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

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

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

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

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 (Hg2L 2)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 Hg2L 2

tương ứng là 0,2 μM và 0,66 μM

- 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

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

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

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 tắt-bật (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

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

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

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]

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

(c)

[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

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]

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

Huỳnh quang yếu Huỳnh quang mạnh

1

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]

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

2

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]

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]

n=1: nhanh n=2: chậm

Hình 1.9 Sensor 4-6 phát hiện Cys dựa trên phản ứng cộng liên hợp

với acrylic ester [53], [165]

1.4.3 Sensor huỳnh quang phát hiện các biothiol dựa trên phản ứng ghép nối peptide (Native chemical ligation, NCL)

Hình 1.10 Cơ chế của quá trình Native chemical ligation [92]

6

λ abs =478 nm λ em =515 nm

λ abs =550 nm λ em =621 nm

Không màu và không phát huỳnh quang

Không màu và không phát huỳnh quang

Sự trao đổi giữa các dạng thioester

Chuyển đổi N→S acyl nội phân tử

hoặc

Trong phương pháp này (Hình 1.10), nhóm thiol (-SH) và cặp electron không

liên kết trên nguyên tử N trong tiểu phần cystein ở phần cuối của peptide B không

được bảo vệ, tấn công vào nguyên tử C ở nối đôi trong tiểu phần thioester ở phần

cuối của peptide A không được bảo vệ, dẫn đến tạo thành một thioester trung gian

C Tiếp đến, thioester trung gian C trải qua quá trình chuyển đổi N→S acyl nội phân tử để tạo nên sản phẩm D với việc hình thành một liên kết peptide [92]

Dựa trên cơ chế này, sensor huỳnh quang 7 hoạt động dựa trên sự biến đổi tỷ

lệ cường độ huỳnh quang ở hai bước sóng đã được thiết kế với fluorophore là sự kết hợp giữa coumarin và benzopyrylium (Hình 1.11) Trong đó, nhóm phenyl thioester

là nhóm phản ứng với Cys/Hcy do phản ứng NCL của nó nhanh hơn nhiều so với nhóm alkyl thioester

Hình 1.11 Sensor 7 phát hiện Cys/ Hcy dựa trên quá trình NCL [27]

Khi bổ sung Cys vào dung dịch 7 trong ethanol/phosphate (40/60, v/v, pH= 7,4), dải hấp thụ ban đầu của sensor 7 tự do tại bước sóng 669 nm dần dần giảm,

đồng thời xuất hiện và gia tăng một dải hấp hấp thụ mới ở bước sóng 423 nm Màu của dung dịch đổi dần từ màu xanh đậm đến màu vàng-xanh lá cây, cho phép sử dụng để phát hiện Cys bằng mắt thường Trong khi đó ở phổ huỳnh quang, dải phát

Dạng hở, λ em=694 nm

Dạng hở, λ em=694 nm Spirolactam λ em=474 nm

7

xạ ở bước sóng 694 nm giảm dần, đồng thời xuất hiện và tăng dần một dải phát xạ mới ở bước sóng 474 nm (ứng với đỉnh phát xạ của coumarin) Khoảng cách hai

đỉnh phát xạ lên đến 220 nm, thuận lợi trong sử dụng 7 như là một sensor hoạt động

dựa trên sự biến đổi tỉ lệ phát xạ huỳnh quang để phát hiện Cys/Hcy GSH chỉ gây

ra sự trao đổi thiol-thioester, dẫn đến không có sự thay đổi trong phổ huỳnh quang

Sự có mặt của các amino acids và ion kim loại hầu như không làm thay đổi

đến phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang của dung dịch 7 Kết quả, sensor 7 đã được sử

dụng như một sensor huỳnh quang hoạt động dựa trên sự biến đổi tỷ lệ cường độ huỳnh quang dùng để phát hiện Cys/Hcy ở tế bào HepG2 trong cơ thể sống [27]

1.4.4 Sensor huỳnh quang phát hiện các biothiol dựa trên phản ứng sắp xếp lại nhóm thế ở nhân thơm

Phản ứng sắp xếp lại nhóm thế ở nhân thơm đã được nghiên cứu như là một chiến lược trong thiết kế các sensor huỳnh quang dùng để phát hiện chọn lọc Cys/Hcy trong sự có mặt của GSH Ở cơ chế này, chất huỳnh quang chứa một nhóm thế không ổn định (Leaving group, LG) phản ứng với thiol (Cys/Hcy) để tạo ra một thioether theo cơ chế thế nucleophilic vào nhân thơm (SNAr) Tiếp đến, các nhóm amino và thioether của Cys/Hcy xảy ra quá trình chuyển đổi để hình thành dẫn xuất amine, thông qua một trạng thái chuyển tiếp với vòng 5 hoặc 6 nguyên tử Sự khác biệt tính chất quang lý giữa chất phát quang ban đầu, sản phẩm thiother thế, amino thế, cho phép phát hiện có chọn lọc GSH, Cys và Hcy (Hình 1.12)

Hình 1.12 Cơ chế các sensor phát hiện các biothiol dựa trên phản ứng sắp

xếp lại các nhóm thế ở nhân thơm [92]

n=1: nhanh n=2: chậm LG: nhóm thế không ổn định

Theo cơ chế này, các sensor 8-10 (Hình 1.13) đã được thiết kế dựa trên

fluorophore là chất huỳnh quang boron-dipyrromethene (BODIPY)

Hình 1.13 Sensor 8-10 phát hiện các biothiol dựa trên phản ứng sắp xếp lại

(a) Sensor phát hiện chọn lọc GSH trong sự có mặt của Cys/Hcy

(b) Sensor phát hiện riêng biệt GSH, Cys và Hcy

(c) Sensor phát hiện đồng thời GSH, Cys và Hcy

Cys: nhanh Hcy: chậm

nhanh

Khi ở trạng thái tự do, trong dung dịch acetonitrile/HEPES (5/95, v/v, pH=

7,4), phổ huỳnh quang của sensor 8 phát xạ cực đại ở bước sóng 556 nm Sensor 8 phản ứng với GSH tạo ra thioether 8-S phát xạ mạnh mẽ ở bước sóng cực đại là 588

nm Tỷ lệ cường độ huỳnh quang tại các bước sóng phát xạ cực đại của 8-S và sensor 8 (I588nm/I556nm) có quan hệ tuyến tính chặt chẽ với nồng độ GSH (0 µM -60

µM) Sensor 8 có thể phát hiện định lượng GSH với giới hạn phát hiện là 0,086 µM Ngược lại, sensor 8 phản ứng với Cys/Hcy tạo ra một amine 8-N với huỳnh quang

hầu như không đáng kể ở bước sóng 564 nm Điều này cho phép nó được sử dụng

để xác định GSH trong sự có mặt của Cys/Hcy trong tế bào sống [93]

