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

Sample
ĐẠI HỌC HUẾ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

ĐOÀN THÀNH NHÂN

THIẾT KẾ, TỔNG HỢP MỘT SỐ SENSOR HUỲNH QUANG
TỪ DẪN XUẤT CỦA CYANINE VÀ COUMARIN
ĐỂ XÁC ĐỊNH BIOTHIOL VÀ Hg(II)
Demo Version - Select.Pdf SDK

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC

Batch PDF Merger
HUẾ, NĂM 2018

ĐẠI HỌC HUẾ


Sample
ĐẠI HỌC HUẾ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

ĐOÀN THÀNH NHÂN

THIẾT KẾ, TỔNG HỢP MỘT SỐ SENSOR HUỲNH QUANG
TỪ DẪN XUẤT CỦA CYANINE VÀ COUMARIN
ĐỂ XÁC ĐỊNH BIOTHIOL VÀ Hg(II)
Chuyên ngành: Hoá lý thuyết và Hoá lý

Demo Version Mã

- Select.Pdf
SDK
số: 62.44.01.19

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1. GS. TS. DƯƠNG TUẤN QUANG
2. PGS. TS. NGUYỄN THỊ ÁI NHUNG

Batch PDF Merger
HUẾ, NĂM 2018


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
Đoàn Thành Nhân

Demo Version - Select.Pdf SDK

iii


LỜI CÁM ƠN
Với tấm lòng thành kính và biết ơn sâu sắc, tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn

đến GS.TS. Dương Tuấn Quang và PGS.TS. Nguyễn Thị Ái Nhung, những người
thầy giáo, cô giáo 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, ban lãnh
đạo Khoa Hóa học Trường Đại học Sư phạm, Phòng Đào tạo Sau Đại học Trường Đại học
Sư phạm - Đại học Huế; 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 Quỹ Phát triển Khoa học và Công nghệ Việt Nam
(Vietnam National Foundation for Science and Technology Development, Nafosted) đã hỗ
trợ kinh phí thực hiện luận án thông qua các đề tài của PGS.TS. Dương Tuấn Quang (Mã
số 104.04-2014.35) và TS. Nguyễn Khoa Hiền (Mã số 104.06-2016.32). Xin chân thành
cảm ơn Quỹ Nghiên cứu Quốc gia Hàn Quốc (National Research Foundation of Korea) đã
hỗ trợ kinh phí thực
hiện Version
luận án thông
qua chương trình
của GS.TS. Jong Seung Kim (Mã
Demo
- Select.Pdf
SDK
số 2009-0081566).
Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Trần Dương, TS. Hoàng Văn Đức, Khoa Hóa
học, Trường Đại học Sư phạm - Đại học Huế; TS. Đặng Văn Khánh, Trung Tâm Kiểm
nghiệm Thuốc - Mỹ phẩm - Thực phẩm Thừa Thiên Huế; TS. Nguyễn Khoa Hiền, Viện
Nghiên cứu Khoa học Miền Trung - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam
đã tận tình giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và thực hiện luận án.
Xin cảm ơn Lãnh đạo Sở Giáo dục và Đào tạo Kon Tum; Ban Giám hiệu trường
THPT chuyên Nguyễn Tất Thành tỉnh Kon Tum đã tạo điều kiện cho tôi trong suốt thời

gian thực hiện luận án.
Xin cảm ơn tất cả bạn bè, đồng nghiệp, những người thân trong gia đình đã động
viên, chia sẽ và giúp đỡ tôi trong những năm tháng học tập, nghiên cứu.
Tác giả
Đoàn Thành Nhân

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN..................................................................................................... i
LỜI CÁM ƠN ......................................................................................................... ii
MỤC LỤC ............................................................................................................. iii
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 .................................................................. 5
1.1. Tổng quan nghiên cứu về sensor huỳnh quang .................................................. 5
1.1.1. Tình hình nghiên cứu sensor huỳnh quang ................................................. 5
1.1.2. Nguyên lý hoạt động của sensor huỳnh quang ........................................... 7
1.1.3. Cấu tạo của sensor huỳnh quang ................................................................ 8
1.1.4. Nguyên tắc thiết kế các sensor huỳnh quang .............................................. 9
1.2. Vai trò của các biothiol trong tế bào và các phương pháp phát hiện .................. 9
1.2.1. Các
biothiol
và vai trò- của
chúng ...............................................................
9
Demo

