Nghiên cứu thăm dò hoạt tính sinh học phức chất nguyên tố đất hiếm với L-tryptophan và O-phenantrolin

• Tác giả: Vũ Thị Mai Hương
• Người hướng dẫn: PGS. Lê Hữu Thiềng
• Trường học: Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Hóa vô cơ
• Đề tài: Nghiên cứu hoạt tính sinh học của phức chất nguyên tố đất hiếm với L-tryptophan và O-phenantrolin
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Thái Nguyên

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 1.1. Sơ lược về các nguyên tố đất hiếm và các hợp chất của chúng
• 1.2. Đặc điểm cấu tạo và tính chất chung của các nguyên tố đất hiếm (NTĐH)
• 1.3. Một số hợp chất chính của nguyên tố đất hiếm
• 1.4. Sơ lược về các aminoaxit, L-tryptophan
• 1.4.1. Giới thiệu về aminoaxit
• 1.4.2. Giới thiệu về L-tryptophan
• 1.4.3. Sơ lược về o-phenantrolin
• 1.5. Khả năng tạo phức của các NTĐH
• 1.6. Hoạt tính sinh học của phức chất NTĐH
• 1.7. Một số phương pháp nghiên cứu phức chất rắn
• 1.7.1. Phương pháp phổ hấp thụ hồng ngoại
• 1.7.2. Phương pháp phân tích nhiệt
• 1.8. Giới thiệu về các chủng vi sinh vật kiểm định
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM, KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 2.1. Thiết bị và hoá chất
• 2.2. Chuẩn bị hóa chất
• 2.2.1. Dung dịch DTPA 10-3 M
• 2.2.2. Dung dịch asenazo (III) 0,1%
• 2.2.3. Dung dịch LnCl3 10-2 M (Ln: La, Nd, Sm, Gd)
• 2.3. Tổng hợp các phức chất đất hiếm
• 2.4. Nghiên cứu các phức chất
• 2.4.1. Xác định thành phần của các phức chất
• 2.4.2. Đo độ dẫn điện của các dung dịch phức chất
• 2.4.3. Nghiên cứu các phức chất bằng phương pháp phổ hấp thụ hồng ngoại
• 2.4.4. Nghiên cứu các phức chất bằng phương pháp phân tích nhiệt
• 2.5. Thăm dò tính kháng khuẩn, kháng nấm của một số phức tổng hợp được
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về nghiên cứu hoạt tính sinh học phức chất nguyên tố đất hiếm

Nghiên cứu hoạt tính sinh học của phức chất nguyên tố đất hiếm với L-tryptophan và O-phenantrolin đang thu hút sự chú ý trong lĩnh vực hóa học và sinh học. Các nguyên tố đất hiếm có khả năng tạo phức với nhiều phối tử, trong đó L-tryptophan và O-phenantrolin là hai hợp chất quan trọng. L-tryptophan là một aminoaxit thiết yếu, trong khi O-phenantrolin có hoạt tính sinh học cao. Việc nghiên cứu này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về tính chất hóa học mà còn mở ra hướng đi mới trong ứng dụng thực tiễn.

1.1. Định nghĩa và vai trò của nguyên tố đất hiếm

Nguyên tố đất hiếm là nhóm các nguyên tố hóa học có tính chất đặc biệt, thường được sử dụng trong công nghệ cao. Chúng có khả năng tạo phức với nhiều hợp chất hữu cơ và vô cơ, từ đó tạo ra các phức chất có hoạt tính sinh học cao.

1.2. Tầm quan trọng của L tryptophan và O phenantrolin

L-tryptophan là một aminoaxit thiết yếu, đóng vai trò quan trọng trong việc tổng hợp protein và các chất dẫn truyền thần kinh. O-phenantrolin, với khả năng kháng vi sinh vật, có thể được ứng dụng trong y học và nông nghiệp.

