Luận án: Thiết kế, tổng hợp và ứng dụng các sensor huỳnh quang

1
ĐẠI HỌC HUẾ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
NGUYỄN KHOA HIỀN
THIẾT KẾ, TỔNG HỢP VÀ ỨNG DỤNG
CÁC SENSOR HUỲNH QUANG TỪ DẪN XUẤT
CỦA DIMETHYLAMINOCINNAMALDEHYDE
VÀ DANSYL
Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và hóa lý
Mã số: 62.44.01.19
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC
HUẾ, NĂM 2016

Công trình được hoàn thành tại:
Trường Đại học Sư phạm - Đại học Huế
Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. Dương Tuấn Quang
2. PGS.TS. Nguyễn Tiến Trung
Phản biện 1:
Phản biện 2:
Phản biện 3:
Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án Tiến sĩ
cấp Đại học Huế họp tại:......................................................................
Vào hồi giờ ngày tháng năm 2015
Có thể tìm thấy luận án tại: Thư viện Quốc gia, thư viện
trường Đại học Sư phạm Đại học Huế.

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ
LIÊN QUAN LUẬN ÁN
1. Duong Tuan Quang, Nguyen Van Hop, Nguyen Dinh Luyen,
Ha Phuong Thu, Doan Yen Oanh, Nguyen Khoa Hien,
Nguyen Van Hieu, Min Hee Lee and Jong Seung Kim
(2013), A new ﬂuorescent chemosensor for Hg2+
in aqueous
solution, Luminescence., 28, pp. 222-225.
2. Nguyen Khoa Hien, Phan Tu Quy, Nguyen Tien Trung, Vo
Vien, Dang Van Khanh, Nguyen Thi Ai Nhung and Duong
Tuan Quang (2014), A dansyldiethylenetriaminethiourea
conjugate as a fluorescent chemodosimete for Hg2+
ions in
water media, Chemistry Letters, 43, pp. 1034-1036.
3. Nguyen Khoa Hien, Nguyen Chi Bao, Nguyen Thi Ai
Nhung, Nguyen Tien Trung, Pham Cam Nam, Tran Duong,
Jong Seung Kim, Duong Tuan Quang (2015), A highly
sensitive ﬂuorescent chemosensor for simultaneous
determination of Ag(I), Hg(II), and Cu(II) ions: Design,
synthesis, characterization and application, Dyes and
Pigments, 116, pp. 89-96.
4. Nguyen Khoa Hien, Nguyen Thi Ai Nhung, Ho Quoc Dai,
Nguyen Tien Trung, Duong Tuan Quang (2015), A fluorescent
sensor based on dansyl-diethylenetriamine-thiourea conjugate:
design, synthesis, characterization, and application, Vietnam
Journal of Chemistry, 53(5e) pp. 541-547.
5. Nguyen Khoa Hien, Nguyen Chi Bao, Phan Thi Diem Tran,
Nguyen Van Binh, Duong Tuan Quang (2015), A fluorescent
chemosensor based on dimethylaminocinnamaldehyde-
aminothiourea for highly sensitive simultaneous
determination of silver, mercury, and copper ions, The
Analytica Vietnam Conference 2015, Ho Chi Minh City,
April 15-16, 01-07, pp. 13-17.

Dyes and Pigments, 2015, 116, pp. 89-96
A highly sensitive fluorescent chemosensor for simultaneous
determination of Ag(I), Hg(II), and Cu(II) ions: design, synthesis,
characterization and application
Chemistry Letters, 2014, 43, pp. 1034-1036.
A dansyl-diethylenetriamine-thiourea conjugate as a fluorescent
chemodosimeter for Hg2+
ions in water media

1
MỞ ĐẦU
Sensor huỳnh quang đầu tiên đã được tác giả Czarnik ở Đại học
Ohio công bố vào năm 1992. Hiện nay, hầu như không có tuần nào là
không có sensor huỳnh quang mới được công bố trên thế giới. Điều
này là do phương pháp phân tích huỳnh quang thường nhạy với chất
phân tích, không đòi hỏi thiết bị máy móc đắt tiền, dễ thực hiện, chi
phí phân tích thấp, có thể phân tích các chất trong tế bào sống. Các
sensor huỳnh quang được nghiên cứu ứng dụng trong phân tích nhiều
đối tượng khác nhau, đặc biệt là các ion kim loại nặng, độc hại như
thủy ngân (II), đồng (II) và bạc (I).
Phát triển các sensor huỳnh quang mới đã và đang thu hút sự quan
tâm của các nhà khoa học. Do đó, một cơ sở khoa học cho quá trình
thiết kế, tổng hợp và ứng dụng các sensor huỳnh quang là rất quan
trọng, giúp giảm thời gian, chi phí và tăng khả năng thành công. Hiện
nay, hoá học lượng tử tính toán được hỗ trợ mạnh mẽ bởi sự phát
triển của công nghệ thông tin, đã trở thành một công cụ quan trọng
trong nghiên cứu hoá học. Nhiều tính chất vật lý và hóa học đã được
dự đoán hoặc làm sáng tỏ từ tính toán. Trong khi đó, một nghiên cứu
hoàn chỉnh kết hợp tính toán và thực nghiệm cho các quá trình thiết
kế, tổng hợp và ứng dụng của các sensor huỳnh quang hiện vẫn còn
chưa, hoặc rất ít được công bố.
Ở Việt Nam, các sensor huỳnh quang đã được tác giả Dương Tuấn
Quang nghiên cứu từ năm 2007, bao gồm: các chemosensor phát hiện
ion Fe(III), F-
, Cs+
và Cu(II) dựa trên calix[4]arene; chemosensor
chứa vòng 1,2,3-triazole phát hiện Al(III) và chemosensor phát hiện
Hg(II) từ dẫn xuất của rhodamine.
Gần đây, các dẫn xuất của dansyl đã được sử dụng để thiết kế các
sensor huỳnh quang, do các hợp chất của chúng thường phát huỳnh
quang mạnh và linh hoạt trong cơ cấu các dẫn xuất của chúng. Tuy
nhiên, chưa có sensor nào sử dụng dẫn xuất của dansyl để phát hiện
Hg(II) dựa trên các phản ứng đặc trưng của Hg(II), nhằm tăng độ
chọn lọc của sensor. Một chất huỳnh quang khác là 4-N,N-

2
dimethylaminocinnamaldehyde, vẫn còn chưa, hoặc rất ít nghiên cứu
để phát triển các sensor phát hiện ion Hg(II), Cu(II) và Ag(I).
Trước nhu cầu và thực trạng nghiên cứu các sensor huỳnh quang
trên thế giới và Việt Nam, chúng tôi chọn đề tài “Thiết kế, tổng hợp
và ứng dụng các sensor huỳnh quang từ dẫn xuất của
dimethylaminocinnamaldehyde và dansyl”.
Những đóng góp mới của luận án:
- Một chemodosimeter DT mới từ dẫn xuất của dansyl đã được
công bố, có thể phát hiện chọn lọc Hg(II) dựa trên phản ứng đặc
trưng của Hg(II) - phản ứng giữa dẫn xuất thiourea với amin tạo vòng
guanidine khi có mặt Hg(II) - hoạt động theo cơ chế PET (sự chuyển
electron do cảm ứng ánh sáng), kiểu bật-tắt (ON-OFF) huỳnh quang,
với giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng Hg(II) tương ứng là 50
và 166 ppb.
- Một chemosensor DA mới từ fluorophore là 4-N,N-
dimethylaminocinnamaldehyde (DACA) đã được công bố, có thể
phát hiện đồng thời Hg(II), Cu(II) và Ag(I), hoạt động theo kiểu bật-
tắt huỳnh quang, với giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng tương
ứng là: 2,8 và 9,5 ppb; 0,8 và 2,7 ppb; 1,0 và 3,4 ppb.
- Một cơ sở khoa học cho quá trình nghiên cứu phát triển các
sensor huỳnh quang mới đã được trình bày, thông qua kết quả của
quá trình kết hợp linh hoạt giữa tính toán lý thuyết và thực nghiệm
trong nghiên cứu thiết kế, tổng hợp và ứng dụng của chemodosimeter
DT và chemosensor DA.
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
1.1.2. Nguyên tắc hoạt động của sensor huỳnh quang
1.1.3. Cấu tạo của sensor huỳnh quang
1.1.4. Nguyên tắc thiết kế các sensor huỳnh quang
1.2. Nguồn ô nhiễm, độc tính, phương pháp phát hiện Hg(II),
Cu(II) và Ag(I)
1.3. Sensor huỳnh quang phát hiện Hg(II), Cu(II) và Ag(I)

3
1.3.1. Sensor huỳnh quang dựa trên các phản ứng đặc trưng của ion
kim loại
1.3.2. Sensor huỳnh quang dựa trên các phản ứng tạo phức với ion
kim loại
1.3.3. Sensor huỳnh quang dựa trên tương tác cation – π
1.3.4. Sensor huỳnh quang phát hiện đồng thời Hg(II), Cu(II)
và Ag(I)
1.4. Sensor huỳnh quang phát hiện Hg(II), Cu(II) và Ag(I) dựa
trên fluorophore là nhóm dansyl và 4-N,N-
dimethylaminocinnamaldehyde
1.4.1. Sensor huỳnh quang phát hiện Hg(II) dựa trên fluorophore là
nhóm dansyl
1.4.2. Sensor huỳnh quang phát hiện Hg(II), Cu(II) và Ag(I) dựa trên
fluorophore là 4-N,N-dimethylaminocinnamaldehyde
1.5. Tổng quan ứng dụng hoá học tính toán trong nghiên cứu các
sensor huỳnh quang
CHƯƠNG 2
N I DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Mục tiêu nghiên cứu
2.2. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu thiết kế, tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng
chemodosimeter DT dựa trên dẫn xuất của dansyl để phát hiện chọn
lọc Hg(II).
- Nghiên cứu thiết kế, tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng
chemosensor DA dựa trên DACA phát hiện Hg(II), Cu(II) và Ag(I).
2.3. Phương pháp nghiên cứu
2.3.1. Phương pháp nghiên cứu tính toán lý thuyết
- Việc xác định cấu trúc hình học bền, năng lượng điểm đơn được
thực hiện bằng phương pháp DFT tại B3LYP/LanL2DZ, sử dụng
phần mềm Gaussian 03.
- Các thông số năng lượng tương tác được hiệu chỉnh ZPE gồm
biến thiên entanpi và biến thiên năng lượng tự do Gibbs của các phản

4
ứng được tính toán dựa trên sự khác biệt giữa tổng năng lượng của
các sản phẩm và tổng năng lượng các chất tham gia.
- Tính toán trạng thái kích thích và các yếu tố phụ thuộc thời gian
được thực hiện bởi phương pháp TD-DFT ở cùng mức lý thuyết.
- Các phân tích AIM và NBO được tiến hành ở cùng mức lý
thuyết B3LYP/LanL2DZ.
2.3.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
- Đặc trưng cấu trúc của các chất được khẳng định bởi các phổ 1
H
NMR, phổ 13
C NMR, phổ khối MS, phổ hồng ngoại và phân tích
nhiễu xạ đơn tinh thể tia X.
- Đặc tính, ứng dụng của các sensor được thực hiện bởi phương
pháp quang phổ huỳnh quang và UV-Vis.
CHƯƠNG 3
KẾT QU VÀ TH O LUẬN
3.1. Thiết kế, tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng của DT-
chemodosimeter phát hiện chọn lọc Hg(II) dựa trên liên hợp
dansyl-diethylenetriamine-thiourea
3.1.1. Nghiên cứu lý thuyết về thiết kế, tổng hợp, đặc trưng và
ứng dụng của chemodosimeter DT
3.1.1.1. Khảo sát phương pháp tính toán
Để sử dụng mức lý
thuyết B3LYP/LanL2DZ
cho hệ nghiên cứu, một so
sánh giữa kết quả tính
toán và thực nghiệm về
cấu trúc của dansyl
chloride (DC) đã được
tiến hành; và kết quả là
không có sự khác biệt.
Điều này cho thấy, mức lý
thuyết đã chọn có thể áp
dụng cho hệ nghiên cứu
Hình 3.4. Năng lượng các HOMO và LUMO của
DC, DNSF, aminothiourea và phenyl
isothiocyanate tại B3LYP/LanL2DZ