Version
Select.Pdf
SDK
1.2.2. Phương pháp phát hiện các biothiol ......................................................... 10
1.3. Nguồn ô nhiễm, độc tính, phương pháp phát hiện ion Hg(II) .......................... 11
1.3.1. Nguồn ô nhiễm, độc tính của ion Hg(II) .................................................. 11
1.3.2. Phương pháp phát hiện ion Hg(II) ........................................................... 11
1.4. Sensor huỳnh quang phát hiện các biothiol ..................................................... 12
1.4.1. Sensor huỳnh quang phát hiện các biothiol dựa trên phản ứng tạo
vòng với các aldehyde ....................................................................................... 12
1.4.2. Sensor huỳnh quang phát hiện các biothiol dựa trên phản ứng cộng
Michael ............................................................................................................. 13
1.4.3. Sensor huỳnh quang phát hiện các biothiol dựa trên phản ứng ghép
nối peptide (Native chemical ligation, NCL) ..................................................... 15
1.4.4. Sensor huỳnh quang phát hiện các biothiol dựa trên phản ứng sắp
xếp lại nhóm thế ở nhân thơm ........................................................................... 17

iii


1.4.5. Sensor huỳnh quang phát hiện các biothiol dựa trên phản ứng
phân tách sulfonamide ester hoặc sulfonate ester bởi thiol ................................. 19
1.4.6. Sensor huỳnh quang phát hiện các biothiol dựa trên phản ứng
phân tách disulfides bởi thiol ............................................................................. 21
1.4.7. Sensor huỳnh quang phát hiện các biothiol dựa trên phản ứng
hình thành và phân hủy phức ............................................................................. 23
1.4.8. Sensor huỳnh quang phát hiện các biothiol dựa trên các cơ chế khác ....... 26
1.5. Sensor huỳnh quang phát hiện ion Hg(II)........................................................ 26
1.5.1. Sensor huỳnh quang dựa trên các phản ứng tạo phức với ion Hg(II)
bởi các phối tử -O, -N, -S ở trong vòng và mạch hở ......................................... 26

1.5.2. Sensor huỳnh quang dựa trên các phản ứng đặc trưng của ion Hg(II)....... 27
1.6. Sensor huỳnh quang phát hiện biothiol và ion Hg(II) dựa trên fluorophore
là cyanine và coumarin ...................................................................................... 28
1.6.1. Sensor huỳnh quang phát hiện biothiol và ion Hg(II) dựa trên fluorophore
là cyanine .......................................................................................................... 28
1.6.2. Sensor huỳnh quang phát hiện biothiol và ion Hg(II) dựa trên fluorophore

Demo Version - Select.Pdf SDK

là coumarin ....................................................................................................... 32
1.7. Tổng quan ứng dụng hóa học tính toán trong nghiên cứu các sensor
huỳnh quang ..................................................................................................... 36
1.7.1. Ứng dụng hóa tính toán trong nghiên cứu khoa học ................................. 36
1.7.2. Ứng dụng hóa học tính toán trong nghiên cứu cấu trúc và thuộc
tính electron của các chất .................................................................................. 36
1.7.3. Ứng dụng hóa học tính toán trong nghiên cứu các phản ứng .................... 38
CHƯƠNG 2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.......................... 39
2.1. Mục tiêu nghiên cứu ....................................................................................... 39
2.2. Nội dung nghiên cứu ...................................................................................... 39
2.3. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................ 39
2.3.1. Phương pháp nghiên cứu tính toán lý thuyết ............................................ 39
2.3.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm ..................................................... 52

iv


CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.......................................................... 57
3.1. Thiết kế, tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng sensor L từ dẫn xuất của
cyanine phát hiện các biothiol và ion Hg(II) dựa trên phản ứng tạo phức ........... 57
3.1.1. Nghiên cứu lý thuyết về thiết kế, tổng hợp và đặc trưng

của sensor L .......................................................................................................... 57
3.1.2. Nghiên cứu thực nghiệm tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng

của sensor L .......................................................................................................... 70
3.1.3. Nghiên cứu lý thuyết ứng dụng sensor L phát hiện ion Hg(II)................... 76

