Luận án thiết kế, tổng hợp và ứng dụng các sensor huỳnh quang từ dẫn xuất của dimethylaminocinnamaldehyde và dansyl

ĐẠI HỌC HUẾ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HUẾ

NGUYỄN KHOA HIỀN

THIẾT KẾ, TỔNG HỢP VÀ ỨNG DỤNG
CÁC SENSOR HUỲNH QUANG TỪ DẪN XUẤT CỦA
DIMETHYLAMINOCINNAMALDEHYDE VÀ DANSYL

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC

HUẾ, NĂM 2016


ĐẠI HỌC HUẾ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HUẾ

NGUYỄN KHOA HIỀN

THIẾT KẾ, TỔNG HỢP VÀ ỨNG DỤNG
CÁC SENSOR HUỲNH QUANG TỪ DẪN XUẤT CỦA
DIMETHYLAMINOCINNAMALDEHYDE VÀ DANSYL
Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và Hóa lý
Mã số: 62.44.01.19

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1. PGS. TS. DƯƠNG TUẤN QUANG
2. PGS.TS. NGUYỄN TIẾN TRUNG

HUẾ, NĂM 2016

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả
nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, được các đồng tác
giả cho phép sử dụng và chưa từng công bố trong bất kỳ một công trình nào
khác. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được trích dẫn và ghi nguồn tài liệu
tham khảo đúng quy định.

Tác giả

 

Nguyễn Khoa Hiền

i


LỜI CÁM ƠN

Với lòng biết ơn sâu sắc, tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến
PGS.TS. Dương Tuấn Quang và PGS.TS. Nguyễn Tiến Trung, những người
thầy đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập, nghiên
cứu và thực hiện luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn: Ban Giám hiệu Trường Đại học Sư phạm Đại học Huế, Trường Đại học Khoa học - Đại học Huế, Ban Giám đốc Đại học
Huế, Ban Giám hiệu Trường Đại học Quy Nhơn, Lãnh đạo Viện Nghiên cứu
Khoa học Miền Trung - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Ban
Giám đốc Trung Tâm Kiểm nghiệm Thuốc - Mỹ phẩm - Thực phẩm Thừa
Thiên Huế; đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian nghiên cứu

sinh và thực hiện luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn: Ban Chủ nghiệm Khoa Hóa học Trường Đại học
Sư phạm - Đại học Huế, Khoa Hóa học Trường Đại học Khoa học - Đại học Huế,
Khoa Hóa Trường Đại học Quy Nhơn, Phòng Đào tạo Sau Đại học Trường Đại học
Sư phạm - Đại học Huế đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian
nghiên cứu sinh và thực hiện luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn: Quỹ Phát triển Khoa học và Công nghệ Việt
Nam (Vietnam National Foundation for Science and Technology Development,
Nafosted) và Quỹ Nghiên cứu Quốc gia Hàn Quốc (National Research Foundation
of Korea) đã hỗ trợ kinh phí thực hiện luận án, thông qua các đề tài, chương trình
của PGS.TS. Dương Tuấn Quang (DTQ, Nafosted) và GS.TS. Jong Seung Kim
(JSK, National Research Foundation of Korea).
Tôi xin chân thành cảm ơn: TS. Trần Dương, TS. Hoàng Văn Đức, Khoa
Hóa học, Trường Đại học Sư phạm - Đại học Huế; GS.TS. Trần Thái Hòa, TS. Trần
Xuân Mậu, TS. Đinh Quang Khiếu, Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học - Đại

ii


học Huế; TS. Đặng Văn Khánh, Trung Tâm Kiểm nghiệm Thuốc - Mỹ phẩm - Thực
phẩm Thừa Thiên Huế; PGS.TS. Võ Viễn, ThS. Hồ Quốc Đại, Khoa Hóa, Trường
Đại học Quy Nhơn; đã tận tình giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu
và thực hiện luận án.
Đặc biệt, tôi xin chân thành cảm ơn GS.TS. Jong Seung Kim, Khoa Hóa học
Trường Đại học Korea, Hàn Quốc và TS. Nguyễn Thị Ái Nhung, Khoa Hóa học
Trường Đại học Khoa học - Đại học Huế đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong
suốt thời gian thực hiện luận án.
Xin cảm ơn tất cả bạn bè, đồng nghiệp đã động viên và giúp đỡ tôi trong suốt
thời gian thực hiện luận án.
Cuối cùng xin dành những lời cảm ơn sâu nặng nhất đến những người thân

trong gia đình tôi: Ba, mẹ, những người đã bôn ba suốt cả cuộc đời vì “cái chữ” của
tôi; Vợ, con, các anh chị em và những người thân trong gia đình đã dành cho tôi
những tình cảm, động viên, chia sẻ trong những năm tháng vừa qua.
Xin trân trọng cảm ơn.

Nguyễn Khoa Hiền

iii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN

i 

LỜI CÁM ƠN

ii 

MỤC LỤC

iv 

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

vi

DANH MỤC CÁC BẢNG

viii 

DANH MỤC CÁC HÌNH

x 

MỞ ĐẦU

1 

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

4 

1.1. Tổng quan nghiên cứu về sensor huỳnh quang

4 

1.1.1. Tình hình nghiên cứu sensor huỳnh quang

4 

1.1.2. Nguyên tắc hoạt động của sensor huỳnh quang

5 

1.1.3. Cấu tạo của sensor huỳnh quang

6 

1.1.4. Nguyên tắc thiết kế các sensor huỳnh quang

7 

1.2. Nguồn ô nhiễm, độc tính, phương pháp phát hiện Hg(II), Cu(II) và Ag(I)

7 

1.2.1. Nguồn ô nhiễm, độc tính của Hg(II), Cu(II) và Ag(I)

7 

1.2.2. Phương pháp phát hiện Hg (II), Cu(II) và Ag(I)

8 

1.3. Sensor huỳnh quang phát hiện Hg(II), Cu(II) và Ag(I)

9 

1.3.1. Sensor huỳnh quang dựa trên các phản ứng đặc trưng của ion kim loại

9 

1.3.2. Sensor huỳnh quang dựa trên các phản ứng tạo phức với ion kim loại

17 

1.3.3. Sensor huỳnh quang dựa trên tương tác cation – π

22 

1.3.4. Sensor huỳnh quang phát hiện đồng thời Hg(II), Cu(II) và Ag(I)

23 

1.4. Sensor huỳnh quang phát hiện Hg(II), Cu(II) và Ag(I) dựa trên fluorophore là
nhóm dansyl và 4-N,N-dimethylaminocinnamaldehyde
1.4.1. Sensor huỳnh quang phát hiện Hg(II) dựa trên fluorophore là nhóm dansyl

