Thiết kế, tổng hợp một số sensor huỳnh quang từ dẫn xuất của cyanine và coumarin để xác định biothiol và Hg(II) (Luận án tiến sĩ)

MỞ ĐẦU
Glutathione (GSH), cysteine (Cys) và homocysteine (Hcy) là những hợp chất
thiol đóng vai trò quan trọng trong các quá trình sinh học. Mức độ bất thường của các
biothiol có liên quan đến nhiều loại bệnh như tổn thương gan, tổn thương da,
Alzheimer, Parkinson, tim mạch, tiểu đường và HIV.
Thủy ngân là một trong những chất gây ô nhiễm nguy hiểm và phổ biến, phát
thải thông qua các hoạt động tự nhiên hoặc các hoạt động của con người, gây ảnh
hưởng nghiêm trọng về sức khỏe con người bằng cách phá hoại hệ thống thần kinh
trung ương và tuyến nội tiết, dẫn đến sự rối loạn về nhận thức và vận động.
Vì vậy, việc xác định biothiol trong tế bào, hàm lượng thủy ngân trong các
nguồn nước là rất quan trọng trong sự chẩn đoán sớm các bệnh liên quan, bảo vệ môi
trường sống và hiện đang thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học trong và ngoài
nước. Có nhiều phương pháp đã được áp dụng phát hiện các biothiol và ion Hg(II)
như phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC), phương pháp phổ khối lượng
(MS), phương pháp sắc ký khí (GC), phương pháp phân tích điện hóa, phương pháp
quang phổ hấp thụ phân tử (MAS) - phương pháp phân tích UV-Vis, phương pháp
quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) và phương pháp huỳnh quang… Trong đó,
phương pháp huỳnh quang có nhiều ưu điểm hơn, đó là không đòi hỏi thiết bị máy
móc đắt tiền, dễ thực hiện, ít tốn kém, và áp dụng phân tích cho nhiều đối tượng,
đặc biệt có thể phân tích các chất trong tế bào sống.
Phương pháp huỳnh quang được Giáo sư Anthony W. Czarnik ở Đại học
Quốc gia Ohio nghiên cứu và đề xuất cách tiếp cận mới trong lĩnh vực sensor quang
học vào năm 1992. Với những ưu thế của phương pháp huỳnh quang, nên trong
nhiều năm qua, các nghiên cứu về sensor huỳnh quang nhằm phát hiện các ion kim
loại, anion, đặc biệt các phân tử sinh học luôn thu hút sự quan tâm của các nhà
khoa học trong và ngoài nước với số lượng các sensor huỳnh quang mới được
công bố ngày càng nhiều trên thế giới. Ở Việt Nam, việc nghiên cứu sensor huỳnh
quang bắt đầu từ năm 2007 bởi tác giả Dương Tuấn Quang. Các sensor huỳnh
quang đã được tác giả Dương Tuấn Quang công bố bao gồm: chemosensor phát
1

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 ion Hg(II) từ dẫn xuất của
chất phát huỳnh quang rhodamine.
Để xác định các biothiol, các nghiên cứu đã thiết kế sensor huỳnh quang dựa
trên các phản ứng đặc trưng của biothiol như phản ứng tạo vòng với aldehyde, phản
ứng cộng Michael, phản ứng ghép nối peptide, phản ứng sắp xếp nhóm thế ở nhân
thơm, phản ứng phân tách sulfonamide ester hoặc sulfonate ester, phản ứng phân
tách disulfides. Ngoài việc sử dụng phản ứng đặc trưng của biothiol, phản ứng trao
đổi phức (phức của chất huỳnh quang với ion Cu(II)…) cũng được sử dụng.
Các nghiên cứu về sensor huỳnh quang phát hiện ion Hg(II) đã dựa trên các
phản ứng đặc trưng của ion Hg(II) như phản ứng tách loại lưu huỳnh và đóng vòng
guanidine, phản ứng chuyển đổi nhóm thiocarbonyl thành nhóm carbonyl, phản ứng
tách loại thiol,…và dựa trên phản ứng tạo phức giữa ion Hg(II) với các phối tử -O,N,-S trong vòng hoặc ở mạch hở.
Đến nay, nhiều chất phát huỳnh quang khác nhau đã được sử sụng để phát
triển các sensor huỳnh quang. Tuy nhiên, từ những đặc tính huỳnh quang vượt trội,
nên các dẫn xuất của cyanine và coumarin đã được sử dụng khá nhiều trong nghiên
cứu phát triển các sensor huỳnh quang, trong đó có các sensor huỳnh quang phát
hiện ion Hg(II), cũng như biothiol.
Mặc dù có nhiều nỗ lực phát triển các sensor huỳnh quang để xác định các
biothiol và ion Hg(II) nhưng đa phần các sensor này vẫn tồn tại một số hạn chế như
sử dụng một lượng lớn dung môi hữu cơ, giới hạn phát hiện còn cao, có bước sóng
phát xạ ngắn gây ảnh hưởng đến tế bào, và phản ứng giữa sensor với chất phân tích
xảy ra chậm.
Hiện nay, các nhà khoa học trên thế giới vẫn đang tiếp tục nghiên cứu thiết
kế các sensor huỳnh quang có độ nhạy và độ chọn lọc cao để phát hiện các biothiol
và ion Hg(II). Đây là hướng nghiên cứu đang được các nhà khoa học trên thế giới
quan tâm rất lớn, có nhiều tiềm năng ứng dụng trong phân tích các đối tượng môi
trường và trong y sinh học.