Các sensor 9a và 9b được thiết kế dựa trên việc thay thế nhóm thế Cl của sensor 8 bằng nitrophenol hoặc nitrothiophenol Quá trình này dẫn đến dập tắt

huỳnh quang của lõi BODIPY thông qua quá trình PET Các sensor này phản ứng với Cys/Hcy để hình thành các dẫn xuất amine phát huỳnh quang mạnh mẽ ở bước sóng 564 nm Trong đó, phản ứng với Hcy mất nhiều thời gian hơn so với Cys Khác với Cys/Hcy, GSH phản ứng và thay thế nhóm nitrophenol, hoặc nitrothiophenol của sensor, hình thành sản phẩm thế phát huỳnh quang mạnh mẽ ở

bước sóng 588 nm Các kết quả này cho thấy có thể sử dụng các sensor 9a và 9b

phát hiện riêng biệt GSH, Cys và Hcy [94]

Sensor 10 được thiết kế bằng cách gắn một nhóm rút electron imidazolium

vào lõi BODIPY để tăng khả năng phản ứng thế nucleophilic ở vòng thơm Nhờ đó,

phản ứng giữa sensor 10 với Cys và Hcy lần lượt xảy ra chỉ trong vòng 5 giây và 2

phút, phát huỳnh quang mạnh với cường độ ổn định ở bước sóng 530 nm (bước sóng kích thích 443 nm) Trong khi đó, GSH phản ứng và thay thế cả nhóm

imidazolium và nhóm nitrophenol/nitrothiophenol của sensor 10, hình thành sản

phẩm dithioether phát huỳnh quang mạnh ở bước sóng 588 nm (bước sóng kích

thích 568 nm) Sensor 10 có thể sử dụng để phát hiện đồng thời GSH, Cys và Hcy

bằng cách sử dụng các bước sóng kích thích khác nhau tương ứng là 568 nm

và 443 nm [94]

1.4.5 Sensor huỳnh quang phát hiện các biothiol dựa trên phản ứng phân tách sulfonamide ester hoặc sulfonate ester bởi thiol

Các phản ứng phân tách sulfonamide hoặc sulfonate ester bởi thiol (Hình 1.14) cũng được sử dụng như là một chiến lược quan trọng trong thiết kế các sensor huỳnh quang phát hiện các biothiol [12], [58], [64], [99], [100], [135] Đối với các sensor này, thông thường ban đầu khi ở dạng sulfonamide hoặc sulfonate ester thường không màu, không phát huỳnh quang Quá trình phân tách chúng bởi thiol

sẽ tạo ra các hợp chất màu và phát huỳnh quang mạnh mẽ

Hình 1.14 Cơ chế hoạt động của sensor huỳnh quang phát hiện các biothiol dựa

trên phản ứng phân tách sulfonamide hoặc sulfonate ester

Hình 1.15 trình bày sensor 11 đã được thiết kế dựa trên phản ứng phân tách

sulfonate ester bởi thiol Ở trạng thái tự do trong dung dịch đệm HEPES (10 mM,

pH=7,4), sensor 11a và 11b hầu như không phát huỳnh quang, với hiệu suất lượng

tử huỳnh quang xác định được lần lượt là 0,0007 và 0,0003 (so với 0,85 của chất

chuẩn là X trong NaOH 0,1M) Phản ứng giữa sensor 11a và 11b với GSH, Cys hình thành X xảy ra khá nhanh, khoảng 10 phút X phát xạ huỳnh quang mạnh mẽ ở

bước sóng 560 nm, bước sóng kích thích 460nm Hiệu suất lượng tử huỳnh quang

của các chất Xa, Xb (a: R=H, b: R= CH 3 ) là khá lớn, lần lượt là 0,75 và 0,58 Giới hạn phát hiện GSH, Cys bởi sensor 11 đã được xác định, lần lượt là 2 pM và 2 pM [99]

Sensor huỳnh quang 13 được thiết kế dựa trên phản ứng phân tách

sulfonamide dùng để phát hiện các biothiol (Hình 1.16) Ở trạng thái tự do trong

dung dịch methanol/nước (4/1, v/v), sensor 13 hầu như không phát huỳnh quang Cys phản ứng khá nhanh (5 phút) với 13 và giải phóng 14 là một chất phát huỳnh quang mạnh ở bước sóng 562 nm (bước sóng kích thích 441 nm) Sensor 13 đã

được nghiên cứu sử dụng để phát hiện Cys trong tế bào sống [58]

Hình 1.15 Sensor huỳnh quang 11 phát hiện các biothiol dựa trên phản ứng

phân tách sulfonate ester [99]

Hình 1.16 Sensor huỳnh quang 13 phát hiện các biothiol dựa trên phản ứng

quan trọng trong các quá trình sinh, hóa ở cơ thể sống Liên kết disulfide có trong protein chủ yếu ở không gian bên ngoài tế bào; còn bên trong các tế bào, hiếm khi tìm thấy các liên kết disulfide, điều này là do chúng dễ bị phân tách bởi các thiol tự

do phong phú ở bên trong tế bào Hình 1.17 mô tả quá trình oxy hóa GSH tạo thành glutathione disulfide (GSSG) Ngược lại, GSSG có thể bị khử trở lại GSH với sự có mặt của enzyme, điều này giúp duy trì cân bằng thế oxy hóa khử trong tế bào, rất cần thiết cho sự phát triển và chức năng của tế bào [104]

Từ phản ứng phân tách disulfide bởi thiol trong thực tế, nhiều sensor huỳnh quang đã được thiết kế để phát hiện các biothiol Năm 2010, Xiaoqing Zhuang và

nhóm nghiên cứu đã thiết kế một sensor 15 (Hình 1.18) dựa trên dẫn xuất của

naphthalimide có chứa nhóm chức disulfide, có thể phát hiện định lượng GSH ở mức nồng độ sinh lý và đã áp dụng thành công trong sử dụng hình ảnh để phát hiện thiol trong tế bào sống HeLa

Hình 1.18 Sensor huỳnh quang 15 phát hiện GSH dựa trên phản ứng phân tách

disulfide [8]

Ở trạng thái tự do, dung dịch 15 trong ethanol/nước (1/9, v/v), đệm PBS (20

mM, pH= 7,4), phổ phát xạ huỳnh quang đạt cực đại ở bước sóng 485 nm (bước

sóng kích thích 400 nm) Khi tăng dần nồng độ GSH vào dung dịch 15, trong phổ

huỳnh quang thu được có đỉnh phát xạ ở bước sóng 485 nm dần dần biến mất, thay vào đó xuất hiện một đỉnh phát xạ mới ở bước sóng 533 nm và tăng dần theo nồng

