{LOD} = 28,0\text{ ppb}$.

Bảng tổng hợp các đặc trưng kỹ thuật và phân tích của hai sensor

Thông số / Đặc tính Sensor BDC Hệ cảm biến $[\text{CuBDC}]^{2+}$ Sensor RLED
Fluorophore nền tảng Dẫn xuất Coumarin Phức Coumarin - Đồng Dẫn xuất Rhodamine spirolactam
Đối tượng phân tích Cation $\text{Cu}^{2+}$ Các biothiol (Cys, Hcy, GSH) Cation $\text{Hg}^{2+}$
Loại cảm biến Chemosensor (thuận nghịch) Chemosensor thay thế ligand Chemodosimeter (bất thuận nghịch)
Cơ chế vận hành Chuyển electron PET (ON-OFF) Giải phóng ligand tự do (OFF-ON) Mở vòng spirolactam tạo rhodamine 575 (OFF-ON)
Phương pháp tính toán PBE0/6-311++G(d,p)/PCM($\text{H}_2\text{O}$) PBE0/6-311++G(d,p)/PCM($\text{H}_2\text{O}$) PBE0/6-311++G(d,p)/PCM($\text{H}_2\text{O}$)
Hệ dung môi đo Ethanol/HEPES (pH 7,4; 1/1, v/v) Ethanol/HEPES (pH 7,4; 1/1, v/v) Dung dịch đo quang phổ
Bước sóng kích thích/phát xạ $\lambda_{ex} = 460\text{ nm}$, $\lambda_{em} = 536\text{ nm}$ $\lambda_{ex} = 460\text{ nm}$, $\lambda_{em} = 536\text{ nm}$ $\lambda_{ex} = 530\text{ nm}$, $\lambda_{em} = 558\text{ nm}$
Tỷ lệ tạo phức 1:1 (theo Job's plot) Tách $\text{Cu}^{2+}$ tạo phức Cu-thiol Phản ứng mở vòng chuyển hóa
Giới hạn phát hiện (LOD) $4,0\text{ ppb}$ (với $\text{Cu}^{2+}$) $0,3\ \mu\text{M}$ (với Cysteine) $28,0\text{ ppb}$ (với $\text{Hg}^{2+}$)

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận và phương pháp

  1. Xây dựng và hoàn thiện quy trình thiết kế lý thuyết sensor huỳnh quang bằng hóa học tính toán, bao gồm:
    • Dự đoán đặc tính quang học (phổ UV-Vis, phổ huỳnh quang, các chuyển dịch trạng thái electron) của phân tử ở dạng tự do và dạng liên kết với đối tượng phân tích;
    • Dự đoán hằng số bền của phức chất giữa cation kim loại và ligand huỳnh quang;
    • Làm rõ cơ chế hoạt động quang lý ở mức độ orbital phân tử và topo mật độ electron QTAIM;
    • Dự đoán các thông số nhiệt động học năng lượng tự do Gibbs ($\Delta G$) cho các phản ứng trong quy trình tổng hợp sensor.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn

  1. Phát triển chemosensor BDC mới: Tổng hợp thành công chemosensor $(E)$-3-((2-(benzo[$d$]thiazol-2-yl)hydrazono)methyl)-7-(diethylamino)coumarin dựa trên dẫn xuất coumarin. Sensor phát hiện chọn lọc ion $\text{Cu}^{2+}$ dựa trên phản ứng tạo phức, hoạt động theo cơ chế PET kiểu bật - tắt huỳnh quang (ON-OFF) với giới hạn phát hiện $\text{LOD} = 4,0\text{ ppb}$.
  2. Phát triển hệ sensor huỳnh quang phát hiện biothiol: Ứng dụng thành công phức chất $[\text{CuBDC}]^{2+}$ để phát hiện các biothiol (Cys, Hcy, GSH) theo cơ chế chuyển đổi tắt - bật huỳnh quang (OFF-ON), đạt độ nhạy cao đối với cysteine ($\text{LOD} = 0,3\ \mu\text{M}$).
  3. Phát triển chemodosimeter RLED mới: Tổng hợp thành công sensor $N$-(rhodamine-6G)lactam-ethylenediamine-4-dimethylamino cinnamaldehyde từ dẫn xuất rhodamine spirolactam. Sensor phát hiện chọn lọc ion $\text{Hg}^{2+}$ theo cơ chế mở vòng spirolactam tạo thành sản phẩm phát huỳnh quang mạnh rhodamine 575 (OFF-ON) với giới hạn phát hiện $\text{LOD} = 28,0\text{ ppb}$.