2


Với sự phát triển và hỗ trợ mạnh của công nghệ thông tin, vì thế, hoá tính
toán đã trở thành công cụ quan trọng trong nghiên cứu hoá học nói chung và nghiên
cứu sensor huỳnh quang nói riêng. Nhiều tính chất lý, hoá đã được dự đoán chính
xác, cũng như được làm sáng tỏ từ quá trình tính toán.
Sự kết hợp hóa tính toán với nghiên cứu thực nghiệm là hướng nghiên cứu
hiện đại. Bởi vì, tính toán lý thuyết nhằm định hướng cho thực nghiệm về thiết kế,
tổng hợp và dự đoán đặc tính của sensor; thực nghiệm kiểm chứng, khẳng định
những kết quả tính toán, trong một số trường hợp, kết quả thực nghiệm cũng định
hướng cho tính toán trong việc nghiên cứu bản chất, cũng như giải thích rõ hơn cơ
chế phản ứng. Sự kết hợp linh hoạt này giúp giảm thiểu thời gian thực nghiệm, tiết
kiệm hóa chất và tăng khả năng thành công của nghiên cứu. Tuy nhiên, hiện vẫn
còn rất ít sensor huỳnh quang nghiên cứu theo hướng này được công bố.
Trước những thực trạng trên, chúng tôi thực hiện đề tài: "Thiết kế, tổng hợp
một số sensor huỳnh quang từ dẫn xuất của cyanine và coumarin để xác định
biothiol và Hg(II) ".
Nhiệm vụ của luận án:
- Nghiên cứu thiết kế, tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng sensor L từ dẫn xuất
của cyanine dựa trên phản ứng tạo phức và phản ứng trao đổi phức, nhằm phát hiện
các biothiol và ion Hg(II).
- Nghiên cứu thiết kế, tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng sensor AMC từ dẫn
xuất của coumarin phát hiện các biothiol, dựa trên phản ứng cộng Michael.
Những đóng góp mới của luận án:
- Sensor L mới được thiết kế từ dẫn xuất cyanine đã được công bố, phát
hiện chọn lọc ion Hg(II) dựa trên phản ứng tạo phức, hoạt động theo kiểu bật-tắt
(ON-OFF); phức chất của Hg(II) với L (Hg2L2) phát hiện chọn lọc Cys dựa trên
phản ứng trao đổi phức, hoạt động theo kiểu tắt-bật (OFF-ON). Giới phát hiện và
giới hạn định lượng ion Hg(II) bằng L tương ứng là 11,8 μg/L và 39,3 μg/L hay

0,059 μM và 0,19 μM; giới phát hiện và giới hạn định lượng Cys bằng Hg2L2
tương ứng là 0,2 μM và 0,66 μM.