3.1.4. Nghiên cứu sử dụng phức Hg2L2 phát hiện các biothiol ............................ 85
KẾT LUẬN CHUNG NGHIÊN CỨU VỀ SENSOR L ......................................... 95
3.2. Thiết kế, tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng của sensor huỳnh quang AMC
từ dẫn xuất coumarin phát hiện các biothiol dựa trên phản ứng cộng Michael ........ 97

3.2.1. Nghiên cứu thiết kế, tổng hợp sensor AMC và phản ứng giữa
sensor AMC với các biothiol............................................................................. 97
3.2.2. Nghiên cứu thực nghiệm tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng
của sensor AMC ............................................................................................. 102

Demo Version - Select.Pdf SDK

3.2.3. Nghiên cứu lý thuyết về đặc tính và ứng dụng của sensor AMC ............ 109
KẾT LUẬN CHUNG NGHIÊN CỨU VỀ SENSOR AMC ................................. 130
NHỮNG 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.............................................................................................................. P1

v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
AMC

7-acryloyl-4-metylcouramin

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 phản liên kết

BZT

2-Methylbenzothiazole

BZTVPADemo
Bis{4-[(E)-2-(benzo[d]thiazol-2acrylonitrile
Version - Select.Pdf yl)vinyl]phenyl}

SDK
BODIPY

BODIPY: Boron-dipyrromethene

CBZT

3-(carboxylicmethyl)-2-methylbenzothiazolium

CR

Obitan một lõi - một tâm

DHB

4-diethylamino-2-hydroxybenzaldehyde

DFT

Density functional theory: Thuyết phiếm hàm mật độ

E(2)

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

vi


ICT

Intramolecular charge transfer: Sự chuyển điện tích nội phân tử

LE

Locally excited state: Trạng thái kích thích cục bộ

L

1-(3-(carboxylicmethyl)-2-methylbenzothiazolium)-2-(4diethylamino phennol) eten

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
PET

Nhóm nghiên cứu
Demo
Version - Select.Pdf SDK
Photoinduced electron transfer: Sự chuyển electron do cảm ứng ánh
sáng

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 phiếm 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 ............................................. 53
Bảng 3.1. Biến thiên năng lượng tự do Gibbs của các phản ứng giữa BZT với
acid bromoacetic ở mức lý thuyết B3LYP/LanL2DZ ................................ 60

Bảng 3.2. Biến thiên năng lượng tự do Gibbs của các phản ứng từ CBZT-3
thành CBZT ở mức lý thuyết B3LYP/LanL2DZ..................................... ..61
Bảng 3.3. Biến thiên năng lượng tự do Gibbs của các phản ứng giữa CBZT
với DHB ở mức lý thuyết B3LYP/LanL2DZ ............................................ 62
Bảng 3.4. Các thông số hình học của L ở mức lý thuyết B3LYP/LanL2DZ .......... 63
Bảng 3.5. Năng lượng kích thích, cường độ dao động và các MO có liên quan
đến quá trình kích thích chính của L ở mức lý thuyết B3LYP/LanL2DZ ....... 68

Bảng 3.6. Mật độ electron và Laplacian của Hg2L2 ở mức lý thuyết
B3LYP/LanL2DZ....................................................................................... 78

Bảng 3.7. Năng lượng tương tác E(2) giữa các obitan của phần tử cho và
nhận trong L và Hg2L2 ở mức lý thuyết B3LYP/LanL2DZ ....................... 80
Bảng 3.8. Năng
lượng
kích thích,
cường độ daoSDK
động và các MO có liên
Demo
Version
- Select.Pdf
quan đến quá trình kích thích chính của Hg2L2 ở mức lý thuyết
B3LYP/LanL2DZ ..................................................................................... 82
Bảng 3.9. Kết quả chuẩn độ phổ huỳnh quang xác định hằng số bền của Hg2L2 ........ 87
Bảng 3.10. Biến thiên của enthalpy và năng lượng tự do Gibbs của phản ứng tạo
thành phức giữa Hg(II) với H2Cys ở mức lý thuyết B3LYP/LanL2DZ .......... 90