24 
24 

1.4.2. Sensor huỳnh quang phát hiện Hg(II), Cu(II) và Ag(I) dựa trên fluorophore
là 4-N,N-dimethylaminocinnamaldehyde
1.5. Tổng quan ứng dụng hóa học tính toán trong nghiên cứu các sensor huỳnh quang

iv

27 
28 


1.5.1. Ứng dụng hóa học tính toán trong nghiên cứu cấu trúc và thuộc tính
electron của các chất

29 

1.5.2. Ứng dụng hóa học tính toán trong nghiên cứu các phản ứng

30 

CHƯƠNG 2: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

31 

2.1. Mục tiêu nghiên cứu

31 

2.2. Nội dung nghiên cứu

31 

2.3. Phương pháp nghiên cứu

31 

2.3.1. Phương pháp nghiên cứu tính toán lý thuyết

31 

2.3.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

41 

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

44 

3.1. Thiết kế, tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng của DT - Chemodosimeter phát hiện

chọn lọc Hg(II) dựa trên liên hợp dansyl-diethylenetriamine-thiourea

44 

3.1.1. Nghiên cứu lý thuyết về thiết kế, tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng của
chemodosimeter DT

44 

3.1.2. Nghiên cứu thực nghiệm tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng của
chemodosimeter DT

67 

KẾT LUẬN CHUNG NGHIÊN CỨU VỀ CHEMODOSIMETER DT

80 

3.2. Thiết kế, tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng của DA - Chemosensor phát hiện
đồng thời Hg(II), Cu(II) và Ag(I) dựa trên dẫn xuất của 4-N,Ndimethylaminocinnamaldehyde

82 

3.2.1. Nghiên cứu lý thuyết thiết kế, tổng hợp và đặc trưng chemosensor DA

82 

3.2.2. Nghiên cứu thực nghiệm tổng hợp và đặc trưng của chemosensor DA

97

3.2.3. Nghiên cứu ứng dụng của chemosensor DA

101

KẾT LUẬN CHUNG NGHIÊN CỨU VỀ CHEMOSENSOR DA

129

KẾT LUẬN CHÍNH CỦA LUẬN ÁN

131

ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO

133

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ LIÊN QUAN LUẬN ÁN

134

TÀI LIỆU THAM KHẢO

135

PHỤ LỤC

v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
a.u

Atomic unit: đơn vị nguyên tử

1, 2, 3

Trị riêng của ma trận Hessian mật độ electron

ρ(r)

Mật độ electron

2ρ(r)

Laplacian của mật độ electron

Φ

Hiệu suất lượng tử huỳnh quang

AAS

Atomic absorption spectroscopy: quang phổ hấp thụ nguyên tử

AIM

Atoms in molecules: nguyên tử trong phân tử

AO

Atomic orbital: obitan nguyên tử

B3LYP

Phương pháp phiếm hàm mật độ 3 thông số của Becke

BCP

Bond critical point: điểm tới hạn liên kết

BD

Obitan liên kết hai tâm

BD*

Obitan hóa trị phản liên kết

BODIPY

Boron-dipyrromethene

CIC

Expansion coefficients for the main orbital transitions: hệ số khai triển cho
quá trình chuyển đổi obitan chính

CR

Obitan một lõi - một tâm

DACA

4-N,N-dimethylaminocinnamaldehyde

DC

Dansyl chloride

DFT

Density functional theory: thuyết phiếm hàm mật độ

DNSF

Dansyl sunfonamide

E(2)

Năng lượng bền hóa 2 electron cho tương tác giữa phần tử cho và nhận

ESIPT

Excited-state intramolecular proton transfer: sự chuyển proton nội phân tử ở
trạng thái kích thích

f

Oscillator strength: cường độ dao động

FRET

Forster resonance energy transfer: sự chuyển năng lượng cộng hưởng Forster

HOMO

Highest occupied molecular orbital: obitan phân tử bị chiếm cao nhất

ICT

Intramolecular charge transfer: sự chuyển điện tích nội phân tử

vi


LE

Locally excited state: trạng thái kích thích cục bộ

LMO

Localized molecular orbital: obitan phân tử khu trú

LOD

Giới hạn phát hiện

LOQ

Giới hạn định lượng

LP

Lone pair: cặp electron riêng

LP*

Obitan hóa trị, riêng, không bị chiếm

LUMO

Lowest unoccupied molecular orbital: obitan phân tử không bị chiếm thấp
nhất

MO

Molecular orbital: obitan phân tử

NAO

Natural atomic orbital: obitan nguyên tử thích hợp

NBO

Natural bond orbital: obitan liên kết thích hợp

NHO

Natural hybrid orbital: obitan lai hóa thích hợp

nnc

Nhóm nghiên cứu

PET

Photoinduced electron transfer: sự chuyển electron do cảm ứng ánh sáng

PITC

Phenyl isothiocyanate

Rev

Độ thu hồi

RCP

Ring critical point: điểm tới hạn vòng

RSD

Độ lệch chuẩn tương đối

RSDH 

Độ lệch chuẩn tương đối tính theo theo hàm Horwitz 

RY*

Obitan vỏ hóa trị thêm vào

TD-DFT

Time-dependent density functional theory: thuyết phiêm hàm mật độ phụ
thuộc thời gian

TICT

Twisted intramolecular charge transfer: sự chuyển điện tích nội phân tử xoắn

ZPE

Zero point energies: năng lượng điểm không

vii


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1. Các hóa chất chính sử dụng trong luận án

41

Bảng 3.1. So sánh các thông số hình học của DC

45 

Bảng 3.2. Biến thiên entanpi và năng lượng tự do Gibbs phản ứng giữa DC với
diethylenetriamine tại B3LYP/LanL2DZ

51 

Bảng 3.3. Biến thiên entanpi và năng lượng tự do Gibbs phản ứng giữa P1 với
phenyl isothiocyanate tại B3LYP/LanL2DZ
Bảng 3.4. Các thông số hình học của DT tại B3LYP/LanL2DZ

53 
54 

Bảng 3.5. Năng lượng kích thích, cường độ dao động và các MO có liên quan
đến quá trình kích thích chính của DC, DNSF, PITC và DT tại
B3LYP/LanL2DZ.