5
với kết quả đáng tin cậy.
3.1.1.2. Lựa chọn fluorophore và receptor cho DT
Do chất đầu dùng tổng hợp DT là DC không phát huỳnh quang,
nên chất huỳnh quang dansyl sunfonamide (DNSF) đã được chọn
làm fluorophore, aminothiourea và phenyl isothiocyanate (PITC)
được chọn làm receptor để nghiên cứu. Hình 3.4 cho thấy, nếu
aminothiourea làm receptor, huỳnh quang của sensor hình thành có
thể bị dập tắt do quá trình PET từ receptor đến fluorophore. Vì vậy, ở
đây PITC được chọn để thiết kế sensor huỳnh quang kiểu bật-tắt.
3.1.1.3. Nghiên cứu lý thuyết phản ứng tổng hợp DT
a. Phản ứng giữa DC với diethylenetriamine
Phản ứng giữa DC và diethylenetriamine để hình thành trực tiếp
sulfonamides không xảy ra (∆G298
dương). Sulfonamides được hình
thành thông qua các muối amoni (Hình 3.5). Kết quả tính toán cho
thấy, ΔH298
và ΔG298
phản ứng (2) là âm nhất. Theo đó, B là sản
phẩm thuận lợi về mặt
nhiệt động. Phản ứng
(6), phản ứng giữa B và
sodium hydroxide hình
thành P1 khá thuận lợi
về mặt nhiệt động, với
ΔH298
và ΔG298
là -47,5
và -684,0 kcal.mol-1
.
b. Phản ứng giữa P1
với PITC
Phản ứng P1 với
PITC có ba sản phẩm
(DT, DT-1 và DT-2) có
thể được hình thành
(Hình 3.7). Trong đó,
ΔH298
và ΔG298
phản ứng
(8) là âm nhất. Theo đó,Hình 3.5. Các sản phẩm có thể có của
phản ứng giữa DC với diethylenetriamine

6
DT là sản phẩm thuận lợi về mặt nhiệt động.
Để đánh giá khả năng phản ứng hóa học xảy ra, ngoài điều kiện về
nhiệt động học, cần phải đảm bảo điều kiện về động học. Về nguyên
tắc, hóa tính toán có thể xác định được hằng số tốc độ phản ứng. Tuy
nhiên, đối với phản ứng phức tạp, việc tính toán này mất nhiều thời
gian. Thay vào đó, quá
trình tính toán chỉ dừng
lại ở mức dự đoán khả
năng phản ứng và
hướng sản phẩm dựa
trên các thông số nhiệt
động, sau đó tiến hành
thực nghiệm sẽ cho kết
quả nhanh hơn. Sự kết
hợp linh hoạt giữa tính
toán và thực nghiệm sẽ
giảm tải khối lượng
công việc tính toán
hoặc thực nghiệm.
3.1.1.4. Nghiên cứu lý
thuyết đặc tính của
chemodosimeter DT
a. Cấu trúc phân tử DT
Chiều dài các liên
kết, số đo các góc
liên kết, góc nhị diện
trong DT đã được
tính toán. Trong đó,
các tiểu phần DC và
diethylenetriamine trong DT ít thay đổi so với ban đầu.
b. Phân tích phổ UV-Vis của DT
Phổ UV-Vis của DC đạt cực đại ở 485,2 và 1055,6 nm; DNSF đạt
cực đại ở 262,0 và 390,0 nm; DT đạt cực đại ở 387,5 nm. Theo đó,
Hình 3.8. Hình học bền của DT tại B3LYP/LanL2DZ
Hình 3.7. Các sản phẩm có thể có của phản ứng giữa
P1 với phenyl isothiocyanate

7
DT và DNSF có cùng bước sóng hấp thụ cực đại khoảng 390 nm.
Kết quả này đưa đến kỳ vọng huỳnh quang của DT tương tự DNSF.
Điều này cũng cho thấy sử dụng DNSF làm fluorophore trong nghiên
cứu lý thuyết thu được kết quả chính xác hơn so với DC.
c. Phân tích đặc tính huỳnh quang của chemodosimeter DT
Bảng 3.5. Năng lượng kích thích, cường độ dao động và các MO có liên quan đến quá
trình kích thích chính của DC, DNSF, PITC và DT tại B3LYP/LanL2DZ
Chất Bước
chuyển
MO Năng lượng
(eV)
Bước sóng
(nm)
f CIC
DC S0→S1 60→61 1,17 1055,6 0,0459 0,648
DNSF S0→S1 61→62 3,18 390,0 0,0908 0,668
S0→S5 58→62 4,73 262,0 0,1137 -0,219
59→62 0,454
60→63 -0,178
60→64 0,312
61→64 0,185
61→65 0,192
PITC S0→S2 29→33 4,57 271,0 0,3670 -0,264
30→31 0,608
DT S0→S1 114→116 3,20 387,5 0,0974 0,668
Hình 3.14. Giản đồ năng lượng các MO biên của fluorophoro tự do, receptor tự do và
chemodosimeter DT (các mức năng lượng là tương đối, không theo tỷ lệ)

8
Bảng 3.5 cho thấy, trạng thái kích thích chủ yếu của DT là ở bước
sóng 387,5 nm, với bước chuyển MO114→MO116. Do ở giữa các
MO này không có các MO của receptor (Hình 3.14), nên không có
quá trình PET từ receptor đến fluorophore. Tuy giữa các MO này có
MO115 thuộc về spacer, nhưng do chênh lệch năng lượng giữa
MO115 và MO114 là không lớn (0,1 eV), nên quá trình PET từ
MO115 về MO114 có xảy ra thì hằng số cân bằng nhỏ. Kết quả
này dẫn đến một kỳ vọng DT có đặc tính huỳnh quang tương tự như
DNSF. Tuy nhiên, do ảnh hưởng của quá trình PET nói trên, hiệu
suất lượng tử huỳnh quang của DT có thể là không lớn.
3.1.1.5. Ứng dụng của DT
a. Phản ứng giữa DT với Hg(II)
Hình 3.15 trình bày
hai sản phẩm (DG, và
DG-1) có thể có từ
phản ứng giữa DT và
Hg(II). Kết quả tính
toán ΔG298
và ΔH298
của phản ứng (12) âm
hơn so với phản ứng
(13) tương ứng là -9,9
kcal mol-1
và -11,8
kcal mol-1
. Do đó, sự
hình thành DG là
thuận lợi về mặt nhiệt
động.
b. Phổ UV-Vis và huỳnh quang của DG
Phổ UV-Vis của DG đạt cực đại ở bước sóng 403,8 nm với cường
độ dao động 0,0993.
Bảng 3.6 cho thấy, ở trạng thái kích thích, tất cả các bước chuyển
electron trong DG đều có cường độ dao động không lớn. Trạng thái
kích thích chính của DG là từ S0→S4, ở bước sóng 403,8 nm, tương
Hình 3.15. Các sản phẩm có thể có của phản ứng giữa
chemodosimeter DT với Hg(II)

9
ứng bước chuyển MO109→MO112, với cường độ dao động mạnh
nhất là 0,0993. Do giữa các MO này có sự hiện diện của MO110 và
MO111 thuộc về receptor (Hình 3.19), nên xảy ra quá trình PET từ
receptor đến fluorophore. Kết quả trên dẫn đến một kỳ vọng DG
không phát huỳnh quang. Do đó, DT có thể sử dụng để phát hiện
chọn lọc Hg(II) theo kiểu bật-tắt huỳnh quang.
Bảng 3.6. Năng lượng kích thích, cường độ dao động và các MO có liên quan đến quá
trình kích thích chính của DG tại B3LYP/LanL2DZ
Chất Bước
chuyển
MO Năng lượng
(eV)
Bước sóng
(nm)
f CIC
DG S0→S1 111→112 2,28 542,4 0,0004 0,706
S0→S2 110→112 2,79 444,0 0,0062 0,536
111→113 0,457
S0→S3 110→112 2,81 441,1 0,0040 -0,457
S0→S4 109→112 3,07 403,8 0,0993 0,670
Hình 3.19. Giản đồ năng lượng các MO biên của DT và DG
(các mức năng lượng là tương đối, không theo tỷ lệ)

10
3.1.2. Thực nghiệm tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng của
chemodosimeter DT
3.1.2.1. Thực nghiệm tổng hợp chemodosimeter DT
a. Tổng hợp dansyl-diethylenetriamine
Hoà tan diethyltriamine (8,58 mL, 80 mmol) trong 20 mL CH3CN
và làm lạnh đến khoảng 0o
C. Thêm từng giọt dung dịch dansyl
chloride (2,70 g, 10 mmol, hòa tan trong 100 mL CH3CN). Khuấy
hỗn hợp phản ứng trong 6 giờ ở nhiệt độ phòng. Sau đó cô đặc hỗn
hợp thu được trong thiết bị cô quay chân không. Thêm 100 mL nước
và axit hóa hỗn hợp thu được bằng dung dịch HCl (khoảng pH = 3).
Thêm 25 mL ethyl ether, lắc kỹ, chiết loại bỏ pha hữu cơ (3 lần). Pha
nước thu được, thêm dung dịch NaOH 2M và khuấy đều đến khi
dung dịch trở nên sánh (khoảng 25 mL). Thêm 25 mL CH2Cl2 lắc kỹ
và chiết lấy pha hữu cơ. Loại bỏ nước trong pha hữu cơ bằng
Na2SO4. Làm bay hơi dung môi trong thiết bị cô quay chân không để
thu được sản phẩm chất rắn màu vàng đậm (khoảng 2,42 g, hiệu suất
72,0%). Cấu trúc của dansyl-diethylenetriamine được khẳng định bởi
phổ 1
H NMR và FAB-MS.
b. Tổng hợp chemodosimeter DT
Dansyl-diethyltriamine (337 mg, 1,0 mmol) và phenyl
isothiocyanate (0,25 mL, 1,3 mmol) được hoà tan trong 30 mL
acetonitrile. Đun hồi lưu dung dịch phản ứng trong 6 giờ và đồng
thời có sục khí N2 đuổi không khí trong bình đun. Khuấy dung dịch
phản ứng ở nhiệt độ phòng qua đêm. Thêm vào dung dịch thu được
200 mL nước cất, 100 mL CH2Cl2, chiết lấy pha hữu cơ. Loại bỏ
nước trong pha hữu cơ bằng MgSO4. Làm bay hơi dung môi trong
thiết bị cô quay chân không. Sử dụng sắc ký cột silicagel (dung dịch
rửa giải: CH2Cl2/ethyl acetate, 6/1) để tách lấy DT trong dung dịch
rửa giải. Tiếp tục làm bay hơi dung môi trong thiết bị cô quay chân
không để thu chất rắn DT (khoảng 387 mg, 82%). Cấu trúc của DT
được khẳng định bởi phổ 1
H NMR, 13
C NMR và FAB-MS.