Danh mục công trình khoa học đã công bố từ luận án

Các kết quả nghiên cứu trong luận án đã được công bố tại các tạp chí khoa học chuyên ngành:

  • Sensors, 2019, 19, tr. 128.
  • ACS Omega, 2020, 33, tr. 21241–21249.
  • RSC Advances, 2020, 10, tr. 36265–36274.
  • Vietnam Journal of Chemistry, 2019, 57, tr. 389–400.
  • Hue University Journal of Science: Natural Science, 2020, 129.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

  • Các khảo sát thực nghiệm của luận án tập trung chủ yếu vào các phép đo quang phổ trong môi trường dung dịch phân tích (in vitro) với hệ dung môi ethanol/HEPES và dung dịch mẫu chuẩn, chưa tiến hành thử nghiệm trực tiếp trên hệ tế bào sống (in vivo) bằng kính hiển vi chụp ảnh huỳnh quang như một số nghiên cứu mở rộng được nêu trong tổng quan tài liệu.

Định hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Tiếp tục áp dụng quy trình hóa tính toán để thiết kế và tổng hợp các sensor huỳnh quang mới nhằm mở rộng đối tượng phân tích sang các anion khác hoặc các phân tử khí sinh học ($\text{H}_2\text{S}$, $\text{SO}_2$).
  • Khảo sát khả năng ứng dụng của sensor BDC, $[\text{CuBDC}]^{2+}$ và RLED trên các đối tượng mẫu thực tế phức tạp hơn trong môi trường tự nhiên và dịch sinh học.

Giá trị tham khảo

Đối tượng thụ hưởng

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và nhà nghiên cứu thuộc các chuyên ngành Hóa lý thuyết và Hóa lý, Hóa học tính toán, Hóa hữu cơ, Hóa phân tích và Hóa sinh học.
  • Giảng viên đại học giảng dạy các học phần về Quang hóa học, Quang phổ học phân tử, Hóa học lượng tử tính toán và Phương pháp thiết kế vật liệu phân tử.
  • Kỹ thuật viên, chuyên viên phân tích tại các phòng thí nghiệm kiểm nghiệm môi trường và độc chất học kim loại nặng.

Các phần có giá trị tham khảo chuyên sâu

  • Quy trình kết hợp DFT/TDDFT với thực nghiệm: Phương pháp sử dụng phiếm hàm PBE0 cùng bộ hàm 6-311++G(d,p) và mô hình solvat hóa PCM để mô phỏng chính xác bước chuyển điện tử và phân tích mật độ lỗ trống - electron.
  • Ứng dụng lý thuyết QTAIM: Phương pháp định lượng liên kết phối trí kim loại - ligand thông qua các điểm tới hạn liên kết BCP.
  • Kỹ thuật chuẩn độ và xử lý số liệu: Quy trình xử lý phổ huỳnh quang để xác định các thông số phân tích gồm LOD, LOQ, Job's plot và hằng số bền phức chất bằng mô hình đường cong phi tuyến.

Câu hỏi thường gặp

1. Chemosensor BDC phát hiện ion $\text{Cu}^{2+}$ theo cơ chế quang vật lý nào và độ nhạy đạt mức nào?

Sensor BDC phát hiện $\text{Cu}^{2+}$ dựa trên phản ứng tạo phức phối trí 1:1 giữa ligand BDC và ion $\text{Cu}^{2+}$. Quá trình tạo phức kích hoạt cơ chế chuyển electron cảm ứng ánh sáng (PET) từ fluorophore sang orbital $d$ của ion đồng, làm dập tắt phát xạ huỳnh quang tại $536\text{ nm}$ (hoạt động theo kiểu ON-OFF). Giới hạn phát hiện của BDC đối với $\text{Cu}^{2+}$ đạt $\text{LOD} = 4,0\text{ ppb}$.