58 

Bảng 3.6. Năng lượng kích thích, cường độ dao động và các MO có liên quan đến
quá trình kích thích chính của DG tại B3LYP/LanL2DZ

65 

Bảng 3.7. Biến thiên entanpi và năng lượng tự do Gibbs phản ứng giữa DACA với
aminothiourea tại B3LYP/LanL2DZ
Bảng 3.8. Các thông số hình học của DA tại B3LYP/LanL2DZ

84 
86 

Bảng 3.9. Năng lượng kích thích, cường độ dao động và các MO có liên quan
đến quá trình kích thích chính của DACA, aminothiourea và DA tại

B3LYP/LanL2DZ.

91 

Bảng 3.10. Năng lượng kích thích, cường độ dao động và các MO có liên quan
đến quá trình kích thích chính của DA trong các dung môi khác nhau
tại B3LYP/LanL2DZ.

95 

Bảng 3.11. Mật độ electron (ρ(r), đơn vị a.u) và Laplacian (2(ρ(r)), đơn vị a.u)
tại các điểm BCP và RCP trong S1, S2, S3 và S4 ở B3LYP/LanL2DZ

117 

Bảng 3.12. Năng lượng tương tác E(2) (kcal mol-1) giữa các obitan của phần tử cho
và nhận trong DA, S1, S2, S3 và S4 tại B3LYP/LanL2DZ

121 

Bảng 3.13. Năng lượng kích thích, cường độ dao động và các MO có liên quan
đến quá trình kích thích chính của S1 tại B3LYP/LanL2DZ
viii

124 


Bảng 3.14. Năng lượng kích thích, cường độ dao động và các MO có liên quan
đến quá trình kích thích chính của S2 tại B3LYP/LanL2DZ

125 

Bảng 3.15. Năng lượng kích thích, cường độ dao động và các MO có liên quan
đến quá trình kích thích chính của S3 tại B3LYP/LanL2DZ

125 

Bảng 3.16. Năng lượng kích thích, cường độ dao động và các MO có liên quan
đến quá trình kích thích chính của S4 tại B3LYP/LanL2DZ

ix

126


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Nguyên lý hoạt động của chemodosimeter (a, b) và chemosensor (c, d)

5

Hình 1.2. Cấu tạo của một sensor huỳnh quang

6

Hình 1.3. Sensor huỳnh quang kiểu “fluorophore-spacer-receptor”

6

Hình 1.4. Sensor huỳnh quang phát hiện Hg(II) dựa trên phản ứng giữa dẫn
xuất thiourea với amin

10

Hình 1.5. Sensor huỳnh quang phát hiện Hg(II) dựa trên phản ứng chuyển đổi
nhóm thiocarbonyl thành nhóm carbonyl

13

Hình 1.6. Sensor huỳnh quang phát hiện Hg(II) dựa trên phản ứng tách loại
lưu huỳnh và tạo hợp chất dị vòng

14

Hình 1.7. Sensor huỳnh quang phát hiện Hg(II) dựa trên phản ứng tách
loại selen

14

Hình 1.8. Sensor huỳnh quang phát hiện Hg(II) dựa trên phản ứng tách loại thiol

15

Hình 1.9. Sensor huỳnh quang phát hiện Hg(II) dựa trên tác dụng xúc tác của
Hg(II) cho một số phản ứng khác

15

Hình 1.10. Sensor huỳnh quang phát hiện Cu(II) dựa trên các phản ứng thủy
phân xúc tác bởi Cu(II)

16

Hình 1.11. Sensor huỳnh quang phát hiện Cu(II) dựa trên phản ứng oxy hóa
bởi Cu(II)

16

Hình 1.12. Sensor huỳnh quang phát hiện Cu(II) dựa trên một số phản ứng khác

17

Hình 1.13. Sensor huỳnh quang phát hiện Hg(II) dựa trên phản ứng mở vòng
spirolactam của rhodamine

18

Hình 1.14. Sensor huỳnh quang phát hiện Cu(II) dựa trên phản ứng mở vòng
spirolactam của dẫn xuất rhodamine

18

Hình 1.15. Sensor huỳnh quang phát hiện Ag(I) dựa trên phản ứng mở vòng
spirolactam của dẫn xuất rhodamine

19

Hình 1.16. Sensor huỳnh quang phát hiện Hg(II) dựa trên phản ứng tạo phức
với các phối tử O, S, N trong các vòng

x

19


Hình 1.17. Sensor huỳnh quang phát hiện Cu(II) dựa trên phản ứng tạo phức
của Cu(II) với các phối tử N, S, và O trong các vòng

20

Hình 1.18. Sensor huỳnh quang phát hiện Ag(I) dựa trên phản ứng tạo phức
với các phối tử N, S, và O trong các vòng

20

Hình 1.19. Sensor huỳnh quang phát hiện Hg(II) dựa trên phản ứng tạo phức
với các phối tử O, S, N mạch hở

21

Hình 1.20. Sensor huỳnh quang phát hiện Cu(II) dựa trên các phản ứng tạo
phức với các phối tử N, S, và O mạch hở

21

Hình 1.21. Sensor huỳnh quang phát hiện Ag(I) dựa trên phản ứng tạo phức
với các phối tử O, S và N mạch hở