II. Thách thức trong nghiên cứu hoạt tính sinh học phức chất

Mặc dù có nhiều nghiên cứu về phức chất nguyên tố đất hiếm, nhưng vẫn còn nhiều thách thức trong việc xác định hoạt tính sinh học của chúng. Các yếu tố như cấu trúc phức chất, điều kiện môi trường và loại vi sinh vật kiểm định đều ảnh hưởng đến kết quả nghiên cứu. Việc tìm ra phương pháp nghiên cứu hiệu quả là rất cần thiết.

2.1. Khó khăn trong việc xác định cấu trúc phức chất

Cấu trúc của phức chất nguyên tố đất hiếm có thể thay đổi tùy thuộc vào điều kiện tổng hợp. Việc xác định chính xác cấu trúc này là một thách thức lớn trong nghiên cứu.

2.2. Ảnh hưởng của môi trường đến hoạt tính sinh học

Môi trường nghiên cứu, bao gồm pH, nhiệt độ và nồng độ ion, có thể ảnh hưởng đáng kể đến hoạt tính sinh học của phức chất. Cần có các thí nghiệm kiểm soát để đánh giá chính xác.

III. Phương pháp nghiên cứu phức chất nguyên tố đất hiếm

Để nghiên cứu hoạt tính sinh học của phức chất nguyên tố đất hiếm với L-tryptophan và O-phenantrolin, nhiều phương pháp đã được áp dụng. Các phương pháp này bao gồm phổ hấp thụ hồng ngoại, phân tích nhiệt và thăm dò tính kháng khuẩn. Mỗi phương pháp đều có ưu điểm và hạn chế riêng.

3.1. Phương pháp phổ hấp thụ hồng ngoại

Phương pháp này giúp xác định cấu trúc và tính chất hóa học của phức chất. Qua phổ IR, có thể nhận diện các nhóm chức và liên kết trong phân tử.

3.2. Phân tích nhiệt để đánh giá tính ổn định

Phân tích nhiệt cho phép đánh giá tính ổn định của phức chất dưới tác động của nhiệt độ. Điều này rất quan trọng để hiểu rõ hơn về khả năng ứng dụng của chúng.

IV. Kết quả nghiên cứu hoạt tính sinh học phức chất

Kết quả nghiên cứu cho thấy phức chất nguyên tố đất hiếm với L-tryptophan và O-phenantrolin có hoạt tính sinh học đáng kể. Các thí nghiệm cho thấy khả năng kháng khuẩn và kháng nấm của các phức chất này, mở ra hướng đi mới trong ứng dụng y học và nông nghiệp.

4.1. Khả năng kháng khuẩn của phức chất

Các phức chất cho thấy khả năng ức chế sự phát triển của nhiều loại vi sinh vật, điều này chứng tỏ tiềm năng ứng dụng trong y học.

4.2. Ứng dụng trong nông nghiệp

Phức chất có thể được sử dụng như một loại phân bón sinh học, giúp tăng cường sức đề kháng cho cây trồng trước các tác nhân gây hại.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu hoạt tính sinh học của phức chất nguyên tố đất hiếm với L-tryptophan và O-phenantrolin mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực hóa học và sinh học. Các kết quả đạt được không chỉ có giá trị khoa học mà còn có thể ứng dụng thực tiễn trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

5.1. Tương lai của nghiên cứu phức chất

Cần tiếp tục nghiên cứu để hiểu rõ hơn về cơ chế hoạt động của phức chất và mở rộng ứng dụng của chúng trong thực tiễn.

5.2. Hướng đi mới trong ứng dụng công nghệ

Việc phát triển các công nghệ mới để tổng hợp và ứng dụng phức chất sẽ là một trong những xu hướng chính trong nghiên cứu khoa học trong tương lai.

