Tổng quan nghiên cứu

Nguyên tố đất hiếm (NTĐH) là nhóm gồm 17 nguyên tố hóa học, trong đó họ lantanit chiếm phần lớn với 14 nguyên tố từ Ce đến Lu. Các NTĐH có tính chất hóa học tương đồng do cấu hình electron lớp 4f đặc trưng, với mức oxi hóa chủ yếu là +3. Bán kính ion của các nguyên tố này giảm dần từ La3+ đến Lu3+ do hiệu ứng co lantanit, ảnh hưởng đến tính chất hóa học và khả năng tạo phức của chúng. Phức chất của NTĐH với các phối tử hữu cơ, đặc biệt là axit cacboxylic, có tính bền cao và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như vật liệu siêu dẫn, cảm biến phát quang, công nghệ sinh học và y dược.

Axit 3,4-dihydroxyxinamic (axit caffeic) là một axit hydroxyxinamic có trong nhiều loại thực vật, có khả năng tạo phức tốt với ion kim loại nhờ nhóm cacboxyl linh động và nhóm phenolic. Tuy nhiên, nghiên cứu về phức chất của NTĐH với axit caffeic còn rất hạn chế, đặc biệt là ở Việt Nam. Luận văn này nhằm tổng hợp và nghiên cứu tính chất phức chất 3,4-dihydroxyxinamat của một số nguyên tố đất hiếm nặng (Tb, Dy, Er, Yb), đánh giá cấu trúc, tính bền nhiệt, thành phần pha hơi và hoạt tính sinh học của các phức chất này.

Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2018-2019 tại Đại học Thái Nguyên, với mục tiêu cụ thể là tổng hợp phức chất, phân tích cấu trúc bằng phổ hồng ngoại, phân tích nhiệt, phổ khối lượng và đánh giá hoạt tính ức chế tế bào ung thư trên hai dòng tế bào A549 và Hela. Kết quả nghiên cứu góp phần mở rộng hiểu biết về hóa học phức chất NTĐH với axit caffeic, đồng thời cung cấp cơ sở khoa học cho ứng dụng trong y sinh và vật liệu chức năng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Hóa học phức chất của nguyên tố đất hiếm: NTĐH có khả năng tạo phức cao với các phối tử đa chức, đặc biệt là các axit cacboxylic do liên kết ion mạnh và số phối trí cao (6-12). Hiệu ứng co lantanit ảnh hưởng đến hằng số bền và cấu trúc phức chất.
  • Tính chất axit 3,4-dihydroxyxinamic (axit caffeic): Axit này có nhóm phenolic và nhóm cacboxyl, tạo phức vòng càng bền vững với ion kim loại qua liên kết phối trí với nguyên tử oxi nhóm -COO-. Tính chất sinh học như chống oxy hóa, chống viêm và ức chế tế bào ung thư được chú trọng.
  • Phương pháp phân tích phổ hồng ngoại (IR): Xác định vị trí phối trí của phối tử trong phức chất qua sự dịch chuyển các dải hấp thụ đặc trưng của nhóm -COO- và -OH.
  • Phân tích nhiệt (TGA-DTA): Đánh giá độ bền nhiệt, xác định quá trình mất nước kết tinh và phân hủy phức chất.
  • Phổ khối lượng (MS): Xác định khối lượng phân tử, thành phần pha hơi và các mảnh ion đặc trưng của phức chất.
  • Phương pháp thử hoạt tính sinh học (cytotoxic assay): Đánh giá khả năng ức chế tế bào ung thư bằng phương pháp nhuộm Sulforhodamine B (SRB) trên tế bào nuôi cấy in vitro.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ các mẫu phức chất tổng hợp trong phòng thí nghiệm, sử dụng các thiết bị phân tích hiện đại tại Viện Hóa học và Viện Công nghệ Sinh học - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
  • Tổng hợp phức chất: Phức chất 3,4-dihydroxyxinamat của Tb(III), Dy(III), Er(III), Yb(III) được tổng hợp bằng cách hòa tan axit caffeic trong cồn tuyệt đối, thêm dung dịch muối LnCl3 theo tỉ lệ mol 3:1, khuấy ở nhiệt độ phòng, điều chỉnh pH 4-5, thu tinh thể phức sau 3 giờ, hiệu suất 80-85%.
  • Phân tích hàm lượng ion đất hiếm: Chuẩn độ EDTA với chất chỉ thị Asenazo III ở pH ≈ 5, xác định phần trăm ion Ln3+ trong phức chất.
  • Phân tích phổ hồng ngoại: Ghi phổ trong vùng 400-4000 cm-1, so sánh phổ phối tử tự do và phức chất để xác định vị trí phối trí.
  • Phân tích nhiệt: Ghi giản đồ TGA-DTA từ nhiệt độ phòng đến 800°C với tốc độ 10°C/phút trong môi trường không khí.
  • Phổ khối lượng: Ghi phổ trên máy UPLC Xevo TQMS, mẫu hòa tan trong metanol nóng, xác định ion phân tử và các mảnh ion đặc trưng.
  • Đánh giá hoạt tính sinh học: Thử độc tế bào ung thư trên dòng A549 (ung thư phổi) và Hela (ung thư tử cung) bằng phương pháp SRB, đo mật độ quang học (OD) sau 48 giờ xử lý với các nồng độ mẫu 0,8 - 100 µg/ml, xác định IC50.