22

Hình 1.22. Sensor huỳnh quang phát hiện Hg(II), Cu(II) và Ag(I) dựa trên tương

tác cation- π

23

Hình 1.23. Sensor huỳnh quang phát hiện đồng thời Hg(II), Cu(II) và Ag(I)

24

Hình 1.24. Sensor huỳnh quang phát hiện đồng thời Hg(II) dựa trên fluorohore là
nhóm dansyl

25

Hình 1.25. Sensor huỳnh quang phát hiện Hg(II) kết hợp nhóm dansyl với
fluorophore khác

26

Hình 1.26. Sensor huỳnh quang phát hiện Hg(II) dựa trên fluorophore là DACA

28

Hình 3.1. Hình học bền của DC tại B3LYP/LanL2DZ

44

Hình 3.2. Cơ chế PET của sensor huỳnh quang kiểu bật-tắt

46

Hình 3.3. Hình học bền của phenyl isothiocyanate và amino thiourea tại
B3LYP/LanL2DZ

47

Hình 3.4. Sơ đồ năng lượng các HOMO và LUMO của DC, DNSF,
aminothiourea và phenyl isothiocyanate tại B3LYP/LanL2DZ
Hình 3.5. Các hướng phản ứng giữa DC với diethylenetriamine

48
49

Hình 3.6. Hình học bền của diethylenetriamine và các sản phẩm phản ứng với
DC tại B3LYP/LanL2DZ

50

Hình 3.7. Các hướng phản ứng giữa P1 với phenyl isothiocyanate

xi

52


Hình 3.8. Hình học bền các sản phẩm phản ứng P1 với phenyl isothiocyanate
tại B3LYP/LanL2DZ

53

Hình 3.9. Phổ hấp thụ UV-Vis của DC (a), DNSF (b) và DT (c) trong pha khí

tại B3LYP/LanL2DZ

57

Hình 3.10. Các MO biên của PITC

58

Hình 3.11. Các MO biên của DC

59

Hình 3.12. Các MO biên của DNSF

59

Hình 3.13. Các MO biên của DT

60

Hình 3.14. Giản đồ năng lượng các MO biên của fluorophoro tự do, receptor
tự do và chemodosimeter DT

61

Hình 3.15. Các hướng phản ứng giữa chemodosimeter DT với Hg(II)

63

Hình 3.16. Hình học bền các sản phẩm của phản ứng giữa DT với Hg(II) tại

B3LYP/LanL2DZ

63

Hình 3.17. Phổ UV-Vis của DG tại B3LYP/LanL2DZ

65

Hình 3.18. Các MO biên của DG

66

Hình 3.19. Giản đồ năng lượng các MO biên của DT và DG

67

Hình 3.20. Sơ đồ các phản ứng tổng hợp DT

68

Hình 3.21. Phổ 1H NMR (400 MHz, CDCl3) của P1

69

Hình 3.22. Phổ 1H NMR (400 MHz, acetonitrile) của DT

70

Hình 3.23. Phổ 13C NMR(100 MHz, CD3CN) của DT

71

Hình 3.24. Phổ khối của DT

71

Hình 3.25. Phổ hấp thụ UV-Vis và phổ huỳnh quang của DT

72

Hình 3.26. Phổ chuẩn độ UV-Vis và huỳnh quang của DT bởi Hg(II)

73

Hình 3.27. Đồ thị xác định quan hệ tỷ lượng phản ứng giữa Hg(II) với DT

74

Hình 3.28. Phổ 1H NMR (400 MHz, CD3CN) của DG

75

Hình 3.29. Phổ 13C NMR (100 MHz, CD3CN) của DG

76

Hình 3.30. Phổ ESI-MS của DG

76

Hình 3.31. Phổ UV-Vis và phổ huỳnh quang DT trong sự hiện diện các ion
kim loại

77

Hình 3.32. Đồ thị khảo sát thời gian phản ứng giữa DT với Hg(II)
xii

78


Hình 3.33. Biến thiên cường độ huỳnh quang DT theo nồng độ Hg(II)

78

Hình 3.34. Đồ thị xác định giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng Hg(II)
bằng chemodosimeter DT

79

Hình 3.35. Hình học bền của DACA tại B3LYP/LanL2DZ

82

Hình 3.36. Giản đồ năng lượng các HOMO và LUMO của DACA,
aminothiourea và phenyl isothiocyanate tại B3LYP/LanL2DZ
Hình 3.37. Các hướng phản ứng giữa DACA với aminothiourea

83
84

Hình 3.38. Hình học bền của các sản phẩm phản ứng DACA với
aminothiourea tại B3LYP/LanL2DZ

85

Hình 3.39. Phổ UV-Vis của DACA (a) và DA (b) trong pha khí tại
B3LYP/LanL2DZ

89

Hình 3.40. Các MO biên của aminothiourea

92

Hình 3.41. Các MO biên của DACA

92

Hình 3.42. Các MO biên của DA

93

Hình 3.43. Giản đồ năng lượng các MO biên của fluorophoro tự do, receptor
tự do và chemosensor DA

94

Hình 3.44. Quá trình chuyển TICT trong chemosensor DA

96

Hình 3.45. Bề mặt thế năng trạng thái cơ bản và năng lượng hai trạng thái
kích thích S1, S2 của DA (trong ethanol) theo góc xoắn của tiểu
phần donor

97

Hình 3.46. Phổ 1H NMR (400 MHz, CDCl3) của DA

98

Hình 3.47. Phổ IR của DA

99

Hình 3.48. Cấu trúc phân tử DA từ dữ liệu phân tích nhiễu xạ đơn tinh thể tia X

99

Hình 3.49. Ô mạng cơ sở của tinh thể DA

100

Hình 3.50. Giản đồ nhiễu xạ XRD đơn tinh thể của DA

100

Hình 3.51. Phổ hấp thụ UV-Vis và phổ huỳnh quang của DA

101

Hình 3.52. Phổ huỳnh quang DA trong sự hiện diện của các ion kim loại

102

Hình 3.53. Phổ huỳnh quang chuẩn độ DA bởi Hg(II)