11
3.1.2.2. Thực nghiệm ứng dụng chemodosimeter DT
a. Phổ UV-Vis và phổ huỳnh quang của DT
Như dự đoán từ tính toán, DT phát huỳnh quang màu xanh lá cây,
với hiệu suất lượng tử là 0,11; bước sóng huỳnh quang cực đại 529
nm, bước sóng hấp thụ cực đại 330 nm.
b. Phổ chuẩn độ UV-Vis và huỳnh quang DT với Hg(II)
Hình 3.26 cho thấy, như dự đoán từ lý thuyết, Hg(II) phản ứng và
làm thay đổi phổ UV-Vis và phổ huỳnh quang của DT. Cường độ
huỳnh quang dung dịch DT giảm dần khi tăng nồng độ Hg(II).
250 300 350 400 450
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
MËt®équang
B-íc sãng (nm)
400 450 500 550 600 650 700
0
20
40
60
80
100
120
140
C-êng®éhuúnhquang(a.u.)
B-íc sãng (nm)
(a) (b)
Hình 3.25. Phổ hấp thụ UV-Vis và phổ huỳnh quang của DT: (a) Phổ UV-Vis, DT (10
µM) trong C2H5OH/H2O (1/9, v/v), pH ~7; (b) phổ huỳnh quang, DT (10 µM) trong
C2H5OH/H2O (1/9, v/v), pH ~7, bước sóng kích thích 330 nm
450 500 550 600 650
0
20
40
60
80
100
120
140
ChuÈn ®é Hg
2+
B-íc sãng (nm)
(b)
250 300 350 400 450
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
ChuÈn ®é Hg
2+
MËt®équang
B-íc sãng (nm)
(a)
Hình 3.26. Phổ chuẩn độ UV-Vis và huỳnh quang của DT bởi Hg(II): (a) Phổ UV-Vis, DT
(10 µM) trong C2H5OH/H2O (1/9, v/v), pH ~7, Hg(ClO4)2 (0, 2, 4, 6, 8, 10, 12 µM); (b) Phổ
huỳnh quang, DT (10 µM) trong C2H5OH/H2O (1/9, v/v), pH ~7, Hg(ClO4)2 (0, 1, 2, 3, 4, 5,
6.5, 7, 7.5, 8, 9, 10, 12 µM), bước sóng kích thích 330 nm

12
c. Phản ứng giữa DT với Hg(II)
Hình 3.27 cho thấy DT phản
ứng với Hg(II) theo tỷ lệ 1:1 về số
mol. DG, sản phẩm phản ứng
giữa DT với Hg(II) đã được tổng
hợp và cấu trúc hoàn toàn phù
hợp với kết quả tính toán. DG
không phát huỳnh quang.
Khi thêm EDTA với nồng độ
gấp 2 lần DT vào dung dịch sau
phản ứng giữa Hg(II) và DT. Kết
quả, không thấy bất kỳ một sự thay
đổi nào trong tín hiệu huỳnh quang. Như vậy, phản ứng giữa DT với
Hg(II) không đảo ngược được. DT là một chemodosimeter huỳnh quang.
d. nh hưởng của các ion kim loại cạnh tranh
Hình 3.31 cho thấy DT có thể phát hiện chọn lọc Hg(II) trong sự
hiện diện của các ion kim loại Zn(II), Cu(II), Cd(II), Pb(II), Ag(I),
0 2 4 6 8 10 12 14 16
20
40
60
80
100
120
140
[Hg
2+
], µM
Hình 3.27. Đồ thị xác định quan hệ tỷ lượng
phản ứng giữa Hg(II) với DT (DT 10 µM
trong C2H5OH/H2O (1/9, v/v) ở pH ~7, bước
sóng huỳnh quang 529 nm, kích thích 330 nm)
Hình 3.31. Phổ UV-Vis và phổ huỳnh quang DT trong sự hiện diện các ion kim loại
a) Phổ UV-vis, b) Phổ huỳnh quang DT (10 µM) trong C2H5OH/H2O (1/9, v/v) tại pH
~7, bước sóng kích thích 330 nm. Điều kiện: i) DT (10 µM); ii) DT + Hg(II) (15 µM);
iii) DT + các ion kim loại Zn(II), Cu(II), Cd(II), Pb(II), Ag(I), Fe(II), Cr(III), Co(III),
Ni(II), Ca(II), Mg(II), K(I) và Na(I) (15 µM; iv) DT + các ion kim loại + Hg(II) (15 µM);
v) DG(10µM) trong C2H5OH/H2O (1/9, v/v)
(a)
250 275 300 325 350 375 400 425 450
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
DT + Çc ion kim lo¹i kh¸c
DT
DT + Hg
2+
DT + Çc ion kim lo¹i kh¸c + Hg
2+
MËt®équang
B-íc sãng (nm)
(b)
400 450 500 550 600 650
0
20
40
60
80
100
120
140
DT + Çc ion kim lo¹i kh¸c + Hg
2+
DG
DT + Hg
2+
DT + Çc ion kim lo¹i kh¸c
DT
B-íc sãng (nm)

13
Fe(II), Cr(III), Co(III), Ni(II), Ca(II), Mg(II), K(I) và Na(I) với nồng
độ gấp 1,5 lần với DT.
e. Thời gian phản ứng giữa Hg(II) với DT
Phản ứng Hg(II) với DT xảy ra gần như tức thời, khoảng 20 giây
sau khi thêm Hg(II), nhanh hơn nhiều so với các sensor đã công bố.
f. Sử dụng DT phát hiện định lượng Hg(II)
Trong khoảng nồng độ Hg(II) từ 0,5 đến 10µM, biến thiên cường
độ huỳnh quang (ΔI529) quan hệ tuyến tính với nồng độ Hg(II), thể
hiện phương trình: ΔI529 = (2,8 ± 0,8) + (11,3 ± 0,2) x [Hg(II)], với
R=0,999. Giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng Hg(II) bởi DT
đã được xác định, tương ứng là 0,25 và 0,83 µM, hay 50 và 166 ppb.
3.2. Thiết kế, tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng của DA -
chemosensor phát hiện đồng thời Hg(II), Cu(II) và Ag(I) dựa
trên dẫn xuất của 4-N,N-dimethylaminocinnamaldehyde
3.2.1. Nghiên cứu lý thuyết thiết kế, tổng hợp và đặc trưng DA
3.2.1.1. Lựa chọn fluorophore và receptor cho DA
Hình 3.36 cho thấy năng
lượng HOMO và LUMO
của aminothiourea và
PITC đều không nằm giữa
hai mức năng lượng
HOMO và LUMO của
fluorophore là DACA. Vì
vậy, cả hai chất này đều có
thể chọn làm receptor, ở
đây chọn aminothiourea để
thiết kế sensor kiểu bật-tắt
huỳnh quang.
3.2.1.2. Lý thuyết phản ứng tổng hợp DA
Bốn sản phẩm có thể được hình thành từ phản ứng giữa DACA và
aminothiourea (Hình 3.37). Kết quả tính toán cho thấy, phản ứng tạo
sản phẩm DA-1 và DA-2 không xảy ra (ΔG298
có giá trị dương).
ΔG298
và ΔH298
của phản ứng tạo sản phẩm DA-3 và DA có giá trị
Hình 3.36. Giản đồ năng lượng HOMO và LUMO
của DACA, aminothiourea và phenyl
isothiocyanate tại B3LYP/LanL2DZ

14
âm. Trong đó, ΔG298
và
ΔH298
của phản ứng tạo sản
phẩm DA là âm hơn. DA là
sản phẩm thuận lợi về mặt
nhiệt động.
3.2.1.3. Lý thuyết đặc
tính của DA
a. Cấu trúc phân tử DA
Độ dài các liên kết, số
đo các góc liên kết, góc nhị
diện trong DA đã được xác
định tại B3LYP/LanL2DZ;
và đã được so sánh với dữ
liệu thực nghiệm khi phân
tích nhiễu xạ đơn tinh thể
tia X. Kết quả cho thấy
mức lý thuyết
B3LYP/LanL2DZ có thể
áp dụng cho kết quả đáng
tin cậy.
b. Phổ UV-Vis của DA
Phổ hấp thụ của DACA
đạt cực đại ở bước sóng
242,5 và 350,0 nm; DA đạt
cực đại ở bước sóng 278,4
và 395,2 nm. Phổ hấp thụ
của DA có cường độ mạnh hơn DACA. Kết quả này đưa đến kỳ vọng
đặc tính huỳnh quang của DA tốt hơn DACA.
c. Phân tích đặc tính huỳnh quang của chemosensor DA
* Khả năng phát huỳnh quang trong chemosensor DA
Bảng 3.9 cho thấy, trạng thái kích thích có cường độ dao động
mạnh nhất của DA là từ S0→S2, ở bước sóng 395,2 nm, ứng với bước
chuyển từ MO61 (HOMO)→MO62 (LUMO). Do ở giữa các MO
Hình 3.37. Các sản phẩm có thể có của phản
ứng giữa DACA với aminothiourea
Hình 3.38. Hình học bền của DA tại
B3LYP/LanL2DZ

15
này không có các MO của receptor, nên không có quá trình PET từ
receptor đến fluorophore. Kết quả này dẫn đến kỳ vọng rằng DA là
một hợp chất phát huỳnh quang. Ở trạng thái kích thích sau đó, từ
S0→S5, mặc dù cường độ dao động khá lớn, song bước chuyển đóng
vai trò quan trọng nhất ở trạng thái này từ MO58→MO62, có
MO60 thuộc về receptor nằm ở giữa hai MO trong bước chuyển
này, nên xảy ra quá trình PET từ receptor đến fluorophore. Vì vậy
bước chuyển này không dẫn đến sự phát huỳnh quang trong DA.
Bảng 3.9. Năng lượng kích thích, cường độ dao động và các MO có liên quan đến quá trình
kích thích chính của DACA, aminothiourea và DA tại B3LYP/LanL2DZ
Chất Bước
chuyển
MO Năng lượng
(eV)
Bước sóng
(nm)
f CIC
DA S0→S2 61→62 3,14 395,2 1,3602 0,620
S0→S5 58→62 4,45 278,4 0,2861 0,610
61→64 0,199
61→64 -0,166
DACA S0→S2 47→48 3,53 350,8 0,8621 0,614
S0→S5 44→48 5,11 242,6 0,2685 0,358
45→48 0,425
47→50 0,367
Amino
thiourea
S0→S2 18→20 5,43 228,4 0,1540 0,602
19→21 0,178
19→24 -0,124
* Đặc tính huỳnh quang của chemosensor DA
Phân tử DA có cấu trúc kiểu Donor-π-Aceptor nên ảnh hưởng của
độ phân cực dung môi và quá trình phát xạ huỳnh quang ở trạng thái
xoắn đã được khảo sát. Kết quả cho thấy, độ phân cực của dung môi
không ảnh hưởng đến bước sóng huỳnh quang của DA. Khi phân tử
DA bị kích thích bởi ánh sáng, ở trạng thái thái kích thích S1, sự
chuyển đổi từ trạng thái kích thích LE*
(phẳng) sang TICT*
(xoắn) là
thuận lợi về mặt năng lượng. Trạng thái TICT*
ứng với mức năng
lượng S1 thấp nhất tương ứng với góc xoắn θ (góc giữa mặt phẳng
donor và mặt phẳng π) bằng 90. Quá trình xoắn đồng thời làm tăng

16
bề mặt thế năng của trạng thái cơ bản và S0 đạt giá trị cực đại khi góc
xoắn θ bằng 90. Khi đó, xuất hiện một khoảng cách cực tiểu giữa S0
và S1, dẫn đến phổ huỳnh quang DA chuyển dịch về bước sóng dài.
3.2.2. Thực nghiệm tổng hợp và đặc trưng của DA
3.2.2.1. Thực nghiệm tổng hợp chemosensor DA
Hoà tan DACA (175 mg; 1,0 mmol) và aminothiourea (100 mg;
1,1 mmol) trong ethanol tuyệt đối (40 mL). Đun hồi lưu dung dịch
phản ứng trong 6 giờ có kèm theo sục khí N2 để đuổi không khí trong
bình đun. Khuấy hỗn hợp sau khi đun 2 giờ ở nhiệt độ phòng để được
một kết tủa rắn. Lọc và rửa kết tủa (ba lần) với ethanol tuyệt đối (mỗi
lần 5 mL). Chất rắn thu được tiếp tục tinh chế bằng kết tinh lại trong
ethanol tuyệt đối (25 mL) để thu sản phẩm DA tinh chất ở dạng rắn
màu vàng sẫm (khoảng 207 mg, hiệu suất 83,0%). Cấu trúc của DA
được khẳng định bởi phổ 1
H NMR, FAB-MS, IR và phân tích nhiễu
xạ đơn tinh thể tia X.
3.2.2.2. Thực nghiệm đặc trưng của chemosensor DA
Như dự đoán, DA phát huỳnh quang màu xanh lá cây, với hiệu
suất lượng tử là 0,25, bước sóng huỳnh quang cực đại ở 510 nm,
bước sóng hấp thụ cực đại ở 390 nm, độ dịch chuyển Stoke 120 nm.
Hình 3.43. Giản đồ năng lượng các MO biên của fluorophoro tự do, receptor tự do và
chemosensor DA (các mức năng lượng là tương đối, không theo tỷ lệ)