độ GSH Tỷ lệ cường độ huỳnh quang I533nm/I485nm quan hệ tuyến tính chặt chẽ với

nồng độ GSH trong khoảng nồng độ 0,5 mM đến 10 mM Sensor 15 có thể phát

hiện chọn lọc GSH trong sự hiện diện của chất khử sinh lý quan trọng là acid ascorbic (Vc) và các amino acids khác không chứa nhóm thiol bao gồm: arginine

15

16

(Arg), alanine (Ala), tyrosine (tyr), lysine (Lys), histidine (His), aspartic (asp), valine (val), leucine (Leu), tryptophane (Try), methionine (Met), proline (pro), phenylalanine (Phe), serine (ser), threonine (Thr), glutamic (Glu) và glycine (glyly) [8]

Murthy và nnc đã báo cáo sensor huỳnh quang 17 (Hình 1.19) dựa trên dẫn

xuất của coumarin, có thể xác định được cân bằng thiol-disulfide trong nội bào Ở

trạng thái khử, sensor 17 chứa hệ thống liên hợp π mở rộng với thiolate, có phổ hấp thụ cực đại ở bước sóng 448 nm Sản phẩm phản ứng của 17 với thiol là 17-SR, có phổ hấp thụ cực đại ở bước sóng 380 nm Do đó, tỷ lệ nồng độ giữa 17 với 17-SR

có thể được ước lượng từ tỷ lệ phát xạ huỳnh quang ở 490 nm với 2 bước sóng kích thích tương ứng là 448 và 372 nm (Fex448/Fex380) Dạng khử thiolate (17) có tỷ lệ

phát xạ (Fex448/Fex380) bằng 5, trong khi đó đối với dạng oxy hoá disulfide (17-SR) tỷ

lệ này chỉ có 0,5 Sự thay đổi tỷ lệ huỳnh quang như trên của sensor 17 đã được áp

dụng để đo lường “trạng thái oxy hóa động” của toàn bộ tế bào [71]

Hình 1.19 Sensor huỳnh quang 17 phát hiện tỷ lệ GSH/GSSH dựa trên phản ứng

Thiolate-hệ thống liên hợp π được mở rộng Disulfide -hệ thống liên hợp π bị giảm

Sự trao đổi thiol-disulfide trong nội bào

17

λ max =380 nm

quá trình tạo phức là có thể đảo ngược, vì vậy có thể sử dụng sensor lặp lại trong nhiều chu kỳ

Năm 2015, Juyoung Yoon và nnc đã công bố sensor 18 dựa trên dẫn xuất của

bis-pyrene, trong đó hai hydroxypyrenes được nối với nhau thông qua mối liên kết 2,2'-oxydiethanamino (Hình 1.20)

Hình 1.20 Sensor huỳnh quang 18 phát hiện GSH dựa trên phản ứng tạo

phức với ion Cu(II)[174]

Trong dung dịch HEPES/DMSO (95/5, v/v, 10 mM, pH= 7,4), sensor 18

phát huỳnh quang mạnh ở bước sóng cực đại 450 nm, với bước sóng kích thích 355

nm Sensor 18 phản ứng tạo phức với Cu(II) theo tỷ lệ mol 1:1 và dẫn đến dập tắt

gần như hoàn toàn huỳnh quang, trong khi đó các ion kim loại khác hầu như không

làm thay đổi tín hiệu huỳnh quang của dung dịch 18, bao gồm ion Li(I), Na(I), K(I),

Cs(I), Ag(I), Ca(II), Mg(II), Mn(II), Al(III), Fe(II), Fe(III), Cr(III), Cd(II), Sr(II), Pb(II) Ngoại trừ ion Hg(II) có làm thay đổi khoảng 50% cường độ huỳnh quang

của dung dịch 18 GSH, Cys, Hcy phản ứng với phức 18-Cu(II) và làm phục hồi cường độ huỳnh quang trở lại như ban đầu của dung dịch sensor 18 tự do Trong khi

đó các amino acids và các protein khác hầu như không làm thay đổi tín hiệu huỳnh

quang của dung dịch 18-Cu(II), bao gồm Ala, Arg, Gln, Glu, Gly, Lys, Met, Phe,

Ser, Tyr, Thr, Val, Leu, Ile, Pro, Trp, Asp, Asn, HSA, Insulin, Lactoferrin,

Lysozyme Sự phục hồi huỳnh quang được cho là do sự dịch chuyển phối tử (sensor 18) từ phức 18-Cu(II) sang hình thành phức mới với các biothiol Phương pháp này

có thể phát hiện định lượng GSH trong khoảng nồng độ từ 0 µM đến 8 µM, với giới

hạn phát hiện ở mức 0,16 µM Phương pháp này đã được ứng dụng để phát hiện GSH nội sinh trong tế bào và các mô sống, với nhiều ưu điểm như ít gây tổn thương, giảm thiểu ảnh hưởng huỳnh quang nền và khả năng phát hiện hình ảnh các

mô sâu [174]

Năm 2016, Zhiqiang Zhang và nnc đã báo cáo một sensor huỳnh quang,

2-hydroxy-1-naphthaldehyde azine (19), được thiết kế và tổng hợp để phát hiện cả ion

Cu(II) và các biothiol dựa trên cơ chế phản ứng trao đổi phức (Hình 1.21)

Hình 1.21 Sensor huỳnh quang 19 phát hiện các biothiol dựa trên phản ứng

tạo phức với ion Cu(II) [59]

Sensor 19 phản ứng tạo phức với ion Cu(II) theo tỷ lệ mol 1:1, đi kèm với việc dập tắt hoàn toàn huỳnh quang của dung dịch 19 trong DMF/EPES (20 mM, pH=7,4, 3/7, v/v) Sự thay đổi tín hiệu huỳnh quang của dung dịch 19 ở bước sóng

phát xạ cực đại 513 nm quan hệ tuyến tính chặt chẽ với nồng độ ion Cu(II) trong khoảng 0 µM đến 35 µM Giới hạn phát hiện ion Cu(II) là 15 nM Các ion kim loại khác bao gồm Fe(III), Hg(II), Cd(II), Pb(II), Zn(II), Ni(II), Co(II), Mn(II), Cr(III), Ag(I), Ca(II), Mg(II), Ba(II), Li(I), K(I), Na(I), không ảnh hưởng đến việc xác định

ion Cu(II) bởi 19 Phức 19-Cu(II) phản ứng với các biothiol, bao gồm Hcy, Cys và

GSH, dựa trên phương pháp trao đổi phức, tạo ra sự phục hồi nhanh chóng của phổ

huỳnh quang và phổ UV-Vis Kết quả khảo sát cho thấy, phức 19-Cu(II) có thể sử

dụng như là một sensor huỳnh quang theo kiểu OFF-ON để phát hiện chọn lọc các biothiol trong sự hiện diện của các amino acids bao gồm Leu, Ala, Arg, Asn, Asp, Gln, Glu, Gly, His, Leu, Lys, Met, Phe, Pro, Ser, Thr, Try and Val Giới hạn phát

hiện của phức 19-Cu(II) đối với Hcy, Cys và GSH lần lượt là 1,5 μM, 1,0 μM và 0,8