Cỡ mẫu nghiên cứu gồm 4 phức chất tương ứng với 4 nguyên tố đất hiếm nặng, mỗi phức chất được phân tích lặp lại ít nhất 3 lần để đảm bảo độ chính xác. Phương pháp chọn mẫu là tổng hợp có kiểm soát trong phòng thí nghiệm nhằm đảm bảo tính đồng nhất và tái lập.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hàm lượng ion đất hiếm trong phức chất: Kết quả phân tích cho thấy hàm lượng ion Ln3+ thực nghiệm trong các phức chất Na[Tb(Caf)4].3H2O, Na[Dy(Caf)4].3H2O, Na[Er(Caf)4].3H2O, Na[Yb(Caf)4].3H2O tương ứng là 17,2%; 8,24%; 6,43%; 6,88%, gần với giá trị lý thuyết, chứng tỏ công thức phức chất giả thiết phù hợp.

  2. Phổ hấp thụ hồng ngoại: Các phức chất có dải hấp thụ mạnh ở vùng 1546-1595 cm-1 (ν_as COO-) và 1490-1494 cm-1 (ν_s COO-), dịch chuyển so với phối tử tự do (1645 cm-1), cho thấy nhóm -COOH đã phối trí với ion Ln3+ qua nguyên tử oxi. Dải hấp thụ ở vùng 574-582 cm-1 đặc trưng cho liên kết Ln-O. Dải ở 3041-3444 cm-1 chỉ sự có mặt của nước kết tinh trong phức.

  3. Phân tích nhiệt: Giản đồ TGA-DTA cho thấy các phức chất mất nước kết tinh ở khoảng 83-86°C với khối lượng giảm ~5-8%. Quá trình phân hủy chính xảy ra trong khoảng 288-644°C với các hiệu ứng tỏa nhiệt, tạo sản phẩm cuối cùng là oxit hỗn hợp NaLnO2. Độ bền nhiệt của các phức chất tương tự nhau, phù hợp với cấu trúc và thành phần.

  4. Phổ khối lượng: Các phức chất tồn tại chủ yếu ở trạng thái monome với ion phân tử [Ln(Caf)4]^- có m/z lần lượt là 875 (Tb), 878,5 (Dy), 883 (Er), 889 (Yb). Ngoài ra còn có các mảnh ion đặc trưng m/z ~695-709 và 179, phản ánh quá trình phân mảnh đặc trưng của phức chất.

  5. Hoạt tính ức chế tế bào ung thư: Phức chất [Dy(Caf)4]^- và [Er(Caf)4]^- có khả năng ức chế tế bào A549 và Hela với IC50 lần lượt khoảng 30-80 µg/ml, trong khi phức chất [Tb(Caf)4]^- và [Yb(Caf)4]^- có hoạt tính yếu hơn (IC50 > 100 µg/ml). Phối tử axit caffeic có hoạt tính ức chế mạnh hơn các phức chất, trong khi chất đối chứng Ellipticine có IC50 ~0,3-0,4 µg/ml.

Thảo luận kết quả

Sự dịch chuyển các dải hấp thụ trong phổ IR chứng tỏ sự phối trí của nhóm cacboxylat với ion Ln3+ qua nguyên tử oxi, tạo phức vòng càng bền vững. Hiện tượng mất nước kết tinh và phân hủy nhiệt theo các giai đoạn rõ ràng phản ánh cấu trúc tinh thể chứa nước và tính bền nhiệt của phức chất. Phổ khối lượng xác nhận tính ổn định của phức chất trong pha hơi, phù hợp với các nghiên cứu trước về phức chất NTĐH với axit cacboxylic.

Hoạt tính ức chế tế bào ung thư của các phức chất thấp hơn so với phối tử tự do và chất đối chứng Ellipticine, có thể do sự thay đổi sinh khả dụng hoặc tương tác trong phức chất làm giảm tác dụng sinh học. Tuy nhiên, phức chất vẫn thể hiện khả năng ức chế đáng kể trên hai dòng tế bào, mở ra tiềm năng ứng dụng trong phát triển thuốc chống ung thư dựa trên phức chất NTĐH.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ cột so sánh phần trăm ức chế tế bào ở các nồng độ khác nhau và bảng tổng hợp các giá trị IC50 để minh họa hiệu quả sinh học của từng mẫu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Nâng cao hiệu suất tổng hợp phức chất: Tối ưu hóa điều kiện phản ứng như pH, nhiệt độ, thời gian khuấy để tăng hiệu suất tổng hợp lên trên 90% trong vòng 6 tháng, do nhóm nghiên cứu hóa vô cơ thực hiện.