Tổng quan nghiên cứu

Nguyên tố đất hiếm (NTĐH) là nhóm khoáng sản đặc biệt với trữ lượng ước tính khoảng 22 triệu tấn tại Việt Nam, tập trung chủ yếu ở các vùng Tây Bắc như Nậm Xe, Đông Pao, Mường Hum và Yên Bái. Các NTĐH có cấu trúc nguyên tử đặc thù với nhiều obitan trống, cho phép tạo phức với các phối tử vô cơ và hữu cơ, trong đó aminoaxit và o-phenantrolin là những phối tử quan trọng. L-tryptophan, một aminoaxit thiết yếu có hoạt tính sinh học cao, cùng với o-phenantrolin, một bazơ dị vòng có khả năng kháng khuẩn, được lựa chọn làm phối tử để tổng hợp phức chất với các NTĐH như La, Nd, Sm, Gd.

Mục tiêu nghiên cứu là tổng hợp, khảo sát tính chất hóa học và thăm dò hoạt tính sinh học của các phức chất NTĐH với hỗn hợp phối tử L-tryptophan và o-phenantrolin. Nghiên cứu được thực hiện trong điều kiện phòng thí nghiệm tại Đại học Thái Nguyên, trong giai đoạn năm 2013-2014. Kết quả nghiên cứu không chỉ góp phần làm rõ cơ chế tạo phức và tính chất vật lý hóa học của các phức chất NTĐH mà còn mở ra hướng ứng dụng trong nông nghiệp và y học, đặc biệt trong việc phát triển các hợp chất có hoạt tính sinh học chọn lọc và ít độc hại.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết về cấu trúc nguyên tử và tính chất hóa học của NTĐH, đặc biệt là họ lantanit với số oxi hóa chủ yếu +3. Các nguyên tố này có khả năng tạo phức với số phối trí cao (7-12), chủ yếu qua liên kết ion với các phối tử hữu cơ như aminoaxit và o-phenantrolin. Lý thuyết hiệu ứng chelat và bản chất liên kết ion trong phức chất được áp dụng để giải thích sự ổn định của phức hỗn hợp.

Ba khái niệm chính được sử dụng gồm:

• Phức chất hỗn hợp: tạo thành từ ion kim loại và hai hoặc nhiều phối tử khác nhau.
• Hiệu ứng chelat: sự tăng ổn định của phức do tạo thành vòng chelat.
• Phương pháp phổ hấp thụ hồng ngoại (IR) và phân tích nhiệt (TG-DTA): dùng để xác định cấu trúc và độ bền nhiệt của phức chất.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu phức chất tổng hợp từ oxit NTĐH (La, Nd, Sm, Gd) với phối tử L-tryptophan và o-phenantrolin theo tỉ lệ mol 1:3:3. Phương pháp chọn mẫu là tổng hợp hóa học trong dung môi etanol, điều chỉnh pH 6,5-7,0, đun hồi lưu 6 giờ.

Phân tích thành phần nguyên tố (Ln, C, N, Cl) bằng máy phân tích đa nguyên tố và chuẩn độ complexon với DTPA. Đo độ dẫn điện mol để đánh giá khả năng phân li của phức chất. Phổ IR được ghi nhận trên máy Mangna IR 760 để xác định các nhóm chức tham gia phối trí. Phân tích nhiệt TG-DTA trên máy Labsys Evo cung cấp thông tin về độ bền nhiệt và thành phần nước kết tinh.

Thời gian nghiên cứu kéo dài khoảng 12 tháng, từ chuẩn bị hóa chất, tổng hợp phức chất đến phân tích và thăm dò hoạt tính sinh học trên các chủng vi sinh vật kiểm định.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Thành phần và công thức phức chất:
   Kết quả phân tích nguyên tố cho thấy hàm lượng thực nghiệm của La, Nd, Sm, Gd trong phức chất tương ứng lần lượt là 14,09%; 14,25%; 15,52%; 18,39%, gần với giá trị lý thuyết. Công thức phức chất được xác định là Ln(L-tryptophan)$_3$(Phen)Cl$_3$.3H$_2$O, trong đó mỗi phân tử L-tryptophan và o-phenantrolin chiếm hai vị trí phối trí.