19 19-Cu 2+

μM, điều này cho thấy 19-Cu(II) đủ nhạy để xác định thiol trong các hệ thống sinh học Khả năng sử dụng 19-Cu(II) để phát hiện các biothiol trong tế bào ung thư phổi

ở người A549 đã được kiểm chức bằng phương pháp phân tích hình ảnh hiển vi huỳnh quang [59]

1.4.8 Sensor huỳnh quang phát hiện các biothiol dựa trên các cơ chế khác

Ngoài các chiến lược đã trình bày, một số ít sensor huỳnh quang dùng để phát hiện các biothiol đã được thiết kế dựa trên các cơ chế khác như như liên kết hydrogen, tương tác tĩnh điện, [66], [106], [107], [116], [164], [168], [175], [176]

1.5 Sensor huỳnh quang phát hiện ion Hg(II)

Để thiết kế các sensor huỳnh quang phát hiện chọn lọc ion Hg(II), các phản ứng đặc trưng của nó đã được nghiên cứu sử dụng, nhất là các phản ứng mà sự hiện diện của các ion kim loại khác không xảy ra

1.5.1 Sensor huỳnh quang dựa trên các phản ứng tạo phức với ion Hg(II) bởi các phối tử -N, -S, -O trong vòng và mạch hở

Ion Hg(II) có khả năng tạo phức mạnh với nhiều phối tử, đặc biệt là với O,

-S và -N, nên các hợp chất vòng chứa các nguyên tố này đã được ứng dụng để thiết

kế các sensor huỳnh quang phát hiện ion Hg(II) Nhiều sensor huỳnh quang phân tích ion Hg(II) đã được công bố [49], [72], [98] dựa trên các phản ứng tạo phức

giữa ion Hg(II) và các phối tử -N, -S, -O trong vòng và mạch hở

Cũng có nhiều công trình công bố về các sensor huỳnh quang phát hiện ion Hg(II) dựa trên phản ứng mở vòng spirolactam của rhodamine Sự mở vòng spirolactam của rhodamine là do ion Hg(II) tạo phức với các phối tử -N và -O, tuy nhiên sự thay đổi huỳnh quang của các sensor này xảy ra với cơ chế đặc biệt Điều này là do rhodamine có hệ số hấp thụ phân tử và hiệu suất lượng tử huỳnh quang lớn, phát xạ huỳnh quang trong vùng khả kiến Dẫn xuất rhodamine kiểu vòng spirolactam không màu và không phát huỳnh quang, trong khi đó dẫn xuất mở vòng spirolactam có màu hồng và phát huỳnh quang mạnh mẽ Để thúc đẩy phản ứng mở vòng spirolactam, các nhóm thế có ái lực mạnh với ion Hg (II) như -N, -O, và -S đã được gắn vào vị trí R1 của các dẫn xuất rhodamine (Hình 1.22a) Sensor huỳnh

quang 20, 21 phát hiện ion Hg(II) theo cơ chế này được trình bày ở Hình 1.22b

O NH

O

N NH

NH 2

47

(b)

O N

O N N HO

48

Fluorescence-ON

Hình 1.22 Sensor huỳnh quang phát hiện ion Hg(II) dựa trên phản ứng mở vòng

spirolactam của rhodamine [25], [80]

Ngoài những sensor huỳnh quang nói trên, những công bố gần đây về các sensor huỳnh quang phát hiện ion Hg(II) dựa trên tạo phức với các phối tử -N, -O

và -S ở mạch hở cho thấy, giới hạn phát hiện của các sensor ngày một được cải thiện Tuy đa số các sensor kiểu này đã công bố có giới hạn phát hiện ion Hg(II) ở mức nồng độ trên 100 ppb [98], [101], [152], [153], [173], song đã có một số sensor công bố phát hiện được ở mức nồng độ dưới 10 ppb [49], [50], [118], [128] Tuy nhiên, điểm hạn chế của các sensor này là phải sử dụng một lượng lớn các dung môi hữu cơ [49], [50], [98], [101], [102], [118], [152], [153], [173]

1.5.2 Sensor huỳnh quang dựa trên các phản ứng đặc trưng của ion Hg(II)

Ion Hg(II) có ái lực mạnh với lưu huỳnh và oxi nên các công trình nghiên cứu đã thiết kế các sensor dựa trên các fluorophore chứa lưu huỳnh hoặc oxi Dưới tác dụng của ion Hg(II) đã gây ra các phản ứng đặc trưng 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

Theo các tài liệu thu thập được, đến nay có nhiều sensor huỳnh quang phát hiện ion Hg(II) dựa trên các fluorophore là naphthamide, coumarin, benzothiadiazole, Nile Blue và tricarbocyanine, hoạt động theo phản ứng dẫn xuất thiourea với amin tạo thành guanidine khi có mặt ion Hg(II) đã được công bố [38],

[83], [85], [86], [91], [97], [136], [143], [161], [190] Tùy thuộc vào việc sử dụng fluorophore, các sensor huỳnh quang được thiết kế theo kiểu này, dưới tác dụng của ion Hg(II) đã thúc đẩy quá trình tách loại lưu huỳnh và đóng vòng guanidine, dẫn đến có sự thay đổi màu huỳnh quang hoặc quá trình tách loại lưu huỳnh và đóng vòng guanidine đã làm xuất hiện quá trình PET từ tiểu phần aniline đến fluorophore, dẫn đến dập tắt huỳnh quang hoặc sự tách loại lưu huỳnh và đóng vòng guanidine đã làm giảm khả năng cho electron của các nhóm -NH trong tiểu phần thiourea, đồng thời tăng khả năng cho electron của các nhóm amin trong tiểu phần benzoindole, tạo nên sự gia tăng mức độ liên hợp hệ thống electron π, kết quả các sensor này hoạt động theo kiểu OFF-ON Sự hiện diện các ion kim loại khác, bao gồm Co(II), Cu(II), Ni(II), Pb(II), Zn(II), Cd(II), Mn(II), Sn(II), Ca(II), K(I), Na(I), Mg(II), Fe(III), không làm thay đổi đáng kể tín hiệu huỳnh quang dung dịch của các sensor trên Tuy nhiên, các phản ứng xảy ra trong dung dịch với lượng lớn dung môi hữu cơ Giới hạn phát hiện ion Hg(II) trong khoảng 0,6 µM đến 8,0 µM Đó là những hạn chế khi áp dụng các sensor này vào phân tích các mẫu trong thực tế, đặc biệt là trong các đối tượng sinh học