103

Hình 3.54. Đồ thị xác định hệ số tỷ lượng phức DA-Hg(II)

103

Hình 3.55. Biến thiên cường độ huỳnh quang DA theo nồng độ Hg(II)

104

xiii


Hình 3.56. Đồ thị xác định LOD và LOQ của phương pháp phát hiện Hg(II)
bằng DA

104

Hình 3.57. Phổ huỳnh quang chuẩn độ DA bởi Cu(II)

105

Hình 3.58. Đồ thị xác định hệ số tỷ lượng phức DA-Cu(II)

106

Hình 3.59. Biến thiên cường độ huỳnh quang DA theo nồng độ Cu(II)

106

Hình 3.60. Đồ thị xác định LOD và LOQ của phương pháp phát hiện Cu(II)
bằng DA

107

Hình 3.61. Phổ huỳnh quang chuẩn độ DA bởi Ag(I)

108

Hình 3.62. Đồ thị xác định hệ số tỷ lượng phức DA-Ag(I)

108

Hình 3.63. Biến thiên cường độ huỳnh quang DA theo nồng độ Ag(I)

109

Hình 3.64. Đồ thị xác định LOD và LOQ của phương pháp phát hiện Ag(I)
bằng DA

109

Hình 3.65. Phổ huỳnh quang dung dịch DA với Cu(II) và EDTA

110

Hình 3.66. Phổ huỳnh quang dung dịch DA với Hg(II) và Na2S2O3

111

Hình 3.67. Phổ huỳnh quang khảo sát khả năng xác định riêng lẻ các ion
Hg(II), Cu(II) và Ag(I) trong hỗn hợp

112

Hình 3.68. Mối quan hệ giữa độ biến thiên cường huỳnh quang dung dịch DA
với nồng độ Hg(II), Cu(II) và Ag(I)

113

Hình 3.69. Khảo sát ảnh hưởng của pH đến sử dụng DA phát hiện Hg(II), Cu(II)
và Ag(I)

114

Hình 3.70. Hình học bền của các phức hình thành giữa DA và các ion kim loại
tại B3LYP/LanL2DZ

116

Hình 3.71. Hình học topo các điểm tới hạn liên kết trong phức S1 (a), S2 (b),
S3 (c), S4 (d).

118

Hình 3.72. Giản đồ năng lượng các MO biên của DA và S1

126

Hình 3.73. Giản đồ năng lượng các MO biên của DA và S2

127

Hình 3.74. Giản đồ năng lượng các MO biên của DA và S3

127

Hình 3.75. Giản đồ năng lượng các MO biên của DA và S4

128

xiv


MỞ ĐẦU
Sensor huỳnh quang đầu tiên đã được tác giả Anthony W. Czarnik ở Đại
học Ohio công bố vào năm 1992. Hiện nay, hầu như không có tuần nào là không
có sensor huỳnh quang mới được công bố trên thế giới. Điều này là do phương
pháp phân tích huỳnh quang thường nhạy với chất phân tích, không đòi hỏi thiết bị
máy móc đắt tiền, dễ thực hiện, chi phí phân tích thấp, có thể phân tích các chất
trong tế bào sống. Các sensor huỳnh quang được nghiên cứu ứng dụng trong phân
tích nhiều đối tượng khác nhau, đặc biệt là các ion kim loại nặng, độc hại như thủy

ngân(II), đồng(II) và bạc(I).
Phát triển các sensor huỳnh quang mới đã và đang thu hút sự quan tâm
của các nhà khoa học. Do đó, một cơ sở khoa học cho quá trình thiết kế, tổng
hợp và ứng dụng các sensor huỳnh quang là rất quan trọng, giúp giảm thiểu thời
gian, chi phí và tăng khả năng thành công trong nghiên cứu. Hiện nay, hóa học
lượng tử tính toán được hỗ trợ mạnh mẽ bởi sự phát triển của công nghệ thông
tin, đã trở thành một công cụ quan trọng trong nghiên cứu hóa học. Nhiều tính
chất vật lý và hóa học đã được dự đoán hoặc làm sáng tỏ từ các kết quả tính toán.
Trong khi đó, một nghiên cứu hoàn chỉnh kết hợp tính toán và thực nghiệm cho
các quá trình thiết kế, tổng hợp và ứng dụng của các sensor huỳnh quang hiện
vẫn còn chưa, hoặc rất ít được công bố.
Ở Việt Nam, sensor huỳnh quang đã được tác giả Dương Tuấn Quang
nghiên cứu từ năm 2007. Các sensor huỳnh quang đã được tác giả Dương Tuấn
Quang công bố bao gồm: các chemosensor phát hiện ion Fe(III), F-, Cs+ và Cu(II)
dựa trên calix[4]arene; chemosensor chứa vòng 1,2,3-triazole phát hiện Al(III) và
chemosensor phát hiện Hg(II) từ dẫn xuất của chất phát huỳnh quang rhodamine.
Đến nay, nhiều chất phát huỳnh quang khác nhau đã được sử sụng để phát
triển các sensor huỳnh quang. Gần đây, các dẫn xuất của dansyl đã được sử dụng để
thiết kế các sensor huỳnh quang, do các hợp chất của chúng thường phát huỳnh
quang mạnh và linh hoạt trong cơ cấu các dẫn xuất của chúng. Tuy nhiên, chưa có
sensor huỳnh quang nào sử dụng dẫn xuất của dansyl để phát hiện Hg(II) dựa trên
1


các phản ứng đặc trưng của Hg(II), nhằm tăng độ chọn lọc của sensor. Một chất
phát huỳnh quang khác đã biết đến từ lâu là 4-N,N-dimethylaminocinnamaldehyde,
nhưng đến nay vẫn còn chưa, hoặc rất ít nghiên cứu để phát triển các sensor huỳnh
quang phát hiện các ion Hg(II), Cu(II) và Ag(I).
Trước nhu cầu và thực trạng nghiên cứu các sensor huỳnh quang trên thế giới
và Việt Nam, chúng tôi chọn đề tài “Thiết kế, tổng hợp và ứng dụng các sensor