Bảng 3.11. Biến thiên enthalpy và năng lượng tự do Gibbs của phản ứng
tổng hợp sensor AMC ở mức lý thuyết B3LYP/LanL2DZ ........................ 98
Bảng 3.12. Kết quả tính toán ΔH298 và ΔG298 của các phản ứng giữa AMC

với Cys, Hcy và GSH ở mức lý thuyết B3LYP/LanL2DZ ....................... 102
Bảng 3.13. Góc xoắn nhị diện giữa tiểu phần acryloyl và tiểu phần coumarine ở
trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích electron của AMC, AMC-Cys,
AMC-Hcy và AMC-GSH ở mức lý thuyết B3LYP/LanL2DZ .................... 113

viii


Bảng 3.14. Năng lượng kích thích, cường độ dao động và các MO có liên
quan đến quá trình kích thích chính của AMC ở mức lý thuyết
B3LYP/LanL2DZ .................................................................................... 116

Bảng 3.15. Năng lượng kích thích, cường độ dao động và các MO có liên
quan đến quá trình kích thích chính của AMC-Cys ở mức lý thuyết
B3LYP/LanL2.......................................................................................... 116

Bảng 3.16. Năng lượng kích thích, cường độ dao động và các MO có liên
quan đến quá trình kích thích chính của AMC-Hcy ở mức lý thuyết
B3LYP/LanL2DZ .................................................................................... 117

Bảng 3.17. Năng lượng kích thích, cường độ dao động và các MO có liên
quan đến quá trình kích thích chính của AMC-GSH ở mức lý thuyết
B3LYP/LanL2DZ ................................................................................... .118

Bảng 3.18. Năng lượng, cường độ dao động và các MO có liên quan đến quá
trình giải phóng năng lượng kích thích chủ yếu của AMC, AMC-Cys,
AMC-Hcy, AMC-GSH ở mức lý thuyết B3LYP/LanL2DZ ....................... 123

Demo Version - Select.Pdf SDK

ix


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Nguyên lý hoạt động chemosensor và chemodosimeter .......................... 7
Hình 1.2. Cấu tạo của một sensor huỳnh quang ....................................................... 8
Hình 1.3. Sensor huỳnh quang kiểu “fluorophore-spacer-receptor” ......................... 8
Hình 1.4. Hình học bền của Cys, Hcy và GSH ở mức lý thuyết B3LYP/LanL2DZ .... 10
Hình 1.5. Phản ứng giữa fluorophore có chứa aldehyde với Cys/Hcy tạo thành
thiazolidines/thiazinanes ........................................................................... 12
Hình 1.6. Sensor 1 phát hiện Cys/ Hcy dựa trên phản ứng đóng vòng với aldehyde ... 12
Hình 1.7. Sensor 2 và 3 phát hiện Cys/Hcy dựa trên phản ứng đóng vòng với
aldehyde .................................................................................................... 13
Hình 1.8. Các sensor phát hiện biothiol dựa trên phản ứng cộng liên hợp với
acrylic ester ............................................................................................... 14
Hình 1.9. Sensor 4-6 phát hiện Cys dựa trên phản ứng cộng liên hợp với
acrylic ester............................................................................................... 15
Hình 1.10. Cơ chế của quá trình Native chemical ligation ..................................... 15
Hình 1.11.Demo
Sensor 7Version
phát hiện -Cys/Hcy
dựa trên
quá trình NCL............................ 16
Select.Pdf
SDK
Hình 1.12. Cơ chế các sensor phát hiện các biothiol dựa trên phản ứng sắp
xếp lại các nhóm thế ở nhân thơm ............................................................. 17
Hình 1.13. Sensor 8-10 phát hiện các biothiol dựa trên phản ứng sắp xếp lại
các nhóm thế ở nhân thơm ........................................................................ 18
Hình 1.14. Cơ chế hoạt động của sensor huỳnh quang phát hiện các biothiol