17
3.2.3. Ứng dụng của DA
3.2.3.1. Thực nghiệm ứng dụng DA
a. Phản ứng giữa DA với các ion kim loại
Hình 3.52 cho thấy có thể
sử dụng DA để phát hiện
Hg(II), Cu(II) và Ag(I) trong
sự hiện diện các ion kim loại,
bao gồm Na(I), K(I), Pb(II),
Cd(II), Co(II), Ca(II), Ba(II),
Mg(II), Zn(II), Fe(II), Ni(II),
Al(III) và Cr(III).
b. Ứng dụng chemosensor
DA để phát hiện Hg(II)
Kết quả khảo sát phổ
huỳnh quang chuẩn độ của
dung dịch DA bằng Hg(II)
cho thấy DA và Hg(II) phản
ứng theo tỷ lệ 2:1 về số mol.
Khi thêm Na2S2O3 với
nồng độ gấp 10 lần Hg(II) vào dung dịch phản ứng giữa DA và Hg(II),
cường độ huỳnh quang trở lại như ban đầu của DA tự do, chứng tỏ
phản ứng giữa DA và Hg(II) là thuận nghịch. DA là chemosensor.
Trong khoảng nồng độ Hg(II) từ 15 đến 240 ppb, phương trình
biểu diễn mối quan hệ cường độ huỳnh quang dung dịch DA với
nồng độ Hg(II) là: I = (879,9 ± 3,2) + (-2,6 ± 0,0) x [Hg(II)], với
R=0,999. Giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng Hg(II) tương
ứng là 2,8 và 9,5 ppb.
c. Ứng dụng DA phát hiện Cu(II)
Khảo sát phổ huỳnh quang chuẩn độ dung dịch DA bằng Cu(II)
cho thấy, phản ứng giữa DA và Cu(II) cũng theo tỷ lệ 2:1 về số mol.
Cường độ huỳnh quang dung dịch phản ứng giữa DA và Cu(II)
cũng trở lại ban đầu như DA tự do nếu thêm EDTA với nồng độ gấp 10
lần so với Cu(II)). DA là chemosensor phát hiện Cu(II).
450 480 510 540 570 600 630
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
DA DA + Pb
2+
, Cd
2+
, Cr
3+
Zn
2+
, Fe
2+
, Co
2+
Ni
2+
, Ba
2+
, Al
3+
Ca
2+
, Mg
2+
K
+
, Na
+
DA + Ag
+
, Hg
2+
, Cu
2+
C-êng®éhuúnhquang(a.u)
B-íc sãng (nm)
Hình 3.52. Phổ huỳnh quang của dung dịch DA
trong sự hiện diện các ion kim loại: DA (3µM) trong
EtOH/H2O (1/9, v/v), các ion kim loại Ag(I), Hg(II),
Cu(II), Pb(II), Cd(II), Cr(III), Zn(II), Fe(II), Co(II),
Ni(II), Ba(II), Al(III), Ca(II), Mg(II), K(I) và Na(I)
(15 µM cho mỗi ion kim loại) bước sóng kích thích
390 nm

18
450 500 550 600
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
(10)
(9)
(8)(7)
(6)(5)
(4)(3)
(2)
(1)
B-íc sãng (nm)
Hình 3.67. Phổ huỳnh quang khảo sát khả
năng xác định riêng lẻ các ion Hg(II), Cu(II)
và Ag(I) trong hỗn hợp: (1) DA; (2) DA +
Ag(I) + Hg(II) + Cu(II); (3) DA + Ag(I) +
Hg(II) + Na2S2O3 + Cu(II) + EDTA; (4) DA
+ Ag(I); (5) DA + Ag(I) + Hg(II) + Cu(II) +
EDTA; (6) DA + Ag(I) + Hg(II); (7) DA +
Ag(I) + Hg(II) + Na2S2O3 + Cu(II); (8) DA +
Ag(I) + Cu(II); (9) DA + Hg(II); (10) DA +
Cu(II) (nồng độ DA, ion kim loại, Na2S2O3,
và EDTA tương ứng là: 3µM; 0,6µM;
100µM; và 100µM)
Trong khoảng nồng độ Cu(II) từ 4,8 đến 67,2 ppb, cường độ
huỳnh quang dung dịch DA quan hệ tuyến tính chặt chẽ với nồng độ
Cu(II) và được xác định bởi phương trình: I = (882,9 ± 2,6) + (-10,5±
0,1) x [Cu(II)], R=0,999. Giới hạn phát hiện và định lượng Cu(II)
tương ứng là 0,8 và 2,7 ppb.
d. Ứng dụng DA phát hiện Ag(I)
Khảo sát phổ huỳnh quang chuẩn độ dung dịch DA bằng Ag(I)
cho thấy, phản ứng giữa DA và Ag(I) theo tỷ lệ 1:1 về số mol.
Khi thêm Na2S với nồng độ gấp 10 lần Ag(I) vào dung dịch phản
ứng giữa DA và Ag(I), cường độ huỳnh quang trở lại như ban đầu của
DA tự do. DA cũng là một chemosensor phát hiện Ag(I).
Phương trình biểu diễn mối quan hệ cường độ huỳnh quang dung dịch
DA với nồng độ Ag(I) từ 16 đến 194 ppb là: I = (874,0 ± 2,2) + (-3,4 ±
0,0) x [Ag(I)], R=0,999. Giới hạn phát hiện và định lượng Ag(I) tương
ứng là 1,0 và 3,4 ppb.
e. Ứng dụng DA phát hiện
đồng thời Hg(II), Cu(II) và
Ag(I)
Thực nghiệm cho thấy, sự
thay đổi cường độ huỳnh quang
của DA bởi Hg(II) hoặc Cu(II)
có thể được ngăn chặn khi thêm
Na2S2O3 hoặc EDTA tương ứng
vào các dung dịch. Điều này
cho thấy khả năng sử dụng DA
để phát hiện định lượng đồng
thời Hg(II), Cu(II) và Ag(I).
Hình 3.67 trình bày khả năng
sử dụng DA phát hiện đồng thời
Hg(II), Cu(II) và Ag(I). Trước
tiên, Ag(I) được phát hiện dựa
trên sự biến đổi cường độ huỳnh
quang giữa dung dịch (1) với dung dịch (3). Tiếp theo, Hg(II) được

19
phát hiện dựa trên sự biến đổi cường độ huỳnh quang giữa (3) với
(5). Cuối cùng, Cu(II) có thể phát hiện dựa trên sự biến đổi cường độ
huỳnh quang giữa (3) với (7). Sự hiện diện các ion kim loại, Na2S2O3
và EDTA không ảnh hưởng đến việc phát hiện định lượng từng ion
kim loại.
Mối quan hệ giữa biến thiên cường độ huỳnh quang dung dịch DA
với nồng độ các ion kim loại đã được xác định như sau:
∆I[Hg(II)] = (-6,6 ± 3,2) + (2,6 ± 0,0) x [Hg(II)], R=0,999,
khoảng nồng độ Hg(II) từ 15 đến 240 ppb.
∆I[Cu(II)] = (-9,7 ± 2,6) + (10,5 ± 0,0) x [Cu(II)], R=0,999,
khoảng nồng độ Cu(II) từ 5 đến 67 ppb.
∆I[Ag(I)] = (3,1 ± 2,2) +
(3,6 ± 0,0) x [Ag(I)],
R=0,999, khoảng nồng độ
Ag(I) từ 16 đến 194 ppb.
f. nh hưởng pH
Kết quả thực nghiệm
cho thấy DA có thể phát
hiện Hg(II), Cu(II) và Ag(I)
trong khoảng pH khá rộng,
từ 5 đến 9.
3.2.3.2. Nghiên cứu lý
thuyết ứng dụng DA
a. Hình học bền và
năng lượng tương tác
của các phức
Hình học bền của các
phức DA với Ag(I), Hg(II)
và Cu(II) theo tỷ lệ 1:1, 2:1
và 2:1 thể hiện ở Hình 3.70.
Trong đó phức giữa DA với Ag(I) có hai cấu trúc bền là S1 và S2. Ở
S1 và S2, các liên kết tạo phức gồm AgN và AgS; S3 và S4 các
liên kết tạo phức là HgS và CuN. Ngoài ra, S2 còn có liên kết
Hình 3.70. Hình học bền của các phức hình thành
giữa DA và các ion kim loại tại B3LYP/LanL2DZ
(đơn vị độ dài là Å, đơn vị góc là (0
))
S1
S2
S3
S4

20
AgAg. Các liên kết này được cho là hình thành dựa trên kết quả
tính toán khoảng cách giữa các nguyên tử nhỏ hơn đáng kể so với
tổng bán kính Van der Waals của nguyên tử tham gia liên kết. Sự
hình thành các phức đều thuận lợi về mặt nhiệt động, trong đó phức
S2 thuận lợi hơn so S1.
b. Phân tích AIM
Phân tích AIM đã chỉ ra có sự hiện diện các điểm tới hạn liên kết
(BCP) giữa các tiếp xúc AgN, AgS, HgS, và CuN trong các
phức và AgAg trong S1. Tất cả các giá trị 2
(ρ(r)) tại các điểm
BCP trên đều lớn hơn 0. Vì vậy, tất cả những tương tác trên là liên
kết ion. Kết quả phân tích AIM cũng đã phát hiện sự tồn tại các điểm
tới hạn vòng (RCP), tức là có hình thành vòng trong phức S1 và S2.
c. Phân tích NBO
Kết quả phân tích NBO cho thấy, sự hình thành các phức đã dẫn
đến sự dịch chuyển mạnh mật độ electron từ các phối tử DA sang các
ion kim loại trung tâm, làm thay đổi mức độ hệ thống liên hợp
electron π trong DA, dẫn đến làm thay đổi tín hiệu huỳnh quang.
d. Phân tích năng lượng kích thích, HOMO, LUMO và MO biên
Đối với phức S1, ở trạng thái kích thích, bước chuyển từ HOMO
lên LUMO tuy có cường độ dao động lớn, nhưng do năng lượng kích
thích bé, bước sóng phát xạ huỳnh quang chuyển về vùng bước sóng
dài, không quan sát được trong thực tế. Thêm vào đó, việc chuyển
electron qua lại giữa HOMO (nơi electron tập trung ở khu vực ion
kim loại) với LUMO (nơi electron chủ yếu ở fluorophore), có thể
không gây ra hiện tượng huỳnh quang do khoảng cách không gian.
Các bước chuyển còn lại không phải từ HOMO lên LUMO không
đưa đến huỳnh quang do xảy ra quá trình PET từ cặp electron của
HOMO. Kết quả huỳnh quang dập tắt trong S1.

21
Đối với phức S2, ở trạng thái kích thích, bước chuyển chính là từ
S0 lên S3, tương ứng từ MO139 lên MO141 và từ MO140 lên
MO142. Trong đó, bước chuyển từ MO139 lên MO141 không
dẫn đến huỳnh quang do xảy ra quá trình PET từ MO140 đến
MO139. Bước chuyển từ MO140 lên MO142 cũng không dẫn
đến huỳnh quang, có
thể là do nguyên nhân
về khoảng cách không
gian như trong S1. Các
kết quả trên dẫn đến
dập tắt huỳnh quang
trong S2.
Ngoài ra, trong cả
hai phức S1 và S2, do
sự dịch chuyển mạnh
mật độ electron từ các
phối tử DA đến ion
kim loại, từ MO131
đến MO140, mật độ
electron chủ yếu tập
trung khu vực ion kim
loại. Quá trình chuyển
electron từ trạng thái
cơ bản lên trạng thái
kích thích xảy ra ở
fluorophore phải trải
qua bước chuyển năng
lượng lớn, từ MO130
đến MO141. Do đó,
các phức S1, S2 không
thể kích thích để phát
huỳnh quang bởi năng
Hình 3.72. Giản đồ năng lượng các MO biên của DA và S1

22
lượng ánh sáng như khi kích thích chemosensor tự do, dẫn đến huỳnh
quang dập tắt.
Đối với phức S3, sự hình thành phức dẫn đến khoảng cách năng
lượng giữa HOMO và LUMO trong phức rất nhỏ, khoảng 0,65 eV.
Do bước chuyển HOMO→LUMO là bước chuyển chính trong S3,
nên bước sóng phát xạ huỳnh quang trong S3 lớn hơn 1451 nm và
không quan sát thấy
trong thực tế.
Ở trạng thái kích
thích trong phức S4,
sự hình thành phức
kèm theo quá trình
chuyển 1 electron từ
DA sang Cu(II). Kết
quả dẫn đến MO131
chỉ chứa 1 electron.
Sự dập tắt huỳnh
quang trong S4 có thể
do các nguyên nhân:
bước chuyển electron
từ MO131 lên
MO132 có độ bội
bằng 2, nên trạng thái
kích thích là doublet,
không phải trạng thái
kích thích singlet; các
bước chuyển khác
không dẫn đến huỳnh
quang do xảy ra quá
trình PET từ MO có
mức năng lượng nằm