3


- Sensor AMC mới được thiết kế từ dẫn xuất coumarin đã được công bố,
phát hiện chọn lọc Cys dựa trên phản ứng cộng Michael, hoạt động theo kiểu dựa
trên sự biến đổi tỷ lệ cường độ huỳnh quang ở hai bước sóng. Giới phát hiện và giới
hạn định lượng Cys được xác định tương ứng là 0,5 μM và 1,65 μM.
- Sensor L và sensor AMC được nghiên cứu bằng sự kết hợp linh hoạt
nghiên cứu tính toán hóa lượng tử với nghiên cứu thực nghiệm.
Những đóng góp mới của luận án đã được công bố tại:
- Dyes and Pigments, 2016, 131, pp. 301-306.
- Chemistry Letters, 2017, 46, pp. 135-138.
- Dyes and Pigments, 2018, 152, pp. 118-126.
- Vietnam Journal of Chemistry, International Edition, 2017, 55, pp.700-707.
- Hue Univerity Journal of Science: Natural Science, 2018, Vol.127, No. 1A,
pp. 51-59.
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

4


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
Trong hóa học phân tích, phương pháp huỳnh quang có ưu điểm hơn các
phương pháp quang học khác, đó là độ nhạy cao. Điều này là do sự phát xạ tín hiệu
huỳnh quang tỉ lệ thuận với nồng độ của chất phân tích; trong khi ở phương pháp
trắc quang nồng độ của chất tỉ lệ thuận với độ hấp thụ, mà độ hấp thụ lại liên quan
đến tỉ lệ giữa cường độ đo trước và sau khi chùm ánh sáng đi qua mẫu. Do đó, đối
với huỳnh quang, sự tăng cường độ của chùm tia tới sẽ dẫn đến sự phát ra tín hiệu
huỳnh quang mạnh, trong khi đó điều này không xảy ra ở phương pháp đo độ hấp
thụ. Các kỹ thuật đo huỳnh quang có thể xác định nồng độ nhỏ hơn một triệu lần so
với phương pháp đo độ hấp thụ. Năm 1992, Anthony W. Czarnik lần đầu tiên đưa ra
khái niệm chemodosimeter như là phân tử phi sinh học và đề xuất cách tiếp cận mới
trong lĩnh vực sensor quang học để nhận dạng chất phân tích. Ông và nnc đã trình
bày một chemodosimeter phát hiện ion Cu(II) dựa trên phản ứng mở vòng dẫn xuất
rhodamine-B [17].
Thời gian đầu, các công trình nghiên cứu về chemosensor và chemodosimeter
(gọi chung là sensor huỳnh quang) chủ yếu được thiết kế để xác định ion kim loại,
sau đó chúng được phát triển để xác định các anion. Trong thời gian gần đây, các nhà
khoa học đã thiết kế được những chemosensor và chemodosimeter để xác định các
phân tử, đặc biệt là phân tử sinh học. Đến nay, trên thế giới hầu như tuần nào cũng
có sensor huỳnh quang mới được công bố [138]. Điều này là do các sensor huỳnh
quang thường nhạy, dễ thực hiện và ít tốn kém [120] so với các phương pháp truyền
thống như phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao, phương pháp phổ khối lượng,
phương pháp sắc ký khí, phương pháp phân tích điện hóa, phương pháp quang phổ
hấp thụ phân tử - phương pháp phân tích UV-Vis, phương pháp quang phổ hấp thụ

nguyên tử (AAS) trong việc phân tích các chất.
Các nghiên cứu về sensor huỳnh quang nhằm mục đích phân tích nhiều đối
5


tượng khác nhau. Những nghiên cứu đã công bố có thể phát hiện chọn lọc các ion
kim loại như Hg(II), Cu(II), Fe(II), Fe(III), Al(III),…[63], [74], [75], [78], [82],
[120]. Một số sensor huỳnh quang có thể phát hiện các ion kim loại trong tế bào
sống như ion Fe(III) trong tế bào gan [82], ion Cu(II) trong tế bào HepG2 [63], ion
Hg(II) trong tế bào PC3 [78],… Ngoài ra, các sensor huỳnh quang còn có thể phát
hiện các anion như bisulfite [111], sulfite [47], acetate, benzoate, cyanide, fluoride
[26],…So với ion kim loại và anion, tuy việc phát triển chemosensor và
chemodosimeter ứng dụng trong phân tích phân tử, đặc biệt là phân tử sinh học bắt
đầu muộn hơn, nhưng số lượng các công trình đặc biệt tăng lên trong thời gian gần
đây, kết quả nghiên cứu về chemosensor và chemodosimete cho thấy các sensor
huỳnh quang này phát hiện nhanh, nhạy, chọn lọc các biothiol [33], [35], [45], [60],
[65], [89], [90], [93], [141], [144], [169], [177], [178],[180], [181],[185], [187].
Các công trình khoa học liên quan đến lĩnh vực chemodosimeter và
chemosensor huỳnh quang của các nhà khoa học Việt Nam công bố trên các tạp chí
quốc tế còn rất ít. 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 [73]; chemosensor phát
hiện ion F(I) và ion Cs(I) dựa trên calix[4]arene với 2,3-naphthocrown-6 và
coumarin amide [84]; chemosensor phát hiện ion Cu(II) dựa trên calix[4]arene và
coumarin [119]; chemosensor chứa vòng 1,2,3-triazole dùng để phát hiện ion Al(III)
[75]; và chemosensor phát hiện ion Hg(II) dựa trên dẫn xuất của rhodamine [121].
Tác giả Nguyễn Khoa Hiền và nnc đã thiết kế và tổng hợp chemosensor huỳnh
quang từ dẫn xuất của dimethylaminocinnamaldehyde với aminothiourea để xác