Ngoài phản ứng đóng vòng guanidine, ion Hg(II) còn thúc đẩy các phản ứng như: tách loại lưu huỳnh tạo hợp chất dị vòng, tách loại thiol từ thioether, chuyển đổi nhóm thiocarbonyl thành nhóm carbonyl, Dựa trên các phản ứng này, một số sensor huỳnh quang được thiết kế để ứng dụng trong việc phát hiện ion Hg(II) [19], [20], [64], [172], [184]

1.6 Sensor huỳnh quang phát hiện biothiol và ion Hg(II) dựa trên fluorophore là cyanine và coumarin

1.6.1 Sensor huỳnh quang phát hiện biothiol và ion Hg(II) dựa trên fluorophore là cyanine

Các dẫn xuất cyanine bao gồm 3 dạng: streptocyanines hoặc cyanine mạch

hở R2N+=CH[CH=CH]n-NR2 (I); hemicyanines Aryl=N+=CH[CH=CH]n-NR2 (II);

và cyanine mạch vòng Aryl=N+=CH[CH=CH]n-N=Aryl (III) (Hình 1.23) Các dẫn xuất cyanine đều có cấu trúc kiểu: nhóm đẩy electron (donor) - hệ liên hợp π - nhóm rút electron (acceptor) Trong đó, nhóm đẩy electron là một nhóm amino, nhóm rút

electron là ion amoni Chúng được biết đến là những hợp chất màu, phát huỳnh quang mạnh mẽ, được sử dụng nhiều để phát triển các sensor huỳnh quang, trong đó

có các sensor huỳnh quang phát hiện ion Hg(II) và biothiol [11], [40], [61], [88], [126], [170], [179], [182], [186]

Hình 1.23 Các dạng dẫn xuất cyanine

Hình 1.24 Các sensor phát hiện Hg 2+ /MeHg + dựa trên fluorophore là cyanine, sử dụng phản ứng desulfurization và tạo vòng guanidine bởi xúc tác Hg 2+ /MeHg + [186]

Dựa trên fluorophore là cyanine, Tian và nhóm nghiên cứu đã công bố các

sensor 22-24 dùng để phát hiện ion Hg2+ và MeHg+ (Hình 1.24) Ở trạng thái sensor ban đầu, quá trình ICT diễn ra mạnh mẽ bởi sự hiện diện của nhóm đẩy electron (nhóm amin bậc 2) Sự hiện diện của ion Hg2+ hoặc MeHg+ đã thúc đẩy quá trình desulfurization và tạo vòng guanidine, làm giảm quá trình ICT, tạo nên sự dịch chuyển đỏ (red shift) mạnh mẽ trong phổ hấp thụ và phố phát xạ huỳnh quang Kết

quả, các sensor 22-24 có thể phát hiện ion Hg2+ và MeHg+ theo kiểu dựa trên sự biến đổi tỷ lệ cường độ huỳnh quang giữa hai bước sóng F830 nm/F780nm (ratiometric sensor) Giới hạn phát hiện ion Hg2+ ở mức nồng độ nM, trong dung môi methanol/nước (80/20, v/v) [186]

Hình 1.25 Sensor phát hiện ion Hg(II) dựa trên fluorophore là cyanine, sử dụng

3,9-dithia-6-monoazaundecane làm receptor tạo phức với Hg(II) [11]

Năm 2008, Tang và nhóm nghiên cứu thiết kế sensor 25 dựa trên fluorophore

là tricarbocyanine, một dẫn xuất cyanine gắn với receptor là monoazaundecane có khả năng tạo phức với ion Hg(II) (Hình 1.25) Ở trạng thái tự

3,9-dithia-6-do, quá trình PET từ tiểu phần 3,9-dithia-6-monoazaundecane đến tiểu phần

tricarbocyanine làm cho sensor 25 không phát huỳnh quang Sau khi sensor 25 phản

ứng tạo phức với ion Hg(II), ngăn chặn quá trình PET, dẫn đến phức phát huỳnh

quang mạnh mẽ ở bước sóng 783 nm (bước sóng kích thích 685 nm) Sensor 25 có

thể sử dụng để phát hiện chọn lọc ion Hg(II) theo kiểu tắt-bật huỳnh quang với giới hạn phát hiện là 13,9 nM, trong đệm pH=7,4 [11]

Sensor 26 đã được Zeng và nhóm nghiên cứu công bố dùng để phát hiện

Hg(II) ion dựa trên fluorophore là cyanine, sử dụng phản ứng tạo phức với các

nguyên tử N, O và Se có mặt trong sensor 26 (Hình 1.26) Sự hình thành phức đã

dập tắt quá trình ICT trong sensor, dẫn đến phổ hấp thụ dịch chuyển về bước sóng ngắn hơn (từ 542 nm về 412 nm), đồng thời làm dập tắt huỳnh quang (bước sóng

phát quang 590 nm) Sensor 26 có thể phát hiện ion Hg(II) với giới hạn phát hiện là

50 nM, trong dung dịch ethanol/nước (1/1, v/v) [182]

Hình 1.26 Sensor phát hiện ion Hg(II) dựa trên fluorophore là cyanine, sử dụng

phản ứng tạo phức của Hg(II) với các nguyên tử N, O, Se [182]

Hình 1.27 Các sensor phát hiện biothiol dựa trên fluorophore là cyanine, sử dụng

các phản ứng phân cắt receptor bởi biothiols [61], [88], [126], [170], [179]

Các sensor 27-32 đã được thiết kế dựa trên fluorophore là cyanine dùng để

phát hiện các biothiol (Hình 1.27) Quá trình PET từ receptor đến fluorophore dẫn đến các sensor này không phát huỳnh quang Các biothiol phản ứng với các sensor

này dẫn đến sự phân cắt các receptor (phân cắt carbamate trong sensor 27, phân cắt liên kết S-N trong sensor 28, phân cắt liên kết C-O trong sensor 29 và 32, phân cắt liên kết Se-N trong sensor 30 và 31), ngăn chặn quá trình PET, tạo các sản phẩm

phát huỳnh quang mạnh mẽ Do đó, các sensor này có thể sử dụng để phát hiện các

biothiol (Cys, Hcy và GSH) theo kiểu tắt-bật huỳnh quang Trong đó, sensor 27 có

thể phát hiện GSH, Cys và Hcy với giới hạn phát hiện lần lượt là 0,20 μM, 0,29 μM

và 0,21 μM, trong đệm HEPES pH=7,4 chứa 5% DMSO [61] Sensor 28 có thể phát

hiện GSH, Cys và Hcy trong tế bào HeLa ở mức nồng độ 100 µM bằng phương

pháp hình ảnh huỳnh quang, với thời gian đáp ứng khoảng 20 phút [179] Sensor 29

có thể phát hiện chọn lọc GSH trong sự có mặt Cys và Hcy; giới hạn phát hiện GSH

là 26 nM, trong môi trường đệm HEPES, pH=7,4 Tuy vậy, tốc độ phản ứng chậm,

thời gian phản ứng lên đến 3 giờ [88] Sensor 30 và 31 có thể phát hiện các thiol

không thuộc về protein như GSH, Cys, N-acetylcysteine và dithiothreitol ở mức

nồng độ 5 mM; phát hiện các thiol thuộc về protein như thioredoxin, glutathione reductase và metallothionein ở mức nồng độ 10 µM Cả hai sensor này đều có thời gian phản ứng nhanh, khoảng pH làm việc rộng (4-8,6), phát xạ ở vùng hồng ngoại gần, có thể sử dụng để phát hiện biothiol trong tế bào đại thực bào chuột RAW