2. Độ dẫn điện mol:
   Đo độ dẫn điện mol của dung dịch phức chất 10$^{-3}$ M cho giá trị xấp xỉ 386 $\Omega^{-1}$.cm$^2$.mol$^{-1}$, cho thấy các phức chất tan trong nước và phân li theo cùng kiểu, khẳng định tính chất ion của phức.

3. Phổ hấp thụ hồng ngoại (IR):
   Các dải hấp thụ đặc trưng của nhóm NH$_3^+$ (3084 cm$^{-1}$), COO$^-$ (1598 và 1415 cm$^{-1}$) của L-tryptophan và các dao động C=C, C=N của o-phenantrolin (1642 và 1584 cm$^{-1}$) đều dịch chuyển xuống tần số thấp hơn trong phức chất, chứng tỏ sự phối trí qua nguyên tử N của nhóm amin và nguyên tử O của nhóm cacboxyl, cũng như qua hai nguyên tử N của o-phenantrolin.

4. Phân tích nhiệt (TG-DTA):
   Các phức chất có độ bền nhiệt cao, mất nước kết tinh ở khoảng 90-115$^\circ$C (khoảng 3 phân tử nước), phân hủy cháy ở 320-340$^\circ$C và phân hủy hoàn toàn thành oxit đất hiếm ở trên 500$^\circ$C. Độ bền nhiệt tăng dần theo chiều giảm bán kính ion từ La đến Gd.

Thảo luận kết quả

Sự dịch chuyển các dải hấp thụ IR xuống tần số thấp hơn phản ánh sự giảm mật độ electron trên phối tử do tạo liên kết phối trí với ion Ln$^{3+}$. Điều này phù hợp với lý thuyết liên kết ion và hiệu ứng chelat, làm tăng độ bền phức. Độ dẫn điện mol cao chứng tỏ phức chất có khả năng phân li ion trong dung dịch, phù hợp với tính chất của các phức ion.

Phân tích nhiệt cho thấy phức chất có cấu trúc ổn định, có chứa nước kết tinh và phân hủy theo các giai đoạn rõ ràng, tương ứng với mất nước, cháy phối tử hữu cơ và tạo oxit. So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả tương đồng với các phức hỗn hợp NTĐH với aminoaxit và o-phenantrolin khác, khẳng định tính chất đặc trưng của nhóm phức hỗn hợp này.

Các kết quả này có thể được trình bày qua biểu đồ phổ IR so sánh phối tử tự do và phức chất, bảng thành phần nguyên tố và bảng giản đồ TG-DTA minh họa các giai đoạn phân hủy nhiệt.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Phát triển các phức chất NTĐH với phối tử aminoaxit và o-phenantrolin làm nguyên liệu cho phân bón sinh học nhằm tăng hiệu quả hấp thụ dinh dưỡng và kích thích sinh trưởng cây trồng, với mục tiêu tăng năng suất 10-20% trong vòng 3 năm, do các viện nghiên cứu nông nghiệp chủ trì.

2. Nghiên cứu mở rộng hoạt tính sinh học của phức chất trên các chủng vi sinh vật gây bệnh để phát triển thuốc kháng khuẩn, kháng nấm có độ chọn lọc cao, giảm độc tính, tiến hành thử nghiệm trong 2 năm tại các trung tâm y sinh.

3. Ứng dụng phổ IR và phân tích nhiệt làm công cụ chuẩn hóa chất lượng phức chất trong sản xuất công nghiệp, đảm bảo tính ổn định và hiệu quả sản phẩm, triển khai trong 1 năm tại các phòng thí nghiệm kiểm định.

4. Khảo sát tác động môi trường và độ an toàn sinh học của phức chất NTĐH trong nông nghiệp và y học, nhằm đảm bảo không gây tích lũy độc hại, thực hiện trong 3 năm với sự phối hợp của các cơ quan quản lý môi trường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu hóa vô cơ và hóa học vật liệu: có thể ứng dụng phương pháp tổng hợp và phân tích phức chất hỗn hợp NTĐH với phối tử hữu cơ, mở rộng nghiên cứu về cấu trúc và tính chất vật lý hóa học.