huỳnh quang từ dẫn xuất của dimethylaminocinnamaldehyde và dansyl”.
Nhiệm vụ của luận án:
- Nghiên cứu thiết kế, tổng hợp và ứng dụng chemodosimeter từ dẫn xuất của
dansyl và dựa trên phản ứng đặc trưng của Hg(II), nhằm phát hiện chọn lọc Hg(II).
- Nghiên cứu thiết kế, tổng hợp và ứng dụng chemosensor huỳnh quang phát
hiện đồng thời Hg(II), Cu(II) và Ag(I), dựa trên fluorophore là 4-N,Ndimethylaminocinnamaldehyde.
- Nghiên cứu sử dụng kết hợp linh hoạt giữa tính toán lý thuyết và thực
nghiệm, từ thiết kế, đến tổng hợp và ứng dụng các sensor huỳnh quang.
Những đóng góp mới của luận án:
- Một chemodosimeter DT mới từ dẫn xuất của dansyl đã được công bố
(tháng 4/2014), có thể phát hiện chọn lọc Hg(II) dựa trên phản ứng đặc trưng của
Hg(II) - phản ứng giữa dẫn xuất thiourea với amin tạo vòng guanidine khi có mặt
Hg(II) - hoạt động theo cơ chế PET (sự chuyển electron do cảm ứng ánh sáng), kiểu
bật-tắt (ON-OFF) huỳnh quang, với giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng
Hg(II) tương ứng là 50 và 166 ppb.
-

Một

chemosensor

DA

mới

từ

fluorophore

là

4-N,N-

dimethylaminocinnamaldehyde (DACA) đã được công bố (tháng 3/2013), có thể phát
hiện đồng thời Hg(II), Cu(II) và Ag(I) dựa trên phản ứng tạo phức, hoạt động theo
kiểu bật-tắt (ON-OFF) huỳnh quang, với giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng
Hg(II), Cu(II) và Ag(I) tương ứng là: 2,8 và 9,5 ppb; 0,8 và 2,7 ppb; 1,0 và 3,4 ppb.

2


- Một cơ sở khoa học cho quá trình nghiên cứu phát triển các sensor huỳnh
quang mới đã được trình bày (tháng 5/2015), thông qua kết quả của quá trình kết
hợp linh hoạt giữa tính toán lý thuyết và thực nghiệm trong nghiên cứu thiết kế,
tổng hợp và ứng dụng của chemodosimeter DT và chemosensor DA.
Những đóng góp mới của luận án đã được công bố tại:
- Luminescence, 2013, 28, pp. 222-225
- Chemistry Letters, 2014, 43, pp. 1034-1036
- Dyes and Pigments, 2015, 116, pp. 89-96
- Vietnam Journal of Chemistry, 2015, 53(5e), pp. 541-547
- The Analytica Vietnam Conference 2015, Ho Chi Minh City, April 15-16,
01-07, pp. 13-17.
Cấu trúc của luận án gồm các phần sau:
- Mở đầu
- Chương 1: Tổng quan tài liệu
- Chương 2: Nội dung và phương pháp nghiên cứu
- Chương 3: Kết quả và thảo luận
- Những kết luận chính của luận án
- Định hướng nghiên cứu tiếp theo
- Danh mục các công trình liên quan đến luận án

- Tài liệu tham khảo
- Phụ lục

3


CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Tổng quan nghiên cứu về sensor huỳnh quang
1.1.1. Tình hình nghiên cứu sensor huỳnh quang
Tác giả Anthony W. Czarnik lần đầu tiên đã đưa ra khái niệm
chemodosimeter như là phân tử phi sinh học, sử dụng để phát hiện các chất phân tích.
Năm 1992, ông và nhóm nghiên cứu (nnc) đã trình bày một chemodosimeter phát
hiện Cu(II) dựa trên phản ứng mở vòng dẫn xuất rhodamine-B [13]. Thời gian đầu,
các công trình nghiên cứu về chemodosimeter và chemosensor (gọi chung là sensor
huỳnh quang) vẫn chưa được phổ biến. Từ năm 2005 đến nay, các sensor huỳnh
quang mới công bố ngày một tăng nhanh. Đến nay, trên thế giới hầu như tuần nào
cũng có sensor huỳnh quang mới được công bố [107]. Điều này là do các sensor
huỳnh quang thường rất nhạy, dễ thực hiện và ít tốn kém [94].
Sensor huỳnh quang được nghiên cứu ứng dụng trong phân tích nhiều đối
tượng khác nhau. Nhiều sensor huỳnh quang đã công bố có thể phát hiện chọn lọc
các ion kim loại như Hg(II), Cu(II), Fe(II), Fe(III), Al(III)…[44], [53], [54], [57],
[62], [94]. Một số sensor huỳnh quang có thể phát hiện các ion kim loại trong tế bào
sống như Fe(III) trong tế bào gan [62], Cu(II) trong tế bào HepG2 [44], Hg(II) trong
tế bào PC3 [57]… Các sensor huỳnh quang còn có thể phát hiện các anion như
bisulfite [88], sulfite [35], acetate, benzoate, cyanide, fluoride [23]… Ngoài ra, các
sensor huỳnh quang còn có thể gắn trên các vật liệu nano như nano titanium oxide,
SBA-15, Au@SiO2 [52].
Ở Việt Nam, sensor huỳnh quang đã được tác giả Dương Tuấn Quang nghiên

cứu kể từ năm 2007. Đến nay đã có một số tác giả khác nghiên cứu về lĩnh vực này.
Các sensor huỳnh quang đã được tác giả Dương Tuấn Quang và nnc công bố bao
gồm: chemosensor phát hiện ion Fe(III) dựa trên sự biến đổi tỉ lệ phát xạ
monomer/excimer từ các nhóm pyren gắn với calix[4]arene [50]; chemosensor phát
hiện ion F- và Cs+ dựa trên calix[4]arene với 2,3-naphthocrown-6 và coumarin
amide [64]; chemosensor phát hiện Cu(II) dựa trên calix[4]arene và coumarin [93];
4