định đồng thời ion Ag(I), ion Hg(II) và ion Cu(II) [42] và chemodosimeter dựa trên
hệ liên hợp dansyl-diethylenetriamine-thiourea phát hiện chọn lọc ion Hg(II) [43],
các sensor này hoạt động theo kiểu ON-OFF; tác giả Phan Tứ Quý và nnc đã thiết
kế và tổng hợp chemosensor huỳnh quang từ dẫn xuất của rhodamine phát hiện chọn
lọc ion Hg(II) dựa trên phản ứng tạo phức và phản ứng đặc trưng của ion Hg(II) và
6


chemodosimeter từ dẫn xuất của fluorescein phát hiện chọn lọc ion Hg(II) dựa trên
phản ứng tạo phức và phản ứng đặc trưng của ion Hg(II), tất cả hoạt động kiểu tắtbật (OFF-ON) huỳnh quang theo các cơ chế khác nhau.
1.1.2. Nguyên lý hoạt động của sensor huỳnh quang
Năm 2010, tác giả Dương Tuấn Quang và Jong Seung Kim trình bày nguyên
lý hoạt động của chemosensor và chemodosimeter [120] được mô tả ở Hình 1.1.
Theo các tác giả, khi chemosensor tương tác với chất phân tích, đã xảy sự phối trí
giữa chemosensor với chất phân tích, kết quả tạo thành một cấu trúc phát tín hiệu duy
nhất (Hình 1.1a), hoặc hình thành một cấu trúc phát tín hiệu và một cấu trúc không
phát tín hiệu (Hình 1.1b). Các phản ứng này là thuận nghịch. Trong khi đó, khi
chemodosimeter tương tác với chất phân tích gây ra phản ứng không thuận nghịch,
trong đó chất phân tích liên kết cộng hóa trị với một hay nhiều nguyên tử hình thành
một cấu trúc phát tín hiệu và một cấu trúc không phát tín hiệu, các cấu trúc này khác
về mặt hóa học so với chemodosimeter ban đầu. Chất phân tích có thể liên kết với
một trong hai cấu trúc trên (Hình 1.1c và 1.1d).

Hình 1.1. Nguyên lý hoạt động chemosensor (a, b) và chemodosimeter (c, d) [120]
Các sensor huỳnh quang hoạt động theo nguyên lý trên đã 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”). Bên cạnh đó, công bố [142] gần đây cho thấy, một số
sensor huỳnh quang hoạt động theo kiểu ngược lại (hay còn gọi là kiểu “bật-tắt”
hoặc “turn off”, “ON-OFF”). Vì vậy, có thể khái niệm, sensor phân tử (gồm
chemodosimeter và chemosensor) dùng để phát hiện các chất phân tích dựa trên sự

7


thay đổi tín hiệu huỳnh quang trước và sau khi phản ứng với chất phân tích. Nếu
sensor huỳnh quang phản ứng thuận nghịch với chất phân tích được gọi là
chemosensor. Trái lại, sensor huỳnh quang phản ứng không thuận nghịch với chất
phân tích được gọi là chemodosimeter.
1.1.3. Cấu tạo của sensor huỳnh quang
Hình 1.2 trình bày cấu tạo thông thường của một sensor huỳnh quang. Theo
đó, gồm ba thành phần chính “fluorophore-spacer-receptor”. 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 [138]. Các sensor loại này thường hoạt
động theo cơ chế PET, FRET. Một ví dụ về sensor huỳnh quang có cấu tạo đầy đủ
ba thành phần (Hình 1.3), được Nguyễn Khoa Hiền và nnc báo cáo dùng để phát
hiện ion Hg(II) [43].