2. Chuyên gia phát triển phân bón sinh học và nông học: sử dụng kết quả để phát triển các sản phẩm phân bón mới, tăng hiệu quả sử dụng nguyên tố đất hiếm trong cải tạo đất và kích thích sinh trưởng cây trồng.

3. Nhà khoa học y sinh và dược học: khai thác hoạt tính sinh học kháng khuẩn, kháng nấm của phức chất NTĐH để nghiên cứu thuốc mới có độ chọn lọc cao, ít độc hại.

4. Cơ quan quản lý môi trường và an toàn thực phẩm: tham khảo để đánh giá tác động môi trường và an toàn sinh học của các hợp chất NTĐH trong ứng dụng thực tế, đảm bảo phát triển bền vững.

Câu hỏi thường gặp

1. Phức chất NTĐH với L-tryptophan và o-phenantrolin có đặc điểm gì nổi bật?
   Phức chất có cấu trúc ổn định với số phối trí cao, tạo liên kết ion chủ yếu qua nhóm amin và cacboxyl của L-tryptophan và nguyên tử nitơ của o-phenantrolin, có khả năng phân li ion trong dung dịch và độ bền nhiệt cao.

2. Phương pháp nào được sử dụng để xác định cấu trúc phức chất?
   Phổ hấp thụ hồng ngoại (IR) giúp xác định nhóm chức tham gia phối trí, phân tích nhiệt TG-DTA cung cấp thông tin về độ bền nhiệt và thành phần nước kết tinh, kết hợp phân tích nguyên tố xác định thành phần hóa học.

3. Hoạt tính sinh học của phức chất NTĐH được đánh giá như thế nào?
   Phức chất có khả năng kháng khuẩn và kháng nấm trên một số chủng vi sinh vật kiểm định, tuy nhiên hoạt tính thường kém hơn so với phối tử o-phenantrolin đơn lẻ, mở ra hướng nghiên cứu cải tiến.

4. Tại sao chọn L-tryptophan và o-phenantrolin làm phối tử?
   L-tryptophan là aminoaxit thiết yếu có hoạt tính sinh học, còn o-phenantrolin là bazơ dị vòng có khả năng tạo phức bền và kháng khuẩn, sự kết hợp tạo phức hỗn hợp có tính chất đa dạng và ứng dụng tiềm năng.

5. Ứng dụng thực tiễn của các phức chất này là gì?
   Có thể ứng dụng trong sản xuất phân bón sinh học tăng năng suất cây trồng, phát triển thuốc kháng khuẩn, vật liệu phát quang trong nông nghiệp và y học, đồng thời góp phần khai thác hiệu quả tài nguyên đất hiếm trong nước.

Kết luận

• Đã tổng hợp thành công phức chất hỗn hợp của các NTĐH (La, Nd, Sm, Gd) với L-tryptophan và o-phenantrolin, xác định công thức là Ln(Trp)$_3$(Phen)Cl$_3$.3H$_2$O.
• Phân tích phổ IR và phân tích nhiệt cho thấy phức chất có cấu trúc ổn định, liên kết phối trí qua nhóm amin, cacboxyl và nguyên tử nitơ của phối tử.
• Độ dẫn điện mol cao chứng tỏ phức chất có khả năng phân li ion trong dung dịch, phù hợp với tính chất ion của NTĐH.
• Phức chất có hoạt tính sinh học kháng khuẩn, mở ra hướng ứng dụng trong nông nghiệp và y học.
• Đề xuất nghiên cứu tiếp tục mở rộng hoạt tính sinh học, ứng dụng phân bón sinh học và đánh giá tác động môi trường trong 3-5 năm tới.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp hợp tác phát triển sản phẩm dựa trên phức chất NTĐH, đồng thời triển khai các nghiên cứu ứng dụng và đánh giá an toàn sinh học.