264.7 và mô gan của chuột [126] Sensor 32 phản ứng với GSH và làm gia tăng mạnh mẽ cường độ huỳnh quang ở bước sóng 805 nm Trong khi đó, sensor 32

phản ứng với Cys làm gia tăng mạnh mẽ cường độ huỳnh quang ở bước sóng 775 nm; ngược lại, sự có mặt của Hcy không làm thay đổi đáng kể cường độ huỳnh

quang (trong cùng một bước sóng kích thích là 710 nm) Kết quả là, sensor 32 có

thể phát hiện đồng thời GSH và Cys trong cùng một bước sóng kích thích là 710

nm, kể cả sự hiện diện của Hcy Sensor 32 đã được ứng dụng để phát hiện GSH và

Cys trong tế bào Hela Hạn chế của sensor này là thời gian phản ứng chậm, lên đến

2 giờ [170]

1.6.2 Sensor huỳnh quang phát hiện biothiol và ion Hg(II) dựa trên fluorophore là coumarin

Coumarin có cấu tạo gồm một dị vòng pyrone gắn liền với một vòng benzen

Trong đó, nhóm cacbonyl ở vị trí tạo nên cấu trúc tran-stilbene, các liên kết đôi được cố định bởi cấu trúc lactone Điều này tránh được quá trình chuyển đổi tran- cis của các liên kết đôi dưới bức xạ của tia cực tím, dẫn đến coumarine và các dẫn

xuất của nó là những hợp chất phát huỳnh quang mạnh mẽ, được sử dụng nhiều để phát triển các sensor huỳnh quang, trong đó có cả các sensor huỳnh quang phát hiện ion Hg(II) và biothiol [46]

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) [166]

Năm 2018, Xiaohong Cheng và nhóm nghiên cứu đã thiết kế sensor 33 và

34, sử dụng dẫn xuất của coumarin làm fluorophore, phát hiện chọn lọc ion Hg(II)

dựa trên phản ứng đặc trưng của ion Hg(II), phản ứng loại bỏ nhóm bảo vệ

dithioacetals (Hình 1.28) Sensor 33 có thể phát hiện chọn lọc ion Hg(II) theo kiểu

bật-tắt huỳnh quang, với bước sóng kích thích 380 nm, bước sóng phát quang 470

nm, trong dung dịch HEPES/DMSO (9:1, v/v), pH=7,4 Sensor 34 phản ứng với ion Hg(II) làm phổ huỳnh quang chuyển dịch từ bước sóng 440 về 500 nm Sensor 34

có thể phát hiện chọn lọc ion Hg(II) theo kiểu biến đổi tỷ lệ cường độ huỳnh quang

ở hai bước sóng 500 và 440nm, với giới hạn phát hiện ion Hg(II) là 90 nM trong dung dịch HEPES/DMSO (9:1, v/v), pH=7,4 [166]

Từ một tính chất đặc trưng khác của ion Hg(II) đó là thúc đẩy phản ứng tách

loại lưu huỳnh và đóng vòng oxadiazole, Kun Huang và nnc đã thiết kế sensor 35 từ

dẫn xuất của coumarin (Hình 1.29) Ở trạng thái ban đầu, sensor 35 có cấu trúc vòng spirolactam nên không phát huỳnh quang Ion Hg(II) phản ứng với sensor 35

dẫn đến tách loại lưu huỳnh và đóng vòng oxadiazole, tạo sản phẩm mở vòng

spirolactam và phát huỳnh quang mạnh mẽ Sensor 35 có thể phát hiện chọn lọc ion

Hg(II) theo kiểu tắt-bật huỳnh quang trong dung dịch CH3CN/H2O (1/1, v/v), với

khoảng pH từ 5 đến 9, thời gian phản ứng 3 phút Sensor 35 có thể phát sử dụng để

phát hiện Hg(II) trong tế bào HeLa ở nồng độ 9 µM [79]

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 [79]

Banu Babür và nhóm nghiên cứu đã công bố sensor 36 từ dẫn xuất của

coumarin dùng để phát hiện Cys và GSH (Hình 1.30) Ở trạng thái ban đầu, quá trình ICT từ nhóm cho electron N-methyl pyrrole đến nhóm nhận electron

pyrazolone đã dẫn đến sensor 36 không phát huỳnh quang Phản ứng cộng Michael của Cys/GSH vào β-carbon (nối đôi C=C) của sensor 36 đã ngăn chặn quá trình ICT, dẫn đến tạo sản phẩm phát huỳnh quang mạnh mẽ Sensor 36 có thể phát hiện

Cys và GSH trong dung dịch đệm PBS (10 mM, pH 7,4, chứa 0,05% DMSO) Mặc

dù sensor 36 đã được sử dụng thành công để phát hiện biothiol trong tế bào ung thư CRL-2638, nhưng khả năng sử dụng sensor 36 để phát hiện định lượng biothiol là

rất khó, vì để đạt được cường độ huỳnh quang cực đại, lượng biothiol sử dụng phải gấp 500 lần so với lượng phản ứng [7]

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 [7]

Yan-Fei Kang và nhóm nghiên cứu đã công bố sensor 37, sử dụng dẫn xuất

của coumarin làm fluorophore Phản ứng cộng Michael giữa Cys vào acrylate trong

sensor 37 đã tạo nên thioester và giải phóng fluorophore tự do, làm cho cường độ

huỳnh quang gia tăng mạnh mẽ (Hình 1.31)

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 [171]

Trong khi đó, GSH và Hcy làm gia tăng không đáng kể cường độ huỳnh

quang Sensor 37 có thể phát hiện chọn lọc Cys trong sự hiện diện của các amino

acids khác, kể cả GSH và Hcy, trong dung dịch đệm PBS (pH 7,4, chứa 20%

acetonitrile) Giới hạn phát hiện Cys là 60 nM Sensor 37 có thể phát hiện Cys trong

tế bào HeLa bằng phương pháp ảnh huỳnh quang [171]