Hình 1.2. Cấu tạo của một sensor huỳnh quang [138]

Hình 1.3. Sensor huỳnh quang kiểu “fluorophore-spacer-receptor” [43]
Dựa trên nguyên tắc đó, các sensor huỳnh quang có thể được cấu tạo gồm
8


nhiều fluorophore hoặc nhiều receptor theo kiểu fluorophore-[spacer-receptor]n,
[fluorophore-spacer]n-receptor

hoặc

[fluorophore]n-spacer-[receptor]n…[117],

[183]. Ngoài ra, một số sensor huỳnh quang có thể chỉ được cấu tạo bởi
fluorophore-receptor [188], các sensor loại này thường hoạt động theo cơ chế ICT.
1.1.4. Nguyên tắc thiết kế các sensor huỳnh quang
Để thiết kế các sensor huỳnh quang phù hợp vào việc ứng dụng phân tích các
chất thì tính chất huỳnh quang của nó (bao gồm cả hiệu suất lượng tử huỳnh quang,
bước sóng và thời gian sống) phải thay đổi sau khi tương tác với chất phân tích. Do
đó, cần khảo sát tất cả các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất huỳnh quang. Những yếu
tố đó chủ yếu dựa trên các nguyên tắc sau (chi tiết được trình bày ở Phụ lục 1) [51],
[146], [172]: 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. Vai trò của các biothiol trong tế bào và các phương pháp phát hiện
1.2.1. Các biothiol và vai trò của chúng
Các hợp chất hữu cơ có chứa nhóm sulfhydryl hay nhóm thiol (nhóm -SH)
được gọi là các hợp chất thiol, trước đây thường gọi là mecaptan. Biothiol là các
phân tử thiol sinh học, trong đó quan trọng nhất gồm cysteine (Cys), glutathione
(GSH) và homocysteine (Hcy) (Hình 1.4). Các biothiol đóng vai trò quan trọng
trong các quá trình sinh học. Quá trình trao đổi chất và vận chuyển các hợp chất
biothiol trong các hệ thống sinh học có liên quan chặt chẽ đến một loạt các enzyme
và protein quan trọng. Sự thiếu hụt hoặc quá mức nồng độ nội sinh các biothiol dẫn
đến thay đổi các điều kiện bệnh lý khác nhau. Sự dao động này còn thể hiện trạng
thái chức năng của các enzymn tương ứng và có liên quan đến các bệnh lý [13],
[24], [75], [96], [162].
Ví dụ, Cys được xem như là một nucleophile lý tưởng trong xúc tác enzyme
cho phản ứng (oxy hóa khử) chuyển đổi thuận nghịch để duy trì giữa cấu trúc
9

protein bậc ba và bậc bốn thông qua hình thành disulfide trong điều kiện sinh lý
[114]. Sự thiếu hụt Cys có thể gây ra các bệnh lý như tăng trưởng chậm, hôn mê,
tổn thương gan, tổn thương da và phá hủy sắc tố tóc [18]; GSH đóng vai trò quan
trọng trong việc duy trì môi trường oxy hóa trong các tế bào sống [52], [122] [177].
GSH có tác dụng bảo vệ tế bào chống lại các chất bài tiết, cũng như các chất độc hại
tự nhiên như các gốc tự do và hydroperoxide. Sự suy giảm nồng độ GSH có liên
quan đến một số bệnh ở người như bệnh ung thư, thoái hóa thần kinh và bệnh tim
mạch [5]; Nồng độ Hcy trong huyết thanh cao là yếu tố dẫn đến nguy cơ cao mắc
bệnh Alzheimer, bệnh tim mạch, viêm đại tràng, dị tật bẩm sinh và bệnh suy giảm
trí nhớ ở người cao tuổi [124], [134], [147].