chemosensor chứa vòng 1,2,3-triazole dùng để phát hiện Al(III) [54]; và
chemosensor phát hiện Hg(II) dựa trên dẫn xuất của rhodamine [95].
1.1.2. Nguyên tắc hoạt động của sensor huỳnh quang
Theo các tác giả Dương Tuấn Quang và Jong Seung Kim, trong phương pháp
này, phản ứng giữa chemodosimeter với chất phân tích dẫn đến phá vỡ và hình thành
một vài liên kết cộng hóa trị. Kết quả của phản ứng này là hình thành một cấu trúc
phát tín hiệu và một cấu trúc không phát tín hiệu. Chất phân tích có thể liên kết với
một trong hai cấu trúc trên (Hình 1.1a và 1.1b). Các phản ứng này là không thuận
nghịch và có mối liên hệ trực tiếp với nồng độ chất phân tích. Khác với
chemodosimeter, phản ứng giữa chemosensor với chất phân tích là thuận nghịch.
Chất phân tích kết hợp với chemosensor tạo thành một cấu trúc phát tín hiệu duy nhất
(Hình 1.1c), hoặc hình thành một cấu trúc phát tín hiệu và một cấu trúc không phát
tín hiệu (Hình 1.1d) [94].

Hình 1.1. Nguyên lý hoạt động chemodosimeter (a, b) và chemosensor (c, d) [94]
Nguyên tắc trên chỉ mô tả bản chất hoạt động cho các sensor huỳnh quang
theo kiểu biến đổi từ trạng thái không phát huỳnh quang sang phát huỳnh quang
(hay còn gọi là kiểu “tắt-bật” hoặc “turn on”, “OFF-ON”). Gần đây, một số sensor
huỳnh quang hoạt động theo kiểu ngược lại (hay còn gọi là kiểu “bật-tắt” hoặc “turn
off”, “ON-OFF”) đã được công bố [110]. Vì vậy, có thể khái quát, chemodosimeter
5

và chemosensor là các sensor phân tử, dùng để phát hiện các chất phân tích dựa trên
sự thay đổi tín hiệu huỳnh quang trước và sau khi phản ứng với chất phân tích.
Sensor huỳnh quang phản ứng không thuận nghịch với chất phân tích được gọi là
chemodosimeter. Ngược lại, sensor huỳnh quang phản ứng thuận nghịch với chất
phân tích được gọi là chemosensor.
1.1.3. Cấu tạo của sensor huỳnh quang
Một sensor huỳnh quang thường được cấu tạo từ ba thành phần chính
“fluorophore–spacer–receptor” (Hình 1.2). Trong đó, fluorophore là tiểu phần liên
quan đến sự thay đổi tín hiệu huỳnh quang; receptor là tiểu phần phản ứng hoặc tạo
liên kết với chất phân tích; spacer là tiểu phần cầu nối và truyền dẫn tín hiệu giữa
receptor và fluorophore [107]. Hình 1.3 trình bày một ví dụ về sensor huỳnh quang
có cấu tạo đầy đủ ba thành phần, được Hao Zhu và nnc báo cáo dùng để phát hiện
HClO trong các tế bào ung thư [140].

Hình 1.2. Cấu tạo của một sensor huỳnh quang [107]

Hình 1.3. Sensor huỳnh quang kiểu “fluorophore-spacer-receptor” [140]

6


Trên nguyên tắc đó, các sensor huỳnh quang có thể được cấu tạo gồm nhiều
fluorophore hoặc nhiều receptor theo kiểu fluorophore-[spacer-receptor]n,
[fluorophore-spacer]n-receptor

hoặc

[fluorophore]n-spacer-[receptor]n…[90],

[135]. Bên cạnh đó, một số sensor huỳnh quang có thể chỉ được cấu tạo bởi
fluorophore-receptor [138].
1.1.4. Nguyên tắc thiết kế các sensor huỳnh quang
Yêu cầu cơ bản của một sensor huỳnh quang là sự thay đổi các tính chất
huỳnh quang (bao gồm cả hiệu suất lượng tử huỳnh quang, bước sóng và thời gian
sống) trước và sau khi tương tác với chất phân tích. Vì vậy, tất cả các yếu tố ảnh
hưởng đến tính chất huỳnh quang đều được sử dụng để thiết kế các sensor huỳnh
quang. Nguyên tắc thiết kế các sensor huỳnh quang chủ yếu dựa trên các nguyên tắc
sau (chi tiết được trình bày ở phụ lục 1) [39], [116], [133]:
- Mức độ liên hợp của hệ thống electron π;
- Ảnh hưởng của nhóm thế;
- Sự chuyển điện tích nội phân tử (ICT);
- Sự chuyển điện tích nội phân tử xoắn (TICT);
- Sự chuyển electron do cảm ứng ánh sáng (PET);
- Sự chuyển proton nội phân tử ở trạng thái kích thích (ESIPT);
- Sự chuyển năng lượng cộng hưởng Forster (FRET).
1.2. Nguồn ô nhiễm, độc tính, phương pháp phát hiện Hg(II), Cu(II) và Ag(I)
1.2.1. Nguồn ô nhiễm, độc tính của Hg(II), Cu(II) và Ag(I)
Thủy ngân, đồng và bạc là ba trong số các kim loại tự nhiên phong phú nhất
trong vỏ trái đất [103]. Chúng thường xuất hiện đồng thời trong các khoáng chất có
chứa lưu huỳnh, tellurium và selen [84].
Thủy ngân (Hg) tồn tại trong môi trường gồm các dạng nguyên tố, vô cơ và
hữu cơ. Thủy ngân nguyên tố và thủy ngân vô cơ thải vào môi trường chủ yếu từ
khai thác mỏ, luyện kim, hoạt động công nghiệp và quá trình đốt cháy nhiên liệu
hóa thạch. Thủy ngân hữu cơ trong môi trường chủ yếu là do quá trình vi sinh vật
phân giải thủy ngân vô cơ ở trầm tích biển thành methylmercury [5]. Ngoài ra, thủy
ngân còn phát thải vào môi trường từ các nguồn khác như hỗn hống nha khoa, mỹ
7