  2. Mở rộng nghiên cứu tính chất sinh học: Thực hiện các thử nghiệm in vivo và đánh giá độc tính trên mô hình động vật trong 12 tháng để xác định tiềm năng ứng dụng dược phẩm, phối hợp với các phòng thí nghiệm sinh học.

  3. Phát triển vật liệu cảm biến dựa trên phức chất NTĐH: Khai thác tính phát quang và ổn định nhiệt của phức chất để chế tạo cảm biến phát hiện các chất hữu cơ trong môi trường, tiến hành nghiên cứu trong 18 tháng, do nhóm công nghệ vật liệu đảm nhiệm.

  4. Nghiên cứu cơ chế tương tác sinh học: Sử dụng kỹ thuật phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) và mô phỏng phân tử để làm rõ cơ chế ức chế tế bào ung thư của phức chất, dự kiến thực hiện trong 1 năm, phối hợp với các chuyên gia hóa sinh.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu hóa học vô cơ và hóa học phức chất: Có thể ứng dụng kết quả để phát triển các phức chất mới với tính chất vật liệu và sinh học đa dạng.

  2. Chuyên gia công nghệ sinh học và dược học: Tham khảo để phát triển thuốc chống ung thư dựa trên phức chất NTĐH với phối tử hữu cơ có hoạt tính sinh học.

  3. Kỹ sư vật liệu và cảm biến: Sử dụng dữ liệu về tính bền nhiệt và cấu trúc phức chất để thiết kế vật liệu phát quang và cảm biến môi trường.

  4. Sinh viên và học viên cao học ngành hóa học, công nghệ sinh học: Là tài liệu tham khảo quý giá về phương pháp tổng hợp, phân tích và đánh giá hoạt tính sinh học của phức chất kim loại.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phức chất 3,4-dihydroxyxinamat của NTĐH có đặc điểm gì nổi bật?
    Phức chất này có cấu trúc vòng càng bền vững nhờ liên kết phối trí giữa ion Ln3+ và nhóm cacboxylat của axit caffeic, thể hiện tính bền nhiệt cao và khả năng tồn tại ổn định trong pha hơi.

  2. Phương pháp nào được sử dụng để xác định cấu trúc phức chất?
    Phổ hấp thụ hồng ngoại (IR) xác định vị trí phối trí, phân tích nhiệt (TGA-DTA) đánh giá độ bền nhiệt, phổ khối lượng (MS) xác định khối lượng phân tử và thành phần pha hơi.

  3. Hoạt tính ức chế tế bào ung thư của phức chất so với phối tử tự do như thế nào?
    Phức chất có hoạt tính ức chế tế bào ung thư thấp hơn phối tử axit caffeic tự do, nhưng vẫn có khả năng ức chế đáng kể trên các dòng tế bào A549 và Hela với IC50 khoảng 30-80 µg/ml.

  4. Tại sao các phức chất NTĐH có số phối trí cao và thay đổi?
    Do bán kính ion lớn và liên kết ion không định hướng, các phối tử đa chức chỉ lấp đầy một phần cầu phối trí, phần còn lại có thể bị chiếm bởi phân tử dung môi hoặc phối tử khác, tạo nên số phối trí đa dạng từ 6 đến 12.

  5. Ứng dụng tiềm năng của các phức chất này là gì?
    Ngoài ứng dụng trong y dược như thuốc chống ung thư, các phức chất còn có thể được phát triển thành vật liệu phát quang, cảm biến môi trường và vật liệu chức năng nhờ tính chất quang học và bền nhiệt.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công phức chất 3,4-dihydroxyxinamat của Tb(III), Dy(III), Er(III), Yb(III) với hiệu suất 80-85%.
  • Phân tích phổ IR, TGA-DTA và MS xác nhận cấu trúc vòng càng, tính bền nhiệt và thành phần pha hơi ổn định của phức chất.
  • Phức chất thể hiện khả năng ức chế tế bào ung thư A549 và Hela với IC50 trong khoảng 30-80 µg/ml, mở ra hướng nghiên cứu dược phẩm mới.
  • Đề xuất nghiên cứu mở rộng về cơ chế sinh học, ứng dụng vật liệu và tối ưu hóa tổng hợp trong các giai đoạn tiếp theo.
  • Kêu gọi các nhà khoa học và doanh nghiệp hợp tác phát triển ứng dụng phức chất NTĐH trong y sinh và công nghệ vật liệu.