23
ở giữa mỗi bước chuyển.
NHỮNG KẾT LUẬN CHÍNH CỦA LUẬN ÁN
1. Lần đầu tiên, một sự kết hợp linh hoạt, hoàn chỉnh giữa tính toán
hóa học lượng tử và nghiên cứu thực nghiệm đã được áp dụng
thành công trong nghiên cứu phát triển hai sensor huỳnh quang
mới là chemodosimeter DT và chemosensor DA. Đối với
chemodosimeter DT, tính toán đã dự đoán và định hướng cho tất
cả các quá trình; nghiên cứu thực nghiệm sau đó đã kiểm chứng
và khẳng định lại các kết quả tính toán. Đối với chemosensor DA,
tính toán chỉ dùng để dự đoán và định hướng cho thực nghiệm ở
giai đoạn thiết kế, tổng hợp và đặc trưng của sensor; ứng dụng của
chemosensor DA được nghiên cứu trước từ thực nghiệm, và sau
đó, tính toán lý thuyết dùng để giải thích và làm rõ bản chất các
kết quả từ thực nghiệm. Sự kết hợp linh hoạt này đã giảm đáng kể
khối lượng tính toán lý thuyết và thực nghiệm, tăng khả năng
thành công, tiết kiệm thời gian và chi phí hóa chất sử dụng.
2. Các fluorophore, receptor và spacer, cũng như phản ứng tổng
hợp các chemodosimeter DT và chemosensor DA đã được định
hướng trước từ tính toán và thực nghiệm đã cho thấy hoàn toàn
phù hợp với lý thuyết.
3. Cấu trúc, đặc tính và ứng dụng của chemodosimeter DT và
chemosensor DA đã được xác định tại B3LYP/LanL2DZ với kết
quả đáng tin cậy, thông qua kiểm tra, đối chiếu và khẳng định từ
các kết quả thực nghiệm. Dữ liệu phân tích nhiễu xạ đơn tinh thể
tia X của DA đã được lưu trữ tại Trung tâm dữ liệu tinh thể
Cambridge, Vương Quốc Anh.
4. DT là một chemodosimeter huỳnh quang, có thể phát hiện chọn
lọc Hg(II) với giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng tương
ứng là 50 và 166 ppb; phản ứng xảy ra gần như tức thời; sử dụng
một lượng nhỏ dung môi hữu cơ và không bị ảnh hưởng bởi các
ion kim loại khác bao gồm Zn(II), Cu(II), Cd(II), Pb(II), Ag(I),
Fe(II), Cr(III), Co(III), Ni(II), Ca(II), Mg(II), K(I) và Na(I).

24
Chemodosimeter DT phát hiện chọn lọc Hg(II) đã được giải thích
là do Hg(II) gây nên phản ứng đặc trưng với DT- phản ứng giữa
dẫn xuất thiourea với amin tạo vòng guanidine khi có mặt Hg(II).
Phản ứng giữa chemodosimeter DT với Hg(II) đã được nghiên
cứu bằng phương pháp tính toán và khẳng định bởi phổ 1
H NMR,
phổ 13
C NMR và phổ khối MS.
5. DA là một chemosensor có thể phát hiện đồng thời các ion
Hg(II), Cu(II) và Ag(I) trong các mẫu thực tế nhờ những đặc
tính nổi bật của nó, bao gồm: giới hạn phát hiện và giới hạn định
lượng thấp, tương ứng là 2,8 và 9,5 ppb; 0,8 và 2,7 ppb; 1,0 và
3,4 ppb; khoảng pH rộng, từ 5 đến 9; sử dụng một lượng nhỏ
dung môi hữu cơ; không bị ảnh hưởng của các ion kim loại cạnh
tranh, bao gồm Na(I), K(I), Pb(II), Cd(II), Co(II), Ca(II), Ba(II),
Mg(II), Zn(II), Fe(II), Ni(II), Al(III) và Cr(III). Phản ứng tạo
phức giữa DA với Hg(II), Cu(II) và Ag(I), cũng như cấu trúc
hình học và đặc điểm các liên kết trong các phức đã được nghiên
cứu và xác định.
6. Đặc tính huỳnh quang, cũng như sự thay đổi tín hiệu huỳnh
quang trước và sau khi các sensor tương tác với chất phân tích
đã được nghiên cứu thông qua phân tích trạng thái kích thích
bằng phương pháp TD-DFT và nghiên cứu bản chất các liên kết
từ phân tích NBO. Theo đó, Hg(II) gây nên phản ứng tách loại
lưu huỳnh và đóng vòng guanidine, kích hoạt quá trình PET, dẫn
đến dập tắt huỳnh quang khi tương tác với DT. Trong khi, huỳnh
quang dập tắt trong các phức giữa DA với các ion Hg(II), Cu(II)
và Ag(I) là do sự hình thành phức kèm theo chuyển dịch mạnh
mẽ mật độ electron từ các phối tử DA đến các ion kim loại đã
dẫn đến thay đổi cấu trúc và mức độ liên hợp của hệ thống
electron π trong fluorophore.

HUE UNIVERSITY
HUE UNIVERSITY OF EDUCATION
NGUYEN KHOA HIEN
DESIGN, SYNTHESIS, AND APPLICATION OF
FLUORESCENT SENSORS BASED ON
DIMETHYLAMINOCINNAMALDEHYDE AND
DANSYL DERIVATIVES
Major: Theoretical Chemistry and Physical Chemistry
Code: 62.44.01.19
SUMMARY OF CHEMICAL DOCTORAL THESIS
HUE, 2016

The thesis was completed at:
Hue University of Education – Hue University
Supervisors: Assoc. Prof. Dr. Duong Tuan Quang
Assoc. Prof. Dr. Nguyen Tien Trung
Referee 1:
Referee 2:
Referee 3:
The thesis will be defended in front of doctoral thesis
judgement, held at Hue University at ….............................…....
................................................................................................
At o’clock day month year
The thesis can be found at:
- Vietnam National library
- Hue University of Education library

LIST OF WORKS HAS BEEN PUBLISHED
1. Duong Tuan Quang, Nguyen Van Hop, Nguyen Dinh Luyen,
Ha Phuong Thu, Doan Yen Oanh, Nguyen Khoa Hien,
Nguyen Van Hieu, Min Hee Lee and Jong Seung Kim
(2013), A new ﬂuorescent chemosensor for Hg2+
in aqueous
solution, Luminescence., 28, pp. 222-225.
2. Nguyen Khoa Hien, Phan Tu Quy, Nguyen Tien Trung, Vo
Vien, Dang Van Khanh, Nguyen Thi Ai Nhung and Duong
Tuan Quang (2014), A dansyldiethylenetriaminethiourea
conjugate as a fluorescent chemodosimete for Hg2+
ions in
water media, Chemistry Letters, 43, pp. 1034-1036.
3. Nguyen Khoa Hien, Nguyen Chi Bao, Nguyen Thi Ai
Nhung, Nguyen Tien Trung, Pham Cam Nam, Tran Duong,
Jong Seung Kim, Duong Tuan Quang (2015), A highly
sensitive ﬂuorescent chemosensor for simultaneous
determination of Ag(I), Hg(II), and Cu(II) ions: Design,
synthesis, characterization and application, Dyes and
Pigments, 116, pp. 89-96.
4. Nguyen Khoa Hien, Nguyen Thi Ai Nhung, Ho Quoc Dai,
Nguyen Tien Trung, Duong Tuan Quang (2015), A
fluorescent sensor based on dansyl-diethylenetriamine-
thiourea conjugate: design, synthesis, characterization, and
application, Vietnam Journal of Chemistry, 53(5e) pp. 541-
547.
5. Nguyen Khoa Hien, Nguyen Chi Bao, Phan Thi Diem Tran,
Nguyen Van Binh, Duong Tuan Quang (2015), A fluorescent
chemosensor based on dimethylaminocinnamaldehyde-
aminothiourea for highly sensitive simultaneous
determination of silver, mercury, and copper ions, The
Analytica Vietnam Conference 2015, Ho Chi Minh City,
April 15-16, 01-07, pp. 13-17.

1
INTRODUCTION
The first fluorescent sensor has been announced by Czarnik at
Ohio University in 1992. Up to date, hardly a week goes by without a
new fluorescent sensor being announced in the world. This is due to
the fact that fluorescence-based analytical methods are often sensitive
to the analytes, less expensive, easy to implement. Addtionally, these
methods do not require expensive equipments and can detect the
analytes in living cells. The fluorescence sensor was applied to detect
many different objects, especially heavy and toxic metal ions such as
mercury (II), copper (II) and silver (I) ions.
The development of new fluorescent sensors has been attracting
the attention of scientists. Thus, a scientific basis for the design,
synthesis and application of fluorescent sensor is very important.
This leads to reduced time, costs and increase the likelihood of
success of the research. Currently, quantum chemistry calculations
strongly supported by the development of information technology has
become an important tool in chemical research. Many physical and
chemical properties can be predicted or elucidated from theoretical
calculated results. Meanwhile, a complete study with a combination
of theoretical calculations and experimental investigations for process
of the design, synthesis and application of fluorescent sensors is still
unpublished, or very little published.
In Vietnam, the fluorescent sensors have been studied by Duong
Tuan Quang since 2007, including: calix[4]arene based chemosensors
for determination of Fe(III), F-
, Cs+
and Cu(II) ions; chemosensor based
on 1,2,3-triazole for determination of Al(III) ions; and chemosensor
based on rhodamine derivative for determination of Hg(II) ions.
Recently, dansyl derivatives have been used to design the fluorescent
sensors because of their strong fluorescence and flexibility. However,
the fluorescent sensors using derivatives of dansyl based on the
characteristic reaction of Hg(II) ion for determination of Hg(II) ion to
increase the selectivity of the sensors, are still unpublished or very little

published. An another fluorescent compound, 4-N, N-dimethylamino
cinnamaldehyde, still has not, or very rarely been used to develop the
fluorescent sensors for detection of Hg(II), Cu(II) and Ag(I) ions.
From demand and situation of studying the fluorescent sensors in the
world and Vietnam, we conducted the project "Design, synthesis, and
application of fluorescent sensors based on dimethylaminocinnamaldehyde
anddansylderivatives".
New findings of the thesis:
- A new fluorescent chemodosimeter DT has been reported with using
derivatives of dansyl based on the specific reaction of Hg(II) ion, a
reaction between of thiourea derivatives and amine to form guanidine ring
in the presence of Hg(II) ion. Chemodosimeter DT can detect Hg(II) by
photoinduced electron transfer (PET) ON-OFF mechanism, with limit of
detection and limit of quantification of 50 and 166 ppb, respectively.
- A new ON-OFF fluorescent sensor DA based on 4-N,N-
dimethylaminocinnamaldehyde can be used as a chemosensor for
simultaneous quantification of Hg(II), Cu(II), and Ag(I) ions in
aqueous medium. The limits of detection and limits of quantification
for Hg(II), Cu(II), Ag(I) ions are 2.8 and 9.5 ppb; 0.8 and 2.7 ppb; 1.0
and 3.4 ppb, respectively.
- Through the good results of flexible combination between
theoretical calculations and experimental study in the design,
synthesis and application of chemodosimeter DT and chemosensor
DA, a scientific basis for research and development of new
fluorescent sensors was presented.
Chapter 1. OVERVIEW
1.1. Overview of fluorescent sensors
1.1.1. Current situation of fluorescent sensors
1.1.2. Operating principles of fluorescent sensors
1.1.3. Structure of fluorescent sensors
1.1.4. Design principles of fluorescent sensors
1.2. The sources of pollution, toxicities and methods for detection
of Hg(II), Cu(II) and Ag(I) ions

1.3. Fluorescent sensors for detection of Hg(II), Cu(II) and Ag(I) ions
1.3.1. Fluorescent sensors based on the characteristic reactions of metal ions
1.3.2. Fluorescent sensors based on the their reactions with metal
ions to form complexes
1.3.3. Fluorescent sensors based on the cation-π interaction
1.3.4. Fluorescent sensors for simultaneous detection of
Hg(II), Cu(II) and Ag(I) ions
1.4. Fluorescent sensors based on 4-N, N-
dimethylaminocinnamaldehyde and dansyl derivatives as
fluorophores for detection of Hg(II), Cu(II), and Ag(I) ions
1.4.1. Fluorescent sensors based on dansyl derivative as fluorophores
for detection of Hg(II) ions
1.4.2. Fluorescent sensors based on 4-N, N-dimethylaminocinnamaldehyde
derivative as fluorophores for detection of Hg(II), Cu(II), and Ag(I) ions
1.5. Overview of application of computational chemistry in the
study on fluorescent sensors
Chapter 2. RESEARCH CONTENTS AND METHODS
2.1. Research objectives
2.2. Research contents
- Study on the design, synthesis, and application of dansyl derivatives-
based chemodosimeter DT for selective detection of Hg(II) ions.
- Study on the design, synthesis, and application of DACA-based
chemosensor DA for detection of Hg(II), Cu(II), and Ag(I) ions.
2.3. Research methods
2.3.1. Theoretical calculation methods
- Geometry optimizations and single point energy calculations of
molecules were carried out using the density functional theory (DFT)
method and Gaussian 03 program. The B3LYP density functional
theory was applied using the LanL2DZ basis set.
- The interaction energies corrected for ZPE include the variation
of enthalpy and variation of Gibbs free energy were derived as the
difference between the total energy of the reaction products and the
energy of the reactant substances.