Hình 1.32 Sensor phát hiện biothiol từ dẫn xuất coumarin và dựa trên phản ứng

cộng Michael [54]

Các sensor 38-43 cũng sử dụng fluorophore là dẫn xuất của coumarin và dựa

trên phản ứng cộng Michael giữa biothiol vào nối đôi (Hình 1.32) Phản ứng cộng Michael của biothiol vào các sensor này dẫn đến phá vỡ hệ thống liên hợp electron

π, ngăn chặn quá trình ICT, dẫn đến tạo các sản phẩm cộng với sự gia tăng mạnh

mẽ cường độ huỳnh quang Kết quả các sensor này có thể phát hiện các biothiol

theo kiểu tắt-bật huỳnh quang [54] Trong đó, sensor 38 hoạt động trong điều kiện dung dịch đệm DMSO–HEPES (1/2, v/v; 0,10 M, pH=7,4) [54] Sensor 39 hoạt

động trong điều kiện dung dịch đệm PBS (pH =7,4, chứa 1% DMF), có thể phát hiện Cys trong nước tiểu của người ở mức nồng độ 19,2 nM, cũng như phát hiện

Cys trong máu người ở mức nồng độ 302 mg/L [191] Sensor 40 có thể phát hiện

GSH ở nồng độ 0,5 nM trong đệm pH=7,4, cũng như có thể sử dụng để phát hiện GSH trong tế bào sống do khả năng xâm nhập tốt vào màng tế bào, phản ứng nhanh

với GSH ở mức nồng độ trong tế bào bình thường của con người [178] Sensor 41

có thể phát hiện chọn lọc các biothiol trong dung dịch đệm DMSO/HEPES (4/1, v/v, pH =7,4); có khả năng phát hiện GSH trong tế bào sống bằng phương pháp

hình ảnh huỳnh quang, sử dụng kính hiển vi quét laser đồng tiêu [37] Sensor 42 có

thể phát hiện GSH trong dung dịch DMF/HEPES (3/1, v/v, pH=7,4) với giới hạn phát hiện 0,18 mM; nó cũng có thể phát hiện GSH di động trong tế bào sống [139] Cả Cys,Hcy và GSH đều phản ứng với sensor 43 và làm gia tăng cường độ huỳnh quang,

tuy nhiên, chỉ có Cys là làm gia tăng mạnh mẽ cường độ huỳnh quang (gấp 21 lần so với Hcy

và GSH) Do đó, sensor 43 có thể phát hiện Cys trong sự hiện diện của Hcy và GSH, cùng các amino acids không chứa thiol khác Giới hạn xác định Cys bởi sensor 43 là 30 nM [67]

1.7 Tổng quan ứng dụng hóa học tính toán trong nghiên cứu các sensor huỳnh quang

1.7.1 Ứng dụng hóa tính toán trong nghiên cứu khoa học

Với sự phát triển ngày càng cao các kỹ thuật hóa học tính toán trong một thập kỷ qua, hóa học tính toán đã trở thành một công cụ quan trọng trong nghiên cứu mối quan hệ giữa cấu trúc và tính chất quang phổ của các phân tử hữu cơ, cũng như giải thích các dữ liệu thực nghiệm phát sinh từ kết quả nghiên cứu Nhờ đó, các nghiên cứu lý thuyết về thiết kế mô hình tổng hợp các loại vật liệu, dược liệu ngày càng phổ biến; nhiều đặc tính vật lý, hóa học của các hệ thống hóa học và sinh học cũng có thể dự đoán được bằng các kỹ thuật tính toán khác nhau [51]

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

Venkatachalam S, Karunathana R, Kannappan V đã công bố những kết quả thu được khi sử dụng phương pháp phiếm hàm mật độ 3 thông số của Becke (B3LYP) với bộ hàm cơ sở 6-311++G(d,p) để nghiên cứu cấu trúc phân tử benzothiazole-một hợp chất đã được sử dụng làm fluorophore cho nhiều sensor huỳnh quang và các thuộc tính electron của nó Kết quả cho thấy, các giá trị tính toán khá tương đồng với các dữ liệu thực nghiệm [150] Những tính toán này đã được áp dụng đối với các phức, trong đó có phức của ion Hg(II) và ion Cu(II) với flurbiprofen và thu được kết quả tốt khi đối chiếu với dữ liệu thực nghiệm, kể cả về cấu trúc và các thuộc tính electron [133] Ngoài ra, các phương pháp phân tích nguyên tử trong phân tử (AIM) và orbital liên kết thích hợp (NBO) đã được sử dụng kết hợp và cho các kết quả tốt trong nghiên cứu thuộc tính electron và bản chất các liên kết trong phân tử [21]

Phổ hấp thụ của các chất có thể thu được từ tính toán lượng tử phụ thuộc thời gian, phương pháp hay được sử dụng là TD-DFT (phiếm hàm mật độ phụ thuộc thời gian) Phân tử sau khi tối ưu hóa, thực hiện tính TD-DFT, kết quả sẽ cho biết các

bước chuyển electron khả dĩ trong phân tử với các cường độ tương ứng Vikas

Padalkar và nnc đã sử dụng phương pháp TD-DFT để nghiên cứu huỳnh quang theo

cơ chế ESIPT của 2-(1,3-benzothiazol-2-yl)-5-(N,N-diethylamino) phenol với

benzoxazole và benzimidazole tương tự Các bước sóng hấp thụ và phát xạ phù hợp tốt với những bước sóng đã được dự báo khi sử dụng phương pháp TD-B3LYP/6-31G (d) [149]

Ngoài phổ hấp thụ, thì phương pháp TD-DFT cũng cho phép tính toán phổ huỳnh quang của các chất Hình 1.33 trình bày giản đồ tính toán năng lượng hấp thụ (Evert-abso), năng lượng phát xạ huỳnh quang (Evert-fluo) giữa trạng thái cơ bản (GS) và trạng thái kích thích (EES) Trong đó: EGS là năng lượng ở trạng thái cơ bản; EEES là năng lượng ở trạng thái kích thích; EZPVE là năng lượng dao động điểm không; E0-0

là năng lượng kích thích; RGS là cấu hình bền ở trạng thái cơ bản; REES là cấu hình bền ở trạng thái kích thích

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 [15]

Sự khác nhau giữa năng lượng trạng thái EES với trạng thái GS tại vị trí hình học tối ưu của trạng thái GS là năng lượng hấp thụ (thẳng đứng):

học tối ưu của trạng thái EES là năng lượng phát xạ huỳnh quang (thẳng đứng):