2. Nguyên lý hoạt động của hệ cảm biến $[\text{CuBDC}]^{2+}$ trong việc phát hiện các biothiol là gì?

Phức $[\text{CuBDC}]^{2+}$ ở trạng thái ban đầu bị dập tắt huỳnh quang (OFF). Khi có mặt các biothiol (Cys, Hcy, GSH), do ái lực tạo phức giữa $\text{Cu}^{2+}$ với nhóm thiol (-SH) của biothiol mạnh hơn so với liên kết giữa $\text{Cu}^{2+}$ và ligand BDC, ion đồng bị tách ra khỏi phức chất. Phân tử BDC tự do được giải phóng, phục hồi tín hiệu phát xạ huỳnh quang tại $536\text{ nm}$ (cơ chế OFF-ON). Giới hạn phát hiện đối với cysteine đạt $\text{LOD} = 0,3\ \mu\text{M}$.

3. Sensor RLED thuộc loại cảm biến nào và phản ứng với $\text{Hg}^{2+}$ diễn ra như thế nào?

RLED là một chemodosimeter (cảm biến phản ứng bất thuận nghịch) được phát triển từ dẫn xuất rhodamine spirolactam. Ở trạng thái tự do, RLED ở dạng đóng vòng spirolactam nên không có màu và không huỳnh quang. Khi tương tác với $\text{Hg}^{2+}$, ion thủy ngân xúc tác phản ứng mở vòng spirolactam tạo ra sản phẩm rhodamine 575 có màu hồng, hấp thụ tại $530\text{ nm}$ và phát xạ huỳnh quang mạnh tại $558\text{ nm}$ (OFF-ON). Giới hạn phát hiện đạt $\text{LOD} = 28,0\text{ ppb}$.

4. Các mức lý thuyết và mô hình solvat hóa nào được sử dụng trong phần tính toán hóa học lượng tử của luận án?

Luận án sử dụng lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) và phiếm hàm mật độ phụ thuộc thời gian (TDDFT) với phiếm hàm lai PBE0 kết hợp bộ hàm cơ sở 6-311++G(d,p) (hoặc 6-31+G(d,p)) và mô hình dung môi liên tục phân cực PCM($\text{H}_2\text{O}$). Ngoài ra, phương pháp topo QTAIM của Bader được dùng để xác định các điểm tới hạn (BCP, RCP), và các thế năng lõi hiệu dụng (ECP) như LANL2DZ, SDD được điểm lại cho việc tính toán kim loại nặng.

5. Khả năng chọn lọc của hai hệ sensor BDC và RLED được kiểm chứng với những ion kim loại nào?

Độ chọn lọc của BDC và RLED được kiểm nghiệm thực nghiệm đối chứng với nhiều cation kim loại cạnh tranh gồm: $\text{Na}^+$, $\text{K}^+$, $\text{Mg}^{2+}$, $\text{Ca}^{2+}$, $\text{Fe}^{2+}$, $\text{Fe}^{3+}$, $\text{Co}^{2+}$, $\text{Ni}^{2+}$, $\text{Zn}^{2+}$, $\text{Pb}^{2+}$, $\text{Cd}^{2+}$, $\text{Ag}^+$. Kết quả cho thấy tín hiệu huỳnh quang của BDC chỉ bị dập tắt chọn lọc bởi $\text{Cu}^{2+}$, và tín hiệu huỳnh quang của RLED chỉ được bật lên chọn lọc bởi $\text{Hg}^{2+}$.

Kết luận

Luận án đã thiết lập quy trình nghiên cứu tích hợp giữa hóa học tính toán (DFT, TDDFT, QTAIM) và thực nghiệm tổng hợp hữu cơ để phát triển các hệ sensor huỳnh quang mới. Bằng phương pháp luận này, tác giả đã thiết kế, tổng hợp và chứng minh thành công hoạt tính của chemosensor BDC (phát hiện chọn lọc $\text{Cu}^{2+}$ với $\text{LOD} = 4,0\text{ ppb}$ theo cơ chế PET; phát hiện cysteine với $\text{LOD} = 0,3\ \mu\text{M}$ qua phức $[\text{CuBDC}]^{2+}$) và chemodosimeter RLED (phát hiện chọn lọc $\text{Hg}^{2+}$ với $\text{LOD} = 28,0\text{ ppb}$ theo cơ chế mở vòng spirolactam tạo rhodamine 575). Các kết quả tính toán lý thuyết hoàn toàn tương thích với dữ liệu thực nghiệm quang phổ, khẳng định vai trò định hướng của hóa tính toán trong việc tối ưu hóa thời gian và hiệu quả nghiên cứu sensor huỳnh quang.