- The excited state and the time-dependent factors were carried
out using time-dependent density functional theory (TD-DFT) at the
same theory level as the geometry optimisation procedure.
- AIM and NBO analyses were executed at the B3LYP/LanL2DZ
level of theory.
2.3.2. The experimental investigation methods
- The structures of compounds were confirmed by 1
H NMR and
13
C NMR spectrum, IR spectrum, mass spectrometry, and X-ray
single crystal diffraction analysis.
- The characteristics and applications of the sensors were
performed by fluorescence spectroscopy and UV-Vis spectroscopy.
Chapter 3. RESULTS AND DISCUSSION
3.1. Design, synthesis, characteristics, and application of DT-
chemodosimeter based on dansyl – diethylenetriamine - thiourea
conjugate for selective detection of Hg(II) ion
3.1.1. Theoretical design, synthesis, characteristics and
application of DT
3.1.1.1. Survey on the calculation method
To use the B3LYP/LanL2DZ level of theory for research compounds,
a comparison between the calculated results and the experimental structure
of dansyl chloride (DC) has been carried out. The results showed no
difference, indicating that the selected level of theory is possible to apply
to the research system with
reliable results.
3.1.1.2. Selection of
fluorophore and receptor for
DT
DC was selected as a
material for synthesis of DT, but
it was not fluorescent. Therefore,
dansyl sunfonamide (DNSF)
was selected as a fluorophore,
Fig. 3.4. The HOMO and LUMO energy values of
the DC, DNSF, PITC and aminothiourea at the
B3LYP/LanL2DZ level of theory

while amino thiourea and phenylisothiocyanate (PITC) were selected as
receptors for investigation. Fig.3.4 shown that if aminothiourea was
selected as the receptor, the fluorescence of sensor could be quenched.
This was due to the PET process from the receptor to the fluorophore.
Therefore, phenyl isothiocyanate was selected as a receptor for the
design of an ON-OFF fluorescent sensor.
3.1.1.3. Theoretical synthetic reaction of DT
a. The reaction between DC and diethylenetriamin
The reaction between DC and diethylenetriamine to form directly
sulfonamides does not occur (the free energies are positive). The
sulfonamides were formed via the ammonium salts (Fig.3.5). The
enthalpies (∆H298
) and free energy (∆G298
) of reaction (2) are the
most negative. Accordingly, B is the preferred product of the reaction
between DC and diethylenetriamine. The reaction between B and sodium
hydroxide to form the P1 (reaction (6)) is energetically favorable with a
∆H298
value of -47.5 kcal.mol-1
and a ∆G298
value of -684.0 kcal.mol-1
.
b. The reaction between
P1 and PITC
There are three
products (DT, DT-1 and
DT-2) that can be formed
from the reaction
between P1 and phenyl
isothiocyanate (Fig.3.7).
The results showed that
∆H298
and ∆G298
of
reaction (8) are the most
negative. Accordingly,
DT is the preferred
product of the reaction
between P1 and phenyl
isothiocyanate.
Fig.3.5. The possible products from the
reaction between DC and
diethylenetriamine

In order to predict the possibility of a chemical reaction, the necessary
conditions are not only thermodynamics but also kinetics. In principle,
computational chemistry can determine the rate of reaction. However, for
the complex reactions, the
calculation will take much
time. Therefore, the process
of calculating was stopped at
predicting the possibility and
products of reactions based
on the thermodynamic
parameters, then the
experimental studies were
deployed which aim to give
faster results. The flexible
combination between the
calculation and experiment
reduced the workload of
theoretical or experimental
investigations.
3.1.1.4. Theoretical characteristics of DT
a. The molecular structure
of DT
The bond lengths, bond
angles, and dihedral angles of
DT were calculated. In
particular, these values of DC
and diethyltriamine moiety in
DT exhibited little change
compared to the free DC and
diethyltriamine compounds.
b. UV-Vis spectral analysis of DT
The UV-Vis spectra of DC showed two bands at 485.2 and 1055.6
nm, DNSF showed two bands at 262.0 and 390.0 nm, DT showed a
Fig.3.8. The optimized geometry of DT at the
B3LYP/LanL2DZ level of theory
Fig.3.7. The possible products from the reaction
between P1 and phenyl isothiocyanate

band at 387.5 nm. Accordingly, DT and DNSF showed the same band
at about 390 nm. This result led to expectation that the fluorescent
properties of DT would be similar with DNSF fluorophore. It also
indicated that the using DNSF as a fluorophore would be obtained
more accurate results than DC in theoretical studies.
c. Fluorescent properties analysis of DT
Table 3.5. Calculated excitation energy (E), wavelength (λ), and oscillator strength (f) for
low-laying singlet state of DC, DNSF, PITC and DT at B3LYP/LanL2DZ
Compound Main
orbital
transition
E
(eV)
λ
(nm)
f CIC
DC S0→S1 60→61 1.17 1055.6 0.0459 0.648
DNSF S0→S1 61→62 3.18 390.0 0.0908 0.668
S0→S5 58→62 4.73 262.0 0.1137 -0.219
59→62 0.454
60→63 -0.178
60→64 0.312
61→64 0.185
61→65 0.192
PITC S0→S2 29→33 4.57 271.0 0.3670 -0.264
30→31 0.608
DT S0→S1 114→116 3.20 387.5 0.0974 0.668
Table 3.5 showed that the singlet electronic transition of DT is
mainly contributed by the MO114→MO116 transitions at 387.5 nm.
There were not any MOs belonging to receptor which their energy levels
lay between MO114 and MO116 (Fig.3.14). Therefore, the PET
process from receptor to fluorophore did not occur in DT. Although
there was MO115 belonging to spacer which its energy level lay
between MO114 and MO116, but the difference in energy between
MO115 and MO114 was too small (0.1 eV), so the PET process from
MO115 to MO114 occured with the negligible constant. These results
led to an expectation that the fluorescent properties of DT would be
similar with DNSF fluorophore. However, the fluorescence quantum

Fig.3.14. Frontier orbital energy diagram of the isolated fluorophore and receptor, and DT
free chemodosimeter (The energy levels are relative, not in proportion)
yield of DT may be not great because of the impact of above PET
process.
3.1.1.5. Aapplication of DT
a. Reaction between DT and Hg(II)
Figure 3.15 showed that there are two possible products (DG and
DG−1) from the reaction between DT and Hg(II). The calculated results
indicated the free energy
(∆G298
) and enthalpies
(∆H298
) of reaction (12)
were -9.9 kcal.mol-1
and
-11.8 kcal.mol-1
,
respectively, which was
in turn more negative
than those of the reaction
(13). Consequently, the
formation of DG was
thermodynamically
favorable.
Fig.3.15. The possible products from the reaction
between chemodosimeter DT and Hg(II)

Fig.3.19. Frontier orbital energy diagram of DG and DT
(The energy levels are relative, not in proportion)
b. UV-Vis and fluorescence spectral analysis of DG
Table 3.6. Calculated excitation energy (E), wavelength (λ), and oscillator strength (f) for
low-laying singlet state of DG at B3LYP/LanL2DZ
Compound Main
orbital
transition
E
(eV)
λ
(nm)
F CIC
DG S0→S1 111→112 2.28 542.4 0.0004 0.706
S0→S2 110→112 2.79 444.0 0.0062 0.536
111→113 0.457
S0→S3 110→112 2.81 441.1 0.0040 -0.457
S0→S4 109→112 3.07 403.8 0.0993 0.670
The prediction result of UV-Vis spectra of DG showed a band at
403.8 nm with an oscillator strength of 0.0993.
Table 3.6 showed that the oscillator strengths of all the singlet
electronic transitions in the excited states of DG were negligible. The
singlet electronic transition of DG was mainly contributed by the S0→S4
(MO109→MO112) transitions at 403.8 nm with the most strong
oscillator strength of 0.0993. The PET process from receptor to
fluorophore occurred in DG because MO110 and MO111 belonging
to receptor which their energy levels were between MO-109 and
MO110 (Fig.3.19). Therefore, there was an expectation that the

fluorescence of DG was quenched and DT could be used as an ON-OFF
fluorescent sensor for selective detection of Hg (II).
3.1.2. Experimental design, synthesis, characteristics and
application of chemodosimeter DT
3.1.2.1. Experimental synthesis of chemodosimeter DT
a. Synthesis of dansyl-diethylenetriamine
Diethyltriamine (8.58 mL, 80 mmol) was dissolved in 20 ml
CH3CN and cooled to 0o
C. The solution was added dropwise dansyl
chloride (2.70 g, 10 mmol, dissolved in 100 mL CH3CN). The
reaction mixture was stirred for 6 hours at room temperature, then
was concentrated in vacuo. The mixture was added 100 mL of water
and was acidified (ca. pH=3) by HCl solution before was added 25
mL of ethyl ether, shook, extracted, and removed the organic phase
(3 times). Then the obtained aqueous phase was basified with NaOH
solution (2M) until the solution became muddy (about 25 mL),
followed by the extraction with CH2Cl2, and dried over anhydrous
Na2SO4. The solvent was evaporated in vacuo to provide 2.42 g of a
dark yellow solid (yield, 72.0%). The structure of dansyl-
diethylenetriamine was obtained via 1
H NMR and FAB-MS spectra.
b. Synthesis of chemodosimeter DT
Dansyl-diethyltriamine (337 mg, 1.0 mmol) and phenyl
isothiocyanate (0.25 mL, 1.3 mmol) were combined in 30 mL of
distilled acetonitrile. The reaction solution was allowed to reflux for
6 hours under N2 atmosphere and stirred overnight at room
temperature. Then the solution was added by 200 mL of water and
extracted with 100 mL of CH2Cl2. The organic phase was washed
with water and dried over anhydrous MgSO4. The solvent was
evaporated under reduced pressure in vacuum concentrator and the
residue was purified via silica gel (eluent: CH2Cl2/ethyl acetate =
6/1). The solvent was evaporated under reduced pressure in vacuum
concentrator to give 387 mg of DT with 82% yield. The structure of
DT was confirmed by 1
H NMR, 13
C NMR and FAB-MS spectra.

