Tổng Hợp Copolyme Phát Quang ATRP: Cảm Biến Xyanua & Thuốc Bảo Vệ Thực Vật

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

LỜI CẢM ƠN

LỜI CAM ĐOAN

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH

DANH MỤC BẢNG

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU

1.1. Giới thiệu về xyanua

1.2. Nguồn gốc phát sinh

1.2.1. a) Nguồn gốc tự nhiên

1.2.2. b) Từ hoạt động của con người

1.3. Ảnh hưởng của xyanua lên sức khỏe con người

1.4. Quá trình trùng hợp gốc tự do chuyển đổi nguyên tử (ATRP)

1.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình ATRP

1.5.1. b) Chất khơi mào

1.6. Ưu và nhược điểm của quá trình ATRP

1.6.1. b) Nhược điểm

1.7. Hiệu ứng trao đổi điện tích nội phân tử (ICT)

1.7.1. Nghiên cứu cơ bản của sự trao đổi điện tích

1.7.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình ICT

1.7.2.1. a) Độ phân cực, độ nhớt của dung môi và nhiệt độ

1.7.2.2. b) Liên kết hydro

1.8. Cơ chế nhận biết xyanua nhờ vào hiệu ứng trao đổi điện tích nội phân tử (ICT)

1.9. Tình hình nghiên cứu

1.9.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới

1.9.2. Tình hình nghiên cứu trong nước

1.10. Cơ sở hình thành đề tài

1.11. Mục tiêu và nội dung của đề tài

1.11.1. Mục tiêu của đề tài

1.11.2. Nội dung của đề tài

2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM

2.1. Kỹ thuật phân tích

2.2. Phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR)

2.3. Phổ hồng ngoại chuyển đổi (FT-IR)

2.4. Phổ sắc ký thẩm thấu gel (GPC)

2.5. Phổ hấp thu tử ngoại khả kiến (UV-Vis)

2.6. Phổ quang phát quang (PL)

2.7. Tổng hợp PBI làm vật liệu cảm biến nhanh CN−

2.8. Tổng hợp 3-perylene carbaldehyde (3-PA)

2.9. Tổng hợp 4-FPMA-EMBI làm vật liệu cảm biến nhanh CN−

2.10. Tổng hợp 4-formylphenyl methacrylate (4-FPMA)

2.11. Tổng hợp copolyme EBiB-b-P(DMAEMA-r-4-FPMA-EMBI) làm vật liệu cảm biến nhanh CN−

2.12. Tổng hợp EBiB-b-P(DMAEMA-r-4-FPMA)

2.13. Tổng hợp EBiB-b-P(DMAEMA-r-4-FPMA-EMBI)

3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

3.1. Kết quả tổng hợp và đặc trưng cấu trúc

3.2. Kết quả tổng hợp

3.3. Kết quả 1H NMR

3.4. Kết quả tổng hợp

3.5. Kết quả 1H NMR

3.6. Tổng hợp EBiB-b-P(DMAEMA-r-4-FPMA-EMBI)

3.7. Kết quả tổng hợp

3.8. Kết quả 1H NMR

3.9. Kết quả GPC

3.10. Kết quả FT-IR

3.11. Kết quả phân tích và đánh giá các tính chất quang

3.12. Kết quả đánh giá khả năng nhận biết xyanua

3.12.1. Kết quả phổ hấp thu tử ngoại khả kiến (UV-Vis)

3.12.2. Kết quả phổ phát quang (PL)

3.13. Kết quả đánh giá giới hạn phát hiện xyanua

3.13.1. Giới hạn phát hiện của PBI

3.13.2. Giới hạn phát hiện của 4-FPMA-EMBI

3.14. Kết quả đánh giá khả năng chọn lọc của cảm biến đối với CN− so với các anion khác

3.14.1. Khả năng chọn lọc của PBI

3.14.2. Khả năng chọn lọc của 4-FPMA-EMBI

3.14.3. Khả năng chọn lọc của EBiB-b-P(DMAEMA-r-4-FPMA-EMBI)

3.15. Kết quả đánh giá khả năng phát hiện nhanh xyanua của cảm biến

3.15.1. Que thử PBI

3.15.2. Que thử 4-FPMA-EMBI

3.15.3. Que thử EBiB-b-P(DMAEMA-r-4-FPMA-EMBI)

4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC

TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Copolyme Hoạt Quang ATRP Cảm Biến

Nghiên cứu tập trung vào tổng hợp copolyme chứa nhóm hoạt quang thông qua phản ứng trùng hợp gốc tự do chuyển đổi nguyên tử ATRP. Mục tiêu là ứng dụng trong cảm biến xyanua và thuốc bảo vệ thực vật. Xyanua là chất độc nguy hiểm, việc phát hiện nhanh chóng là yếu tố then chốt. Các cảm biến hiện tại còn nhiều hạn chế như cần đèn UV hỗ trợ hoặc chỉ hoạt động trong môi trường hữu cơ, gây khó khăn cho việc ứng dụng thực tế. Đề tài này hướng đến giải quyết các vấn đề trên, mở ra hướng đi mới cho việc phát triển vật liệu cảm biến xyanua hiệu quả, tiện lợi và độ nhạy cao. Cần thiết phải nghiên cứu sâu về cơ chế phản ứng ATRP và tính chất quang học của copolyme để tối ưu hiệu quả cảm biến.