phẩm và dược phẩm [41]. Một khi thải vào môi trường, thủy ngân (bao gồm các
hợp chất của nó) trải qua một loạt biến đổi vật lý và hóa học phức tạp. Con người,
động thực vật thường xuyên tiếp xúc với thủy ngân và tích lũy nó trong cơ thể có
thể gây ra những tác động đến sức khỏe. Độc tính của thủy ngân phụ thuộc vào hình
thức hóa học của nó. Thủy ngân có thể gây ra các bệnh như viêm nướu, viêm
miệng, rối loạn tiêu hóa, thần kinh, tổn thương não, cũng như liên quan đến các dị
tật bẩm sinh và sẩy thai tự nhiên [5].
Đồng (Cu) phát thải vào môi trường chủ yếu từ hoạt động khai thác mỏ,
luyện kim, hoạt động công nghiệp, sản xuất kim loại, gỗ và các loại phân bón.
Ngoài ra, còn có các nguồn khác như chất thải từ bãi chôn lấp. Đồng cần thiết cho
cuộc sống con người, nhưng sự thiếu hụt hay dư thừa của nó có thể gây ra các bệnh
như thiếu máu, mụn trứng cá, hiếu động thái quá, suy tuyến thượng thận, rụng tóc,
viêm khớp, bệnh tự kỷ, ung thư, trầm cảm, tiểu đường, chậm lớn, đau tim, tăng
huyết áp, rối loạn chức năng gan... [97].
Bạc (Ag) phát thải vào môi trường chủ yếu từ các ngành công nghiệp như
điện tử, nhiếp ảnh và gương. Gần đây, sự phát triển của công nghệ nano cũng là
nguồn phát thải bạc đáng quan tâm. Nano bạc rất hiệu quả trong tiêu diệt một loạt
các vi khuẩn và có thể dễ dàng tích hợp trên bề mặt các vật liệu. Do đó nó đã được
sử dụng làm bao bì bảo vệ chống ngộ độc thực phẩm, khử mùi, diệt khuẩn và làm
thuốc điều trị bệnh tâm thần, nghiện thuốc lá, điều trị bỏng và các bệnh truyền
nhiễm. Cùng với đặc tính kháng sinh tốt, ion bạc và nano bạc có độc tính cao đối
với vi sinh vật như tảo, vi khuẩn, virus, hoặc các hình thức ấu trùng các loài thủy
sản. Nồng độ cao của các ion bạc có thể có tác động xấu đối với môi trường và
được xem là nguy hại đến sức khỏe con người [7].
1.2.2. Phương pháp phát hiện Hg (II), Cu(II) và Ag(I)
Nghiên cứu phát triển các phương pháp mới phát hiện riêng rẻ, cũng như
đồng thời Hg(II), Cu(II) và Ag(I) đã và đang được các nhà khoa học hết sức quan
tâm. Có nhiều phương pháp phát hiện các ion này như quang phổ hấp thụ phân tử
[24], quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) [28], von-ampe hòa tan [76],… Các

phương pháp AAS, von-ampe hòa tan… thường nhạy, có thể phát hiện Hg(II),
8


Cu(II) và Ag(I) đến nồng độ ppb. Tuy nhiên, các phương pháp này thường dùng
máy móc thiết bị hiện đại, đắt tiền và thực hiện bởi những chuyên gia được đào
tạo, có kinh nghiệm. Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử sử dụng máy móc
thiết bị đơn giản, rẻ tiền và dễ thực hiện, song thường kém nhạy hơn. Để phát hiện
Hg(II), Cu(II) và Ag(I) ở mức nồng độ ppb bằng quang phổ hấp thụ phân tử
thường phải kết hợp với các phương pháp làm giàu như tách chiết [115], hoặc
động học xúc tác… [96].
Theo các tài liệu thu thập được, hiện vẫn còn rất ít công trình công bố về xác
định đồng thời cả 3 ion, hoặc 2 trong số 3 ion Hg(II), Cu(II) và Ag(I). Các công
trình công bố chủ yếu sử dụng các phương pháp von-ampe hòa tan, chiết pha rắn,
chiết trắc quang, AAS, hoặc phổ khối lượng plasma cảm ứng (ICP-MS) [2], [12],
[81], [101], [114].
1.3. Sensor huỳnh quang phát hiện Hg(II), Cu(II) và Ag(I)
1.3.1. Sensor huỳnh quang dựa trên các phản ứng đặc trưng của ion kim loại
Để thiết kế các sensor huỳnh quang phát hiện chọn lọc Hg(II), Cu(II) và
Ag(I), các phản ứng đặc trưng của mỗi ion kim loại đã được nghiên cứu sử dụng,
nhất là các phản ứng mà sự hiện diện của các ion kim loại khác không xảy ra.
1.3.1.1 Sensor huỳnh quang dựa trên các phản ứng đặc trưng của Hg(II) ion
a. Sensor huỳnh quang phát hiện Hg(II) dựa trên phản ứng giữa dẫn xuất
thiourea với amin
Phản ứng giữa dẫn xuất thiourea với amin tạo thành guanidine khi có mặt
Hg(II) đã được sử dụng thiết các sensor huỳnh quang phát hiện chọn lọc Hg(II)
(Hình 1.4a) [129]. Trong đó, nhiều nhất là phản ứng tách loại lưu huỳnh và đóng
vòng (Hình 1.4b). Sự có mặt của Hg(II) đã thúc đẩy quá trình tách loại lưu huỳnh và
đóng vòng guanidine các dẫn xuất thiourea. Các phản ứng này thường không thuận
nghịch nên các sensor này thường là chemodosimeter. Theo các tài liệu thu thập

được, đến nay có khoảng 13 sensor huỳnh quang (1-13) phát hiện Hg(II) hoạt động
theo cơ chế này đã được công bố, dựa trên các fluorophore là naphthamide,
coumarin, benzothiadiazole, Nile Blue và tricarbocyanine (Hình 1.4c).

9