3.1.2.2. Application of DT
a. The UV-Vis and fluorescence spectra of DT
As expected from calculations, DT exhibited a characteristic
absorption band peaked at 330 nm and gaves rise to an extensively
green emission at 529 nm with a quantum yield of 0.11.
b. UV-Vis and fluorescence titration spectra of DT with Hg(II)
Fig.3.26 showed that Hg (II) reacted and changed the UV-Vis,
and fluorescence spectra of DT was also as the expectation from
theoretical calculation. The fluorescence intensity of DT was
gradually quenched by increasing the concentration of Hg(II) ions.
250 300 350 400 450
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Absorbance
Wavelength (nm)
400 450 500 550 600 650 700
0
20
40
60
80
100
120
140
FluorescenceIntensity(a.u.)
Fluorescence intensity (nm)
(a) (b)
Fig.3.25. UV-Vis and fluorescence spectra of DT: (a) UV-Vis spectra, DT (10 µM) in
C2H5OH /H2O (1/9, v/v), pH ~ 7; (b) fluorescence spectra, DT (10 µM) in
C2H5OH/H2O (1/9, v/v), pH ~ 7, excitation wavelength at 330 nm.
450 500 550 600 650
0
20
40
60
80
100
120
140
Hg
2+
titration
Fluorescenceintensity(a.u.)
Wavelength (nm)
(b)
250 300 350 400 450
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Hg
2+
titration
Absorbance
Wavelength (nm)
(a)
Fig.3.26. The UV-Vis and fluorescence spectra of DT with Hg(II): (a) UV-Vis spectra, DT
(10 µM) in C2H5OH/H2O (1/9, v/v), pH ~7, Hg(ClO4)2 (0, 2, 4, 6, 8, 10, 12 µM); (b)
Fluorescence spectra, DT (10 µM) in C2H5OH/H2O (1/9, v/v), pH ~7, Hg(ClO4)2 (0, 1, 2, 3, 4,
5, 6.5, 7, 7.5, 8, 9, 10, 12 µM), excitation wavelength at 330 nm

0 2 4 6 8 10 12 14 16
20
40
60
80
100
120
140
[Hg
2+
], µM
Fig.3.27. The graph for determination of the
molar ratio of the reaction between Hg(II)
and DT: DT 10 µM in C2H5OH/H2O (1/9, v/v)
pH ~7, emission wavelength at 529 nm,
excitation wavelength at 330 nm.
c. Reaction between DT and Hg(II)
Fig.3.27 showed that DT and Hg(II)
react in a 1:1 molar ratio. The product
(DG) of the reaction between DT and
Hg(II) were synthesized and its structure
was perfectly conformity with the
calculated results. DG was not
fluorescnece. When 2 equiv of EDTA
were added to the resulting solution of the
reaction between DT and Hg(II), no
distinct change in the fluorescence spectra
was observed. Therefore, the reaction
between DT and Hg (II) was irreversible. DT was a fluorescent
chemodosimeter.
d. Effects of the competing metal ions
Fig.3.31 indicated that DT could detect selectively Hg(II) in the
presence of the competing metal ions, including Zn(II), Cu(II),
Cd(II), Pb(II), Ag(I), Fe(II), Cr(III), Co(III), Ni(II), Ca(II), Mg(II),
K(I) and Na(I) with a 1.5 times higher concentration of DT.
Fig.3.31. UV-Vis and Fluorescence spectra of DT in the presence of the metal ions
a) UV-vis spectra, b) Fluorescence spectra: DT (10 µM) in C2H5OH/H2O (1/9, v/v) at
pH ~7, excitation wavelength at 330 nm. i) DT (10 µM); ii) DT + Hg(II) (15 µM); iii)
DT + other metal ions including Zn(II), Cu(II), Cd(II), Pb(II), Ag(I), Fe(II), Cr(III),
Co(III), Ni(II), Ca(II), Mg(II), K(I) and Na(I) (15 µM; iv) DT + other metal ions + Hg(II)
(15 µM); v) DG(10µM) in C2H5OH/H2O (1/9, v/v)
(a)
250 275 300 325 350 375 400 425 450
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
DT + other metal ions
DT
DT + Hg
2+
DT + other metal ions + Hg
2+
Absorbance
Wavelength (nm)
(b)
400 450 500 550 600 650
0
20
40
60
80
100
120
140
DT + other metal ions + Hg
2+
DG
DT + Hg
2+
DT + other metal ions
DT
Wavelength (nm)

Fig.3.36. The HOMO and LUMO energy
values of the DACA, PITC and aminothiourea
at the B3LYP/LanL2DZ level of theory
e. Reaction time between Hg (II) and DT
The reaction between Hg(II) and DT occurred almost
immediately, about 20 seconds after adding Hg(II) to DT solution,
which was much faster than announced sensors.
f. Using DT for quantitation of Hg(II)
With different concentrations of Hg(II) ranging from 0.5 to 10μM,
there were good linear relationships between the variation of fluorescence
intensity of DT and Hg(II) concentration. The following equations were
developed from calibration curves: ΔI529 = (2.8 ± 0.8) + (11.3 ± 0.2) x
[Hg(II)], with R=0.999. The limit of detection and quantitation for Hg(II)
were identified to be 0.25 and 0.83 µM, or 50 and 166 ppb, respectively.
3.2. Design, synthesis, characteristic and application of DA-
chemosensor based on 4-N,N-dimethylamino cinnamaldehyde
derivative for simultaneous determination of Hg(II), Cu(II) and Ag(I)
3.2.1. Theoretical design, synthesis, and characteristic of DA
3.2.1.1. Selection of fluorophore and receptor for DA
Fig.3.36 showed that the
HOMO and LUMO energy
levels of PITC and
aminothiourea were not
between the HOMO and
LUMO energy levels of the
DACA fluorophore. Therefore,
both PITC and aminothiourea
were possible to be selected as a
receptor. Herein, amino thiourea
was selected for the design of an
ON-OFFfluorescent sensor.
3.2.1.2. Theoretical synthesis reaction of DA
Four products could be formed from the reaction between DACA and
aminothiourea (Fig.3.37). Calculated results indicated that the reactions
generating DA-1 and DA-2 products did not occur (ΔG298
is positive). ∆H298
and ∆G298
of reactions generating DA-3 and DAproducts were negative.

Fig.3.38. The optimized geometry of DA
at the B3LYP/LanL2DZ level of theory
However, ΔG298
and
ΔH298
of reaction generating
DA product were the most
negative. Accordingly, DA
was thermodynamically
favorable product.
3.2.1.3. Theoretical
characteristics of DA
a. Molecular structure of DA
The bond lengths, bond
angles, and dihedral angles of
DA were calculated at
B3LYP/LanL2DZ level of
theory, and compared with
experimental data obtained by
X-ray diffraction analysis of
crystals of DA. The results indicated
that the B3LYP/LanL2DZ level of
theory was possible to apply to the
research system with reliable results.
b. UV-Vis spectral analysis of DA
The UV-Vis spectra of DACA
showed two bands at 242.5 and
350.0 nm, DA showed two bands at
278.4 and 395.2 nm. The oscillator strength of bands in UV-Vis spectra of
DA was stronger than of DACA. This result led to expectation that the
fluorescent properties of DA would be better than of DACA fluorophore.
c. Fluorescent properties analysis of DA
* The fluorescent ability of chemosensor DA
Table 3.9 indicated that the transition with the strongest oscillator strength
of DA was transition fromS0 ground state to S2 excited state, corresponding to
the MO61 (HOMO)→MO62 (LUMO) transition, at the wavelength of
395.2 nm. There were not any MOs belong to receptor which their energy
Fig.3.37. The possible products from the
reaction between DACA and aminothiourea

Fig.3.43. Frontier orbital energy diagram of free fluorophore, receptor and chemosensor
DA (The energy levels are relative, not in proportion)
levels are between MO61 and MO62. So the PET process from receptor to
fluorophore did not occur in DA. It led to an expectation that DA would be a
fluorescent compound. The next transition is from S0 ground state to S5
excited state. This transition was mainly contributed by MO58→MO62
transition and had a relatively strong oscillator strength, but MO60 belonged
to receptor which its energy level is between MO58 and MO62 and the
PET process occurred from receptor to fluorophore. So this transition did not
result in the fluorescence in DA.
Table 3.9. Calculated excitation energy (E), wavelength (λ), and oscillator strength (f) for low-
laying singlet state of DACA, aminothiourea and DA at B3LYP/LanL2DZ
Compound Main
orbital
transition
E
(eV)
λ
(nm)
f CIC
DA S0→S2 61→62 3.14 395.2 1.3602 0.620
S0→S5 58→62 4.45 278.4 0.2861 0.610
61→64 0.199
61→64 -0.166
DACA S0→S2 47→48 3.53 350.8 0.8621 0.614
S0→S5 44→48 5.11 242.6 0.2685 0.358
45→48 0.425
47→50 0.367
Amino
thiourea
S0→S2 18→20 5.43 228.4 0.1540 0.602
19→21 0.178
19→24 -0.124

* Fluorescent Characteristics of chemosensor DA
The effect of solvent polarity and the fluorescence emission from
twisted state were surveyed because of the molecular of DA with
donor-π-acceptor structure. The results showed that the polarization
of the solvent did not affect the fluorescence properties of the DA.
After photo excitation of DA, the transformation from the LE*
excited state (planar) to the TICT* excited state (twisted) in S1
excited state was favorable in terms of energy. The TICT* excited
state with the lowest energy level of S1 excited state was at θ∼90 (θ:
dihedral angle between N, N-dimethylamino group and the phenyl
ring). The process of twisting simultaneously increased the potential
energy surface of S0 ground state and reaches a maximum at θ∼90.
As a result, a smallest energy gap between the ground (S0) and the
first excited state (S1) was observed. It would lead to a red-shift in
emission spectra of DA.
3.2.2. Experimental synthesis and characteristics of DA
3.2.2.1. Experimental synthesis of DA
DACA (175 mg, 1.0 mmol) and aminothiourea (100 mg; 1.1
mmol) were mixed in absolute ethanol (40 mL). The reaction mixture
was heated at reflux for 6 hours under a nitrogen atmosphere and
then stirred for 2 more hours at room temperature. The precipitate
was filtered and washed (3 times) with ethanol (5 mL each), then
recrystallized from absolute ethanol (25 mL) to obtain the final
product DA (207 mg, yield, 83.0%). The structure of DA was
confirmed by 1
H NMR, FAB-MS, IR spectra and X-ray diffraction
analysis of single crystal.
3.2.2.2. Experimental characteristics of DA
As expected, the free DA exhibited a characteristic absorption
band peaked at 390 nm and gaves rise to an extensively green
emission at 510 nm with a quantum yield of 0.25 and the Stoke's shift
was 120 nm.

3.2.3. Application of DA
3.2.3.1. Experimental application of DA
a. Reaction between DA and
metal ions
Fig.3.52 indicated that DA
could be used for detection of
Hg(II), Cu(II) and Ag(I) in
the presence of other metal
ions, including Na(I), K(I),
Pb(II ), Cd(II), Co(II), Ca(II),
Ba(II), Mg(II), Zn(II), Fe(II),
Ni(II), Al(III) and Cr(III ).
b. Application of DA for
detection of Hg(II)
The results from the survey
on the fluorescence titration
spectra of DA with Hg(II)
indicated that DA and Hg(II) reacted in a 2:1 molar ratio.
When 10 equiv of Na2S2O3 were added to the resulting solution of
the reaction between DA and Hg(II), the fluorescence intensity was
returned to the initial value of free DA. It showed that the reaction
between DA and Hg(II) was reversible. DA was a fluorescent
chemosensor.
When the concentrations of Hg(II) was varies in the range from 15 to
240 ppb, the equation to describe the linear relationship between the
variation of fluorescence intensity of DA and Hg(II) concentration was I =
(879.9 ± 3.2) + (-2.6 ± 0.0) x [Hg(II)], with R=0.999. The limit of
detection and quantitation for Hg(II) were 2.8 and 9.5 ppb, respectively.
c. Application of DA for detection of Cu(II)
The fluorescence titration spectra of DA with Cu(II) also
indicated that DA and Cu(II) reacted in a 2:1 molar ratio.
The fluorescence intensity of the resulting solution of the reaction
between DA and Cu(II) was returned to the initial value of free DA
450 480 510 540 570 600 630
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
DA DA + Pb
2+
, Cd
2+
, Cr
3+
Zn
2+
, Fe
2+
, Co
2+
Ni
2+
, Ba
2+
, Al
3+
Ca
2+
, Mg
2+
K
+
, Na
+
DA + Ag
+
, Hg
2+
, Cu
2+
Fluorescenceintensity(a.u)
Wavelength(nm)
Fig.3.52. Fluorescence spectra of DA in the presence
of other metal ions: DA (3µM) in EtOH/H2O (1/9,
v/v), metal ions Ag(I), Hg(II), Cu(II), Pb(II), Cd(II),
Cr(III), Zn(II), Fe(II), Co(II), Ni(II), Ba(II), Al(III),
Ca(II), Mg(II), K(I) và Na(I) (15 µM each) excitation
wavelength 390 nm