1.1. Giới Thiệu Copolyme Hoạt Quang và Ứng Dụng

Copolyme hoạt quang là vật liệu polyme có khả năng phát huỳnh quang hoặc phát quang hóa học khi tiếp xúc với các tác nhân bên ngoài. Ứng dụng của copolyme hoạt quang rất đa dạng, bao gồm cảm biến, hình ảnh y sinh, và các thiết bị quang điện tử. Việc tích hợp nhóm hoạt quang vào cấu trúc copolyme mở ra khả năng tùy chỉnh tính chất quang học và hóa học của vật liệu.

1.2. Phản Ứng Trùng Hợp Gốc Tự Do Chuyển Đổi Nguyên Tử ATRP

Phản ứng ATRP là một phương pháp trùng hợp gốc tự do có kiểm soát, cho phép tạo ra các polyme với cấu trúc và khối lượng phân tử xác định. Ưu điểm của ATRP bao gồm khả năng trùng hợp nhiều loại monome, điều kiện phản ứng ôn hòa, và khả năng tạo ra các polyme có chức năng hóa cao.

II. Thách Thức Phát Hiện Xyanua Thuốc Bảo Vệ Thực Vật

Xyanua gây độc cho cơ thể người bằng cách ức chế enzyme cytochrome oxidase, ngăn chặn quá trình hô hấp tế bào. Các thuốc bảo vệ thực vật tồn dư trong thực phẩm và môi trường gây ra nhiều vấn đề sức khỏe nghiêm trọng. Do đó, nhu cầu về các phương pháp phát hiện nhanh chóng, chính xác và hiệu quả là vô cùng cấp thiết. Các phương pháp hiện tại thường đòi hỏi thiết bị phức tạp và quy trình phân tích tốn thời gian, điều này hạn chế khả năng ứng dụng rộng rãi trong thực tế. Hướng nghiên cứu tập trung vào việc phát triển vật liệu cảm biến đơn giản, dễ sử dụng và có khả năng hoạt động trong điều kiện môi trường khác nhau.

2.1. Độc Tính Của Xyanua và Ảnh Hưởng Đến Sức Khỏe

Xyanua là một chất độc cực mạnh, có thể gây tử vong nhanh chóng. Nó can thiệp vào quá trình hô hấp tế bào, ngăn chặn cơ thể sử dụng oxy. Ngộ độc xyanua có thể xảy ra qua đường tiêu hóa, hô hấp hoặc tiếp xúc qua da. Các triệu chứng ngộ độc bao gồm khó thở, co giật và mất ý thức.

2.2. Tác Hại Của Thuốc Bảo Vệ Thực Vật và Vấn Đề An Toàn Thực Phẩm

Thuốc bảo vệ thực vật giúp bảo vệ mùa màng khỏi sâu bệnh, nhưng việc sử dụng không đúng cách có thể gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Tồn dư thuốc bảo vệ thực vật trong thực phẩm có thể gây ra các vấn đề sức khỏe như rối loạn thần kinh, ung thư và các bệnh mãn tính khác.

III. Phương Pháp Tổng Hợp Copolyme Bằng ATRP Định Hướng

Nghiên cứu sử dụng phản ứng ATRP định hướng để tổng hợp copolyme chứa nhóm hoạt quang. Quá trình này cho phép kiểm soát cấu trúc và tính chất quang học của copolyme. Các monome PBI và 4-FPMA-EMBI được tổng hợp và đánh giá. Copolyme EBiB-b-P(DMAEMA-r-4-FPMA-EMBI) được phát triển dựa trên 4-FPMA thông qua phản ứng ATRP. Cơ chế phản ứng ATRP đóng vai trò quan trọng trong việc xác định cấu trúc cuối cùng của copolyme. Các phương pháp phân tích như FT-IR, 1H NMR và GPC được sử dụng để xác định cấu trúc và tính chất của vật liệu.

3.1. Quy Trình Tổng Hợp Monome PBI và 4 FPMA EMBI

PBI được tổng hợp từ nguyên liệu perylene. 4-FPMA-EMBI được tổng hợp từ 4-hydroxybenzaldehyde và 3-ethyl-2-methylbenzothiazolium iodide. Quá trình tổng hợp bao gồm nhiều bước phản ứng, đòi hỏi điều kiện nghiêm ngặt để đạt được hiệu suất cao và độ tinh khiết cao.