(b)

(a)

(c)

(H)

(C)

(N)

(S)

(O)

Hình 1.4. Hình học bền của Cys (a), Hcy (b) và GSH (c) ở mức lý thuyết
B3LYP/LanL2DZ

1.2.2. Phương pháp phát hiện các biothiol
Do tầm quan trọng của các phân tử thiol sinh học, việc nghiên cứu các
phương pháp mới để phát hiện các biothiol đã và đang được các nhà khoa học quan
tâm. Có rất nhiều phương phân tích khác nhau đã được sử dụng để phát hiện các
biothiol, chẳng hạn như sắc ký lỏng hiệu năng cao, phổ khối lượng [36], sắc ký khí

10


[14], phân tích điện hóa [44], [103] và phân tích UV-Vis [4], [57]. Ngoại trừ,
phương pháp UV-Vis sử dụng máy móc thiết bị đơn giản, rẻ tiền và dễ thực hiện,
song thường kém nhạy hơn; các phương pháp còn lại thường dùng máy móc thiết bị
hiện đại, đắt tiền và thực hiện bởi những chuyên gia được đào tạo, có kinh nghiệm.
Trong khi đó, phương pháp phân tích huỳnh quang thường sử dụng máy móc thiết
bị rẻ tiền, đơn giản, dễ thực hiện, đặc biệt có thể tầm soát các chất này trong các tế
bào sống [120].
1.3. Nguồn ô nhiễm, độc tính, phương pháp phát hiện ion Hg(II)
1.3.1. Nguồn ô nhiễm, độc tính của ion Hg(II)
Trong số các kim loại nặng độc hại, thủy ngân là mối quan tâm lớn trong
các kim loại nặng độc hại và phong phú nhất trong lớp vỏ của Trái Đất [132].
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 [6]. Ngoài ra,
thủy ngân còn phát thải vào môi trường từ các nguồn khác như hỗn hống nha
khoa, mỹ phẩm và dược phẩm [56].
Ở nồng độ mức ppb, các ion thủy ngân có thể gây ra những tác động tiêu
cực đến môi trường, động vật, thực vật và con người. Đối với con người, thủy
ngân có thể gây ra những thay đổi trong cấu trúc của ADN và gây hại cho não,

viêm nướu, viêm miệng, hệ tiêu hóa và rối loạn thần kinh, thậm chí tử vong. Nó
cũng được cho là có liên quan với sẩy thai và dị tật bẩm sinh [6].
1.3.2. Phương pháp phát hiện ion Hg (II)
Có nhiều phương pháp phát hiện ion này như phương pháp quang phổ hấp
thụ phân tử [26], phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) [32], phương
pháp von-ampe hòa tan [95],… Các phương pháp AAS, von-ampe hòa tan,…
thường nhạy, có thể phát hiện ion Hg(II) đến nồng độ ppb. Tuy nhiên, các phương
pháp này đòi hỏi thiết bị đắt tiền và các thao tác mất nhiều thời gian. Phương pháp
quang phổ hấp thụ phân tử sử dụng máy móc thiết bị đơn giản, rẻ tiền và dễ thực
11


hiện, song thường kém nhạy hơn. Để phát hiện ion Hg(II) 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 [145], hoặc động học xúc tác,… [123].
1.4. Sensor huỳnh quang phát hiện các biothiol
1.4.1. Sensor huỳnh quang phát hiện các biothiol dựa trên phản ứng tạo vòng
với các aldehyde
Phản ứng tạo vòng giữa Cys/Hcy với aldehyde tạo thành thiazolidines/
thiazinanes (Hình 1.5) đã được sử dụng để thiết kế các sensor huỳnh quang phát
hiện Cys/Hcy trong sự có mặt của GSH.

Hình 1.5. Phản ứng giữa fluorophore có chứa aldehyde với Cys/Hcy tạo
thành thiazolidines/thiazinanes [92]

1
Huỳnh quang mạnh

Huỳnh quang yếu

Hình 1.6. Sensor 1 phát hiện Cys/ Hcy dựa trên phản ứng đóng vòng
với aldehyde [108]
Năm 2004, Strongin và nnc đã thiết kế sensor 1 phát hiện chọn lọc Cys/Hcy
so với GSH (Hình 1.6). Sensor 1 được dùng để phát hiện Cys và Hcy trong huyết
tương. Khi thêm Cys vào mẫu huyết tương có chứa 1 và một lượng dư GSH, phổ
hấp thụ có sự chuyển dời đỏ từ bước sóng 480 nm về bước sóng 505 nm và giảm
cường độ huỳnh quang với sự gia tăng nồng độ Cys. Cường độ huỳnh quang của
12


huyết tương chứa sensor 1 có quan hệ tuyến tính chặt chẽ với nồng độ Hcy trong
phạm vi từ 2,9 µM đến 2,5 mM) [108].