dựa trên phản ứng phân tách sulfonamide ester hoặc sulfonate ester ......... 20
Hình 1.15. Sensor huỳnh quang 11 phát hiện các biothiol dựa trên phản ứng
phân tách sulfonate ester ........................................................................... 21
Hình 1.16. Sensor huỳnh quang 13 phát hiện các biothiol dựa trên phản ứng
phân tách sulfonamide ester ...................................................................... 21
Hình 1.17. Sự chuyển đổi thuận nghịch giữa thiol và disulfide; glutathione
và glutathione disulfide ............................................................................. 21
Hình 1.18. Sensor huỳnh quang 15 phát hiện GSH dựa trên phản ứng phân
tách disulfide ............................................................................................ 22
x


Hình 1.19. Sensor huỳnh quang 17 phát hiện tỷ lệ GSH/GSSH dựa trên
phản ứng phân tách disulfide..................................................................... 23
Hình 1.20. Sensor huỳnh quang 18 phát hiện GSH dựa trên phản ứng
tạo phức với ion Cu(II) ............................................................................. 24
Hình 1.21. Sensor huỳnh quang 19 phát hiện các biothiol dựa trên
phản ứng tạo phức với ion Cu(II) .............................................................. 25
Hình 1.22. Sensor huỳnh quang phát hiện ion Hg(II) dựa trên phản ứng
mở vòng spirolactam của rhodamine ......................................................... 27
Hình 1.23. Các dạng dẫn xuất cyanine……………………………………………..29
Hình 1.24. Các sensor phát hiện Hg2+/MeHg+ dựa trên fluorophore là cyanine,
sử dụng phản ứng desulfurization và tạo vòng guanidine
bởi xúc tác Hg2+/MeHg+……………………………………………………..29
Hình 1.25. Sensor phát hiện Hg(II) dựa trên fluorophore là cyanine,
sử dụng 3,9-dithia-6-monoazaundecane làm receptor tạo
phức với Hg(II)………………………………………………………….....30
Hình 1.26. Sensor phát hiện Hg(II) dựa trên fluorophore là cyanine,

Demo Version - Select.Pdf SDK

sử dụng phản ứng tạo phức của Hg(II) với các
nguyên tử N, O, Se.…....................................................................................30
Hình 1.27. Các sensor phát hiện biothiol dựa trên fluorophore là cyanine,
sử dụng các phản ứng phân cắt receptor bởi biothiols ............................... 31
Hình 1.28. Sensor phát hiện Hg(II) có fluorophore là dẫn xuất coumarin
và dựa trên vài trò thúc đẩy phản ứng loại bỏ nhóm bảo vệ
dithioacetals của Hg(II)……………………………………………………32
Hình 1.29. Sensor phát hiện Hg(II) có fluorophore là dẫn xuất coumarin
và dựa trên vài trò thúc đẩy phản ứng tách loại lưu huỳnh
và đóng vòng oxadiazole…………………………………………………..33
Hình 1.30. Sensor phát hiện biothiol từ dẫn xuất coumarin và dựa trên
phản ứng cộng Michael của Cys/GSH vào nối đôi C=C…………………..34
Hình 1.31. Sensor phát hiện Cys từ dẫn xuất coumarin và dựa trên phản ứng cộng
Michael của Cys vào acrylate hình thành thioester .................................... 34
xi


Hình 1.32. Sensor phát hiện biothiol từ dẫn xuất coumarin và dựa trên
phản ứng cộng Michael ……………………………………………………35
Hình 1.33. Giản đồ tính toán năng lượng hấp thụ, năng lượng phát xạ
huỳnh quang giữa trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích ...................... 37
Hình 2.1. Các quá trình giải phóng năng lượng kích thích ..................................... 49
Hình 2.2. Quá trình chuyển đổi bức xạ và không bức xạ giữa các trạng
thái electron .............................................................................................. 50
Hình 2.3. Sơ đồ các phản ứng tổng hợp sensor L .................................................. 55
Hình 2.4. Sơ đồ tổng hợp sensor AMC ................................................................. 56
Hình 3.1. Sơ đồ thiết kế và tổng hợp sensor L....................................................... 58
Hình 3.2. Các sản phẩm có thể có từ phản ứng giữa BZT với acid bromoacetic ....... 59
Hình 3.3. Các phản ứng hình thành CBZT từ CBZT-3 ......................................... 59