when adding 10 equiv of EDTA to the solution. This result indicated
that the reaction between DA and Cu(II) was reversible. DA acted as a
fluorescent chemosensor for detection of Cu(II).
In the concentration range of 4.8 to 67.2 ppb of Cu(II), there was a
linear relationship between the variation of fluorescence intensity of
DA and concentration of Cu(II). The following equation was
developed from calibration curve: I = (882.9 ± 2.6) + (-10.5± 0.1) x
[Cu(II)], with R=0.999. The limit of detection and quantitation for
Cu(II) were 0.8 and 2.7 ppb, respectively.
d. Application of DA for detection of Ag(I)
Survey on the fluorescence titration spectra of DA with Ag(I) led
to the conclusion that DA and Ag(I) reacted in a 1:1 molar ratio.
DA was a fluorescent chemosensor for detection of Ag(I) with the
evidence was that the fluorescence intensity of the resulting solution of
the reaction between DA and Ag(I) was returned to the initial value of
free DA when 10 equiv of Na2S were added to the solution.
The equation to describe the linear relationship between the
variation of fluorescence intensity of DA and concentration of Ag(I)
in the range from 16 to 194 ppb was I = (874.0 ± 2.2) + (-3.4 ± 0.0) x
[Ag(I)], with R=0.999. The limit of detection and quantitation for
Ag(I) were 1.0 and 3.4 ppb, respectively.
e. Application of DA for simultaneous determination of Hg(II),
Cu(II), and Ag(I)
The experimental results showed that the fluorescence intensity
changes of DA by Hg(II) or Cu(II) can be prevented when adding
Na2S2O3 or EDTA in the solution, respectively. This suggested that it
was possible to use DA for simultaneous quantification of Hg(II),
Cu(II), and Ag(I).
Fig.3.67 showed the ability to use DA for simultaneous
quantification of Hg(II), Cu(II), and Ag(I). First, the Ag(I) ions
concentration could be quantified based on the variation of
fluorescence intensity between the (1) solution) and the (3) solution).
Following that the Hg(II) ions concentration could be quantified

450 500 550 600
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
(10)
(9)
(8)(7)
(6)(5)
(4)(3)
(2)
(1)
Wavelength (nm)
Fig.3.67. Fluorescence spectra to survey on the
possibility of identifying individual ions (Hg(II),
Cu(II) and Ag(I)) in the mixture: (1) DA; (2) DA
+ Ag(I) + Hg(II) + Cu(II); (3) DA + Ag(I) +
Hg(II) + Na2S2O3 + Cu(II) + EDTA; (4) DA +
Ag(I); (5) DA + Ag(I) + Hg(II) + Cu(II) +
EDTA; (6) DA + Ag(I) + Hg(II); (7) DA + Ag(I)
+ Hg(II) + Na2S2O3 + Cu(II); (8) DA + Ag(I) +
Cu(II); (9) DA + Hg(II); (10) DA + Cu(II) (the
concentration of DA, metal ions, Na2S2O3, and
EDTA were: 3µM, 0.6µM, 100µM, and 100µM,
respectively)
based on the variation of
fluorescence intensity between
the (3) solution and the (5)
solution). Finally, the Cu(II)
ions concentration could be
quantified based on the variation
of fluorescence intensity
between the (3) solution and the
(7) solution). The presence of
metal ions, EDTA, and Na2S2O3
did not affect the quantification
of each metal ions. The
relationships between the
fluorescence intensity variation
of DA solution with the
concentration of metal ions were
found as follows:
∆I[Hg(II)] = (-6.6 ± 3.2) + (2.6 ± 0.0) x [Hg(II)], R=0.999, with
concentration range of Hg(II) from 15 to 240 ppb.
∆I[Cu(II)] = (-9.7 ± 2.6) + (10.5 ± 0.0) x [Cu(II)], R=0.999, with
concentration range of Cu(II) from 5 to 67 ppb.
∆I[Ag(I)] = (3.1 ± 2.2) + (3.6 ± 0.0) x [Ag(I)], R=0.999, with
concentration range of Ag(I) from 16 to 194 ppb.
f. Survey on the effect of pH
The experimental results showed that the DA could detect the
Hg(II), Cu(II) and Ag(I) with the broad pH range from 5 to 9.
3.2.3.2. Theoretical application of DA
a. Stable geometry and interaction energies of complexes
The stable geometric structures of the complexes between DA and
Ag(I), Hg(II), and Cu(II) with stoichiometry of 1:1, 2:1, and 2:1 are
presented in Fig.3.70. There are two stable configurations of complexes
between the DA and Ag(I) that are denoted as S1 and S2. In the S1 and
S2, the complexes are formed by AgN and AgS bonds; in the S3 and

S4, the complexes are formed
by HgS and CuN bonds.
In addition, the S2 is
stabilized by AgAg bond.
These bonds are said to be
formed based on the
calculated results that the
contact distances are
significantly smaller than the
sum of van der Waals radii
of relevant atoms. The
formation of the complexes
is thermodynamically
favorable, in which the S2
complex is more stable than
the S1 complex.
b. AIM analysis
The results indicated the
presence of the bond critical points (BCPs) in each of the AgN,
AgS, HgS, and CuN contacts in the S1, S2, S3 and S4
complexes (and AgAg contact in the S2 complex). All values of
2
(ρ(r)) at the above BCPs were positive. Thus, all these interactions
were considered as ionic. The result from AIM analysis also
discovered the existence of the ring critical points (RCPs), indicating
that there was a ring structure present in both the S1 and S2
complexes.
c. NBO analysis
The results indicated that the fluorescence quenching of DA upon
complexation could be attributed to a transfer of electron density
from DA to metal ions, which broke the π-bond conjugated system of
the fluorophore in all complexes.
Fig.3.70. Stable geometries of complexes between DA
and metal ions at the B3LYP/LanL2DZ level of theory
(Contact distances in Å and angles in degrees)
S1
S2
S3
S4

d. Analysis of excitation energies, HOMO, LUMO and the frontier MOs
For the S1 complex, the oscillator strengths of the transition from HOMO
to LUMO in the excited state was strong, but the excitation energy was small
and the fluorescence emission wavelength shifts to the long wavelength, so
the fluorescence was not observed in practice. In addition, the transfer of
electrons between HOMO (where electrons were mainly in the area of metal
ions) and LUMO (where
electrons were mainly in the
fluorophore), was unable to
cause the fluorescence
because of space distance.
The other transitions were
not from HOMO to LUMO
not leading to the
fluorescent because of
occurring the PET process
from the electron pair of
HOMO. As the result, the
fluorescence was quenched
in S1.
For the S2 complex, in
the excited state, the
singlet electronic transition
was mainly contributed by
the transition from S0 to
S3, including from
MO139 to MO141, and
from MO140 to
MO142. The transition
from MO139 to
MO141 did not lead to
the fluorescent because of
occurring the PET process
Fig.3.72. Frontier orbital energy diagram of DA and S1

from MO140 to MO139. The transition from MO140 to MO142
did not lead to the fluorescent, which could be caused by the distance of
space as in S1. These results led to the fluorescence quenching in S2.
In addition, in both S1 and S2 complex, the electron density in MOs from
MO131 to MO140 was mainly distributed in area of metal ions because of
the strongtransfer of electron density fromDA to metal ions.
The process of transferring electrons from the ground state to the
excited state in fluorophore must be crossed the high energy gap, from
MO130 to MO141.
Therefore, the S1 and S2
complex could not excite
to fluoresce by the level
of energy such as when
exciting the free
chemosensor, leading to
the fluorescence
quenching.
For S3 complex, the
formation of complex led
to that the energy gap
between HOMO and
LUMO was very small,
about 0.65 eV. In
addition, the
HOMO→LUMO
transition was main
transition in S3, resulting
to the fluorescence
emission wavelength of
S3 was larger than 1451
nm and the fluorescence
was not observed in
practice.

In the excited state of S4, the formation of complex has led to the
transfer of one electron from DA to Cu (II). It led to that MO131 has only
one elctron. The fluorescence quenching in S4 may be due to the following
reasons: the spin multiplicity of the MO131→MO132 transition is 2, so
the excited state was doublet, not singlet; the other transitions did not result
the fluorescence because occurring the PET process from MO which its
energy level was between energy levels of two MO of transition.
CONCLUSIONS
1. For the first time, a flexible and complete combination between quantum
chemical calculations and experimental studies has been successfully
applied for research and development of two new fluorescent sensors
including chemodosimeter DT and chemosensor DA. For
chemodosimeter DT, theoretical investigations predicted and oriented
for all the processes; the subsequent experimental studies verified and
reaffirmed the calculated results. For chemosensor DA, the calculation
was only used to predict and orient for the experimental survey on the
design, synthesis and characteristics of the sensor; the application of
chemosensor was first studied by the experiment, and then used
theoretical calculations to explain and clarify the nature of the
experimental results. This flexible combination significantly reduced the
volume of theoretical calculations and experimental investigations,
increasing the likelihood of success, saving time and used chemicals.
2. The fluorophores, receptors and spacers, as well as the synthetic
reactions of chemodosmeter DT and chemosensor DA were oriented
by calculations and the subsequent experiments have shown a good
agreement with the theoretical results.
3. The structures, characteristics and applications of chemodosimeter DT
and chemosensor DA were determined at the B3LYP/LanL2DZ level
of theory with reliable results, through the examination, comparison
and confirmation with the experimental results. The single-crystal X-
ray diffraction data of DA were deposited with the Cambridge
Crystallographic Data Centre, United Kingdom.

4. DT as a fluorescent chemodosimeter could detect selectively Hg (II)
with a limit of detection and quantitation of 50 and 166 ppb
respectively; the reactions occuring almost instantaneously; using a
small amount of organic solvent; and not being affected by other
metal ions including Zn(II), Cu(II), Cd(II), Pb(II), Ag(I), Fe(II),
Cr(III), Co(III), Ni(II), Ca(II), Mg(II), K(I) and Na(I). The ability to
selectively detect Hg (II) of DT was explained by the fact that the
Hg(II) caused the characteristic reaction with DT, a reaction between
thiourea derivatives and amines in the presence of Hg(II) to form
guanidine derivatives. The reaction between DT and Hg(II) was
studied by the theoritical calculations and was confirmed by 1
H
NMR, 13
C NMR and MS spectra.
5. DA as a chemosensor could simultaneously detect Hg(II), Cu(II)
and Ag(I) in real samples thanks to the following interesting
features: the low limits of detection and quantification, 2.8 and 9.5
ppb, 0.8 and 2.7 ppb, 1.0 and 3.4 ppb, respectively; wide range of
pH from 5 to 9; using a small amount of organic solvent; not
affected by competing metal ions including Na(I), K(I), Pb(II),
Cd(II), Co(II), Ca(II), Ba(II), Mg(II), Zn(II), Fe(II), Ni(II), Al(III)
and Cr(III). The reactions to form complexes between DA with
Hg(II), Cu(II) and Ag(I), as well as the geometric structures and the
bonding characteristics in complexes were studied and identified.
6. The fluorescence properties, as well as the fluorescence signal
changes before and after the reaction happens between sensor and
analytes were investigated by analyzing the excited state and
bonding characteristic with using TD-DFT and NBO analysis,
respectively. Accordingly, Hg (II) caused the desulfurization
reaction followed by the formation of guanylation, activated the
PET process, and resulted the fluorescence quenching when
interacting with DT. Meanwhile, the fluorescence quenching of
complexes between DA with Hg(II), Cu(II) and Ag(I) was
attributed to the fact that the formation of complexes with the
strong transfer of electron density from DA to metal ions has led to
structural changes and conjugate levels of the π-electron system.

Luận án: Thiết kế, tổng hợp và ứng dụng các sensor huỳnh quang

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

Similar to Luận án: Thiết kế, tổng hợp và ứng dụng các sensor huỳnh quang

Similar to Luận án: Thiết kế, tổng hợp và ứng dụng các sensor huỳnh quang (20)

More from Dịch vụ viết bài trọn gói ZALO: 0909232620

More from Dịch vụ viết bài trọn gói ZALO: 0909232620 (20)

Recently uploaded

Recently uploaded (20)

Luận án: Thiết kế, tổng hợp và ứng dụng các sensor huỳnh quang