3.2. Tổng Hợp Copolyme EBiB b P DMAEMA r 4 FPMA EMBI Bằng ATRP

Copolyme EBiB-b-P(DMAEMA-r-4-FPMA-EMBI) được tổng hợp thông qua phản ứng ATRP sử dụng EBiB làm chất khơi mào. Tỷ lệ các monome DMAEMA và 4-FPMA-EMBI được điều chỉnh để đạt được tính chất mong muốn. Quá trình trùng hợp được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo khối lượng phân tử và độ phân tán của polyme.

3.3. Các Kỹ Thuật Phân Tích Cấu Trúc và Tính Chất

FT-IR, 1H NMR và GPC là các kỹ thuật phân tích quan trọng để xác định cấu trúc và tính chất của monome và copolyme. FT-IR cung cấp thông tin về các nhóm chức có trong vật liệu. 1H NMR cung cấp thông tin về cấu trúc hóa học và sự phân bố của các monome trong copolyme. GPC cung cấp thông tin về khối lượng phân tử và độ phân tán của polyme.

IV. Ứng Dụng Cảm Biến Xyanua Copolyme Hoạt Quang ATRP

Copolyme hoạt quang sau khi tổng hợp được ứng dụng làm vật liệu cảm biến xyanua. Cảm biến có khả năng hoạt động trong môi trường nước và không cần đèn UV để quan sát. Độ nhạy của cảm biến xyanua được đánh giá bằng phương pháp phổ UV-Vis và phổ PL. Độ chọn lọc của cảm biến đối với xyanua so với các anion khác cũng được khảo sát. Kết quả cho thấy copolyme có tiềm năng ứng dụng cao trong việc phát triển các cảm biến xyanua đơn giản, hiệu quả và độ ổn định cao.

4.1. Khảo Sát Khả Năng Nhận Biết Xyanua Bằng Phổ UV Vis và PL

Phổ UV-Vis và PL được sử dụng để theo dõi sự thay đổi quang học của vật liệu khi tiếp xúc với xyanua. Sự thay đổi về cường độ hấp thụ và phát xạ cho phép định lượng nồng độ xyanua. Cơ chế nhận biết xyanua dựa trên hiệu ứng trao đổi điện tích nội phân tử ICT.

4.2. Đánh Giá Độ Chọn Lọc Của Cảm Biến Đối Với Xyanua

Độ chọn lọc của cảm biến được đánh giá bằng cách khảo sát phản ứng của vật liệu với các anion khác. Cảm biến có độ chọn lọc cao đối với xyanua khi nó chỉ phản ứng mạnh với xyanua và ít phản ứng với các anion khác.

4.3. Phát Triển Que Thử Nhanh Xyanua Dựa Trên Copolyme

Copolyme được sử dụng để phát triển que thử nhanh xyanua. Que thử có thể được sử dụng để phát hiện xyanua trong các mẫu thực tế. Ưu điểm của que thử bao gồm tính đơn giản, dễ sử dụng và khả năng phát hiện nhanh chóng.

V. Kết Luận và Hướng Phát Triển Cảm Biến Trong Tương Lai

Nghiên cứu đã thành công trong việc tổng hợp copolyme chứa nhóm hoạt quang bằng phản ứng ATRP định hướng. Copolyme có khả năng ứng dụng làm cảm biến xyanua với nhiều ưu điểm vượt trội so với các phương pháp hiện tại. Hướng phát triển trong tương lai bao gồm tối ưu hóa cấu trúc copolyme, nâng cao độ nhạy và độ ổn định của cảm biến, cũng như mở rộng phạm vi ứng dụng sang phát hiện thuốc bảo vệ thực vật và các chất ô nhiễm khác. Cần tập trung nghiên cứu sâu hơn về vật liệu cảm biến mới và cải tiến giới hạn phát hiện của cảm biến.

5.1. Tóm Tắt Kết Quả Nghiên Cứu và Đóng Góp

Nghiên cứu đã tổng hợp thành công các monome và copolyme có khả năng nhận biết xyanua. Các vật liệu này có độ nhạy và độ chọn lọc tốt đối với xyanua. Nghiên cứu đã phát triển một que thử nhanh xyanua đơn giản và dễ sử dụng.

5.2. Hướng Nghiên Cứu và Phát Triển Trong Tương Lai

Hướng nghiên cứu trong tương lai bao gồm tối ưu hóa cấu trúc copolyme, nâng cao độ nhạy và độ ổn định của cảm biến, cũng như mở rộng phạm vi ứng dụng sang phát hiện thuốc bảo vệ thực vật và các chất ô nhiễm khác. Cần tập trung nghiên cứu sâu hơn về vật liệu cảm biến mới và cải tiến giới hạn phát hiện của cảm biến.

Nghiên Cứu Tổng Hợp Copolyme Chứa Nhóm Hoạt Quang Bằng Phản Ứng Trùng Hợp Gốc Tự Do Chuyển Đổi Nguyên Tử (ATRP) Định Hướng Trong Cảm Biến Xyanua và Thuốc Bảo Vệ Thực Vật