Evert-fluo = EEES(REES) – EGS(REES) (1.2) Như vậy, phổ huỳnh quang được tính toán qua các bước sau: (1) Tối ưu hóa cấu trúc phân tử ở trạng thái cơ bản (GS); (2) Tính TD -DFTcủa trạng thái cơ bản; (3) Tối ưu hóa cấu trúc phân tử (singlet) ở trạng thái kích thích (EES) S1, S2; (4) Tính TD -DFT của trạng thái S1, S2

Từ kết quả, xây dựng giản đồ năng lượng của trạng thái GS và EES (S1 và

S2) và tính toán năng lượng hấp thụ và phát xạ huỳnh quang

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

Trong quá trình tổng hợp sensor huỳnh quang, các phản ứng hữu cơ có thể xảy ra theo nhiều hướng, tạo các sản phẩm khác nhau Tính toán lượng tử trên các

chất thu được các giá trị nhiệt động enthanpy (ΔH), năng lượng tự do Gibbs (ΔG)

Sử dụng lý thuyết nhiệt động học, sẽ tính được các giá trị biến thiên ΔH và ΔG của

phản ứng, từ đó dự đoán được khả năng xảy ra phản ứng và sản phẩm nào chiếm ưu thế về mặt nhiệt động, từ đó định hướng cho thực nghiệm Điều này rất có ý nghĩa,

trong việc tối ưu kinh phí về hóa chất, đo đạc và giảm thiểu thời gian nghiên cứu

Năm 2015, khi nghiên cứu chemosensor DA phát hiện đồng thời ion

Hg(II), ion Cu(II) và ion Ag(I), từ kết quả tính toán theo thuyết phiếm hàm mật

độ, Nguyễn Khoa Hiền và nnc [42] đã xác định được thông số nhiệt động của các

phản ứng hình thành DA có thể có từ dẫn xuất của 4-N,N-dimethylamino

cinnamaldehyde với aminothiourea, qua đó đã đánh giá so sánh độ bền của các sản phẩm phản ứng bằng lý thuyết nhiệt động học

Qua phần tổng quan các kết quả nghiên cứu cho thấy: cho đến nay, 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 Hg(II), cũng như biothiol Bên cạnh đó, các sensor huỳnh quang phát hiện các biothiol và ion Hg(II) được công bố đều sử dụng một lượng lớn dung môi hữu cơ, giới hạn phát hiện còn khá cao, và phản ứng giữa sensor với chất phân tích xảy ra chậm Ngoài ra, rất ít sensor huỳnh quang được nghiên cứu theo hướng kết hợp linh hoạt giữa nghiên cứu tính toán hóa lượng tử với nghiên cứu thực nghiệm

CHƯƠNG 2 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Mục tiêu nghiên cứu

- Thiết kế sensor huỳnh quang phát hiện các biothiol và ion Hg(II) dựa trên fluorophore là dẫn xuất của cyanine: sử dụng phản ứng tạo phức giữa ion Hg(II) với dẫn xuất cyanine để phát hiện chọn lọc ion Hg(II); phức chất của Hg(II) sau khi hình thành có thể phản ứng với biothiol và phản ứng này được sử dụng để phát hiện chọn lọc biothiol

- Thiết kế sensor huỳnh quang dựa trên fluorophore là dẫn xuất của coumarin, sử dụng phản ứng đặc trưng của biothiol - phản ứng cộng Michael để phát hiện chọn lọc biothiol

2.2 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu thiết kế, tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng sensor huỳnh quang

L từ dẫn xuất của cyanine để phát hiện chọn lọc các biothiol và ion Hg(II):

+ Nghiên cứu lý thuyết về thiết kế, tổng hợp và đặc trưng của sensor L + Nghiên cứu thực nghiệm tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng của sensor L + Nghiên cứu lý thuyết về ứng dụng của sensor L phát hiện ion Hg(II) + Nghiên cứu sử dụng phức (tạo bởi ion Hg(II) với sensor L) phát hiện các

biothiol Trong đó, nghiên cứu lý thuyết được tiến hành trước để định hướng cho việc nghiên cứu ứng dụng của phức tiếp theo

- Nghiên cứu thiết kế, tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng của sensor AMC từ

dẫn xuất của coumarin để phát hiện chọn lọc các biothiol:

+ Nghiên cứu lý thuyết về thiết kế, tổng hợp sensor AMC và phản ứng của sensor AMC với các biothiol

+ Nghiên cứu thực nghiệm về tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng của

sensor AMC

+ Nghiên cứu lý thuyết về đặc tính và ứng dụng của sensor AMC

2.3 Phương pháp nghiên cứu

2.3.1 Phương pháp nghiên cứu tính toán lý thuyết

2.3.1.1 Cơ sở phương pháp hóa học tính toán [1]

Hóa học tính toán là một ngành học mà ở đó sử dụng phương pháp toán học, máy tính và kết hợp các định luật vật lý để nghiên cứu các vấn đề hóa học

Với hệ lượng tử, phương trình Schrödinger có dạng:

Ĥ Ψ(x) = E.Ψ(x) Trong đó, Ĥ=Ĥ(x,t): toán tử Hamilton, Ψ= Ψ(x,t): hàm trạng thái, E: năng

là sự gần đúng đầu tiên và “chính xác” trong nhiều sự gần đúng để làm đơn giản việc giải phương trình Schrödinger

Phát triển lý thuyết để cải thiện sự gần đúng là nhiệm vụ của hóa học lượng

tử Việc cải thiện chất lượng của Ψ(x) và E luôn được tiếp tục bằng các phương

pháp tính toán hoàn thiện hơn để đạt được những trị số có độ chính xác cao hơn Các phương pháp tính toán dựa trên nhiều mô hình lý thuyết khác nhau, thường được gọi là mô hình hóa học Các mô hình hóa học được đặc trưng bởi phương pháp lý thuyết và hệ hàm cơ sở Các phần mềm tính toán thường chứa một hệ thống

từ thấp đến cao các thủ tục tính toán, bộ hàm cơ sở, cùng với các phương pháp hóa học lượng tử khác nhau, còn được gọi là mức lý thuyết Một số phương pháp gần đúng thường được áp dụng như: phương pháp Hartree-Fock (HF), phương pháp Roothaan, phương pháp nhiễu loạn Moller-Plesset (MPn), phương pháp tương tác cấu hình, phương pháp chùm tương tác và phương pháp lý thuyết hàm mật độ,…

Trên cơ sở các phương pháp gần đúng, hai phương pháp phổ biến trong hóa học tính toán bao gồm phương pháp orbital phân tử (MO) và phương pháp phiếm hàm mật độ (DFT) Phương pháp MO dựa trên cơ sở mô tả electron trong các hàm sóng orbital, trong khi phương pháp DFT dựa trên cơ sở mật độ electron

(2.1)