2
Huỳnh quang yếu

Huỳnh quang mạnh

Hình 1.7. Sensor 2 và 3 phát hiện Cys/Hcy dựa trên phản ứng đóng vòng
với aldehyde [108]
Với cơ chế này, Barbas và nnc đã thiết kế sensor 2 và 3 (Hình 1.7) phát hiện
Cys và Hcy. Cys phản ứng với sensor 2 và làm tăng cường độ huỳnh quang của
dung dịch ở bước sóng 380 nm, hoạt động theo kiểu OFF-ON, phát hiện Cys ở
khoảng nồng độ từ 100 µM đến 5 mM trong sự có mặt của GSH. Ở trạng thái tự do,
sensor 3 có sự chuyển dịch điện tử nội phân tử (ICT) mạnh từ tiểu phần
phenanthroimidazole giàu electron sang tiểu phần aldehyde thiếu hụt electron, phổ
huỳnh quang có bước sóng phát xạ cực đại ở 519 nm. Khi thêm Cys/Hcy vào dung
dịch chứa sensor 3, phổ huỳnh quang của sensor 3 có bước sóng cực đại chuyển từ
519 nm về 394 nm (dịch chuyển mạnh đỉnh phát xạ phát 125 nm), hoạt động dựa
trên sự biến đổi tỷ lệ cường độ huỳnh quang. Điều này là do phản ứng giữa Cys/Hcy

với sensor 3 tạo vòng thiazolidine/thiazinane và loại bỏ nhóm -CHO, dẫn đến dập
tắt ICT. Tỷ lệ cường độ huỳnh quang (I394nm/I519nm) có quan hệ tuyến tính tốt với
nồng độ Cys từ 6 µM đến 800 µM [163].
1.4.2. Sensor huỳnh quang phát hiện các biothiol dựa trên phản ứng
cộng Michael
Phản ứng cộng Michael giữa Cys/Hcy vào acrylate hình thành thioester với
vòng dị tố S, N chứa 7 hoặc 8 nguyên tử (1,4-thiazepane) đã được sử dụng từ năm
13


1966 trong tổng hợp hữu cơ (Hình 1.8). Đến năm 2011, phản ứng này được nhóm
Strongin ứng dụng rộng rãi để phát hiện Cys/Hcy, với việc sử dụng acrylic ester của
các fluorophore phổ biến như fluorescein, hydroxylated coumarin, naphthalimide và
cyanine. Trong sự hiện diện của Cys, Hcy hoặc GSH, một thioester được hình thành
bằng phản ứng cộng vào liên hợp acrylic este. Đối với Cys và Hcy, quá trình xảy ra
tiếp sau đó là giải phóng fluorophore tự do, ngược lại với GSH thì thioester được
hình thành thường bền. Sự khác biệt giữa Cys và Hcy thường được dựa trên thời
gian của phản ứng, trong đó Cys thường giải phóng fluorophore nhanh hơn so
với Hcy [92].
n=1: nhanh
n=2: chậm

Hình 1.8. Các sensor phát hiện các biothiol dựa trên phản ứng cộng
liên hợp với acrylic ester [108]
Trên cơ sở đó, các nnc đã thiết kế các sensor 4-6 từ dẫn xuất của fluorescein
có chứa vòng spirocyclic (không màu và không phát huỳnh quang) để phát hiện Cys
(Hình 1.9). Khi bổ sung Cys vào dung dịch chứa sensor 4 hoặc 5, quá trình cộng
vào liên hợp acrylic este xảy ra, tiếp theo là sự hình thành vòng dị tố và giải phóng
fluorophore tự do. Đó là một hợp chất với cấu trúc mở vòng spirolacton, phát huỳnh
quang mạnh mẽ ở bước sóng phát quang 518 nm, bước sóng kích thích 478 nm.

Sensor 4 thể hiện sự chọn lọc đối với Cys tốt hơn so với sensor 5, điều này có thể là
do sensor 4 trải qua quá trình cộng - tách kép (có hai nhóm thioether với acrylic).
Giới hạn phát hiện của sensor 4 đối với Cys là 77 nM [53].
Sau khi sensor 6 phản ứng với Cys, dung dịch trở nên có màu hồng (bước
sóng hấp thụ cực đại 550 nm) và phát huỳnh quang mạnh mẽ (bước sóng phát xạ
621 nm), trong khi đó sự có mặt của các amino acids khác và GSH đã không gây ra
một sự thay đổi nào trong phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang. Điều này cho thấy
sensor 6 có thể sử dụng để phát hiện chọn lọc Cys [165].
14


Luận án đủ ở file: Luận án full