Xem mẫu
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
nguon tai.lieu . vn
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