Hình 3.4. Hình học bền của BZT và các sản phẩm phản ứng với
acid bromacetic ở mức lý thuyết B3LYP/LanL2DZ .................................. 60
Hình 3.5. Các sản phẩm phản ứng có thể hình thành giữa CBZT với DHB .......... 61
Hình 3.6. Hình học bền của DHB và các sản phẩm phản ứng của DHB

Demo Version - Select.Pdf SDK

với CBZT ở mức lý thuyết B3LYP/LanL2DZ .......................................... 62
Hình 3.7. Phổ UV-Vis của L trong pha khí ở mức lý thuyết B3LYP/LanL2DZ ........ 66
Hình 3.8. Các MO biên của L ở mức lý thuyết B3LYP/LanL2DZ ........................ 69
Hình 3.9. Giản đồ năng lượng các MO biên của L ................................................ 70
Hình 3.10. Phổ hấp thụ UV-Vis và phổ huỳnh quang của L .................................. 71
Hình 3.11. Phổ chuẩn độ UV-Vis và phổ huỳnh quang của L bởi ion Hg(II)......... 72
Hình 3.12. Đồ thị xác định quan hệ tỷ lượng phản ứng giữa ion Hg(II) với L ........... 73
Hình 3.13. Phổ UV-Vis và phổ huỳnh quang của L trong sự hiện diện
của các ion kim loại .................................................................................. 73
Hình 3.14. Biến thiên mật độ quang và biến thiên cường độ huỳnh quang
theo nồng độ ion Hg(II) ............................................................................ 75
Hình 3.15. Đồ thị xác định LOD và LOQ ion Hg(II) bằng sensor L ...................... 76
Hình 3.16. Hình học bền của phức Hg2L2 ở mức lý thuyết B3LYP/LanL2DZ ........... 77

xii


Hình 3.17. Hình học topo của Hg2L2 tại các điểm tới hạn liên kết và
điểm tới hạn vòng ......................................................................................... 78
Hình 3.18. Phổ UV-Vis của Hg2L2 trong pha khí ở mức lý thuyết
B3LYP/LanL2DZ ..................................................................................... 82
Hình 3.19. Các MO biên của Hg2L2 ...................................................................... 83
Hình 3.20. Giản đồ năng lượng các MO biên của L và Hg2L2 ............................... 85

Hình 3.21. Đồ thị biểu diễn mối liên hiện giữa nồng độ của ion kim loại
thêm vào dung dịch (x) với y=F/F0............................................................ 88
Hình 3.22. Các cấu trúc hình học bền của H2Cys và phức chất có thể có
của nó với ion Hg(II) ở mức lý thuyết B3LYP/LanL2DZ .............................. 89

Hình 3.23. Các phản ứng để tạo thành các phức giữa H2Cys với ion Hg(II) .......... 89
Hình 3.24. Phổ chuẩn độ UV-Vis và phổ huỳnh quang của dung dịch Hg2L2 ........ 90
Hình 3.25. (a) Phổ huỳnh quang của Hg2L2 trong sự hiện diện của các amino
acids khác nhau; (b) Cường độ huỳnh quang của Hg2L2 với các nồng độ
khác nhau của Cys, Hcy, GSH và các amino acids không có nhóm thiol ... 92
Hình 3.26. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa cường độ huỳnh quang

Demo Version - Select.Pdf SDK

dung dịch Hg2L2 với Cys .......................................................................... 93
Hình 3.27. Đồ thị xác định LOD và LOQ Cys bằng Hg2L2 ................................... 93
Hình 3.28. Cường độ huỳnh quang dung dịch L khi thêm luân phiên 1
đương lượng ion Hg(II) và Cys trong 10 vòng .......................................... 94
Hình 3.29. Sơ đồ thiết kế và tổng hợp sensor AMC .............................................. 97
Hình 3.30. Hình học bền của các chất tham gia và các sản phẩm của
phản ứng tổng hợp sensor AMC ở mức lý thuyết B3LYP/LanL2DZ ........ 98
Hình 3.31. Các sản phẩm có thể có của phản ứng giữa AMC
với Cys, Hcy, GSH ................................................................................. 100
Hình 3.32. Hình học bền của các chất tạo thành giữa AMC với Cys, Hcy, GSH
ở mức lý thuyết B3LYP/LanL2DZ.......................................................... 101
Hình 3.33. Phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang của sensor AMC............................ 103

xiii

Hình 3.34. (a) Mối quan hệ giữa tỷ lệ cường độ huỳnh quang của AMC
ở hai bước sóng 450 và 375 nm với nồng độ Cys; (b) Đồ thị
xác định hệ số tỉ lượng của phản ứng giữa AMC với Cys ....................... 104
Hình 3.35. Phổ khối của AMC-Cys .................................................................... 105
Hình 3.36. Sơ đồ phản ứng giữa AMC với Cys .................................................. 105
Hình 3.37. Mối quan hệ giữa tỷ lệ cường độ huỳnh quang (F450/375) của
dung dịch AMC với nồng độ Cys, Hcy và GSH....................................... 106
Hình 3.38. Phổ chuẩn độ huỳnh quang của AMC. .............................................. 107
Hình 3.39. Đồ thị xác định LOD và LOQ Cys bằng AMC .................................. 108
Hình 3.40. Hình học tối ưu ở trạng thái cơ bản (RGS) và trạng thái kích thích
electron S1 và S2 của AMC ở mức lý thuyết B3LYP/LanL2DZ ............. 109
Hình 3.41. Hình học tối ưu ở trạng thái cơ bản (RGS) và trạng thái kích thích
electron S1 và S2 của AMC-Cys ở mức lý thuyết B3LYP/LanL2DZ ....... 110
Hình 3.42. Hình học tối ưu ở trạng thái cơ bản (RGS) và trạng thái kích thích
electron S1 và S2 của AMC-Hcy ở mức lý thuyết B3LYP/LanL2DZ....... 111
Hình 3.43. Hình học tối ưu ở trạng thái cơ bản (RGS) và trạng thái kích thích

Demo Version - Select.Pdf SDK

electron S1 và S2 của AMC-GSH ở mức lý thuyết B3LYP/LanL2DZ ..... 112
Hình 3.44. Các MO biên của AMC ở mức lý thuyết B3LYP/LanL2DZ .............. 119
Hình 3.45. Các MO biên của AMC-Cys ở mức lý thuyết B3LYP/LanL2DZ ...... 120
Hình 3.46. Các MO biên của AMC-Hcy ở mức lý thuyết B3LYP/LanL2DZ ...... 121
Hình 3.47. Các MO biên của AMC-GSH ở mức lý thuyết B3LYP/LanL2DZ ..... 122
Hình 3.48. Giản đồ năng lượng của quá trình kích thích và giải phóng năng
lượng kích thích tại hình học bền ở trạng thái cơ bản và trạng thái kích
thích electron ở mức lý thuyết B3LYP/LanL2DZ ................................... 124
Hình 3.49. Các đặc tính chuyển đổi chính (năng lượng bước sóng, cường độ
dao động và MOs biên) của quá trình kích thích và giải phóng năng
lượng kích thích tại hình học bền ở trạng thái cơ bản và trạng thái kích

thích electron ở mức lý thuyết B3LYP/LanL2DZ ................................... 125

xiv


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
phápVersion
sắc ký khí -(GC),
phương pháp
phân tích điện hóa, phương pháp
Demo
Select.Pdf
SDK
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,

Demo Version - Select.Pdf SDK

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:

Demo Version - Select.Pdf SDK

- 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

Demo Version - Select.Pdf SDK

- 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