Nhận viết luận văn Đại học , thạc sĩ - Zalo: 0917.193.864 Tham khảo bảng giá dịch vụ viết bài tại: vietbaocaothuctap.net Download luận án tiến sĩ với 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) , cho các bạn làm luận án tham khảo

1. 1
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

2. 2
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.

3. 3
Với sự phát triển và hỗ trợ mạnh của công nghệ thông tin, vì thế, hoá tính
toán đã trở thành công cụ quan trọng trong nghiên cứu hoá học nói chung và nghiên
cứu sensor huỳnh quang nói riêng. Nhiều tính chất lý, hoá đã được dự đoán chính
xác, cũng như được làm sáng tỏ từ quá trình tính toán.
Sự kết hợp hóa tính toán với nghiên cứu thực nghiệm là hướng nghiên cứu
hiện đại. Bởi vì, tính toán lý thuyết nhằm định hướng cho thực nghiệm về thiết kế,
tổng hợp và dự đoán đặc tính của sensor; thực nghiệm kiểm chứng, khẳng định
những kết quả tính toán, trong một số trường hợp, kết quả thực nghiệm cũng định
hướng cho tính toán trong việc nghiên cứu bản chất, cũng như giải thích rõ hơn cơ
chế phản ứng. Sự kết hợp linh hoạt này giúp giảm thiểu thời gian thực nghiệm, tiết
kiệm hóa chất và tăng khả năng thành công của nghiên cứu. Tuy nhiên, hiện vẫn
còn rất ít sensor huỳnh quang nghiên cứu theo hướng này được công bố.
Trước những thực trạng trên, chúng tôi thực hiện đề tài: "Thiết kế, tổng hợp
một số sensor huỳnh quang từ dẫn xuất của cyanine và coumarin để xác định
biothiol và Hg(II) ".
Nhiệm vụ của luận án:
- Nghiên cứu thiết kế, tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng sensor L từ dẫn xuất
của cyanine dựa trên phản ứng tạo phức và phản ứng trao đổi phức, nhằm phát hiện
các biothiol và ion Hg(II).
- Nghiên cứu thiết kế, tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng sensor AMC từ dẫn
xuất của coumarin phát hiện các biothiol, dựa trên phản ứng cộng Michael.
Những đóng góp mới của luận án:
- Sensor L mới được thiết kế từ dẫn xuất cyanine đã được công bố, phát
hiện chọn lọc ion Hg(II) dựa trên phản ứng tạo phức, hoạt động theo kiểu bật-tắt
(ON-OFF); phức chất của Hg(II) với L (Hg2L2) phát hiện chọn lọc Cys dựa trên
phản ứng trao đổi phức, hoạt động theo kiểu tắt-bật (OFF-ON). Giới phát hiện và
giới hạn định lượng ion Hg(II) bằng L tương ứng là 11,8 μg/L và 39,3 μg/L hay
0,059 μM và 0,19 μM; giới phát hiện và giới hạn định lượng Cys bằng Hg2L2
tương ứng là 0,2 μM và 0,66 μM.

4. 4
- 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

5. 5
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

6. 6
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

7. 7
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

8. 8
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

9. 9
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

10. 10
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].
(H) (C) (N) (S) (O)
Hình 1.4. Hình học bền của Cys (a), Hcy (b) và GSH (c) ở mức lý thuyết
B3LYP/LanL2DZ
1.2.2. Phương pháp phát hiện các biothiol
Do tầm quan trọng của các phân tử thiol sinh học, việc nghiên cứu các
phương pháp mới để phát hiện các biothiol đã và đang được các nhà khoa học quan
tâm. Có rất nhiều phương phân tích khác nhau đã được sử dụng để phát hiện các
biothiol, chẳng hạn như sắc ký lỏng hiệu năng cao, phổ khối lượng [36], sắc ký khí
(a) (b)
(c)

11. 11
[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

12. 12
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 yếuHuỳnh quang mạnh
1

13. 13
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
Huỳnh quang yếu Huỳnh quang mạnh
2

14. 14
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

15. 15
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]
4 5
6
λabs=478 nm λem =515 nm
λabs=550 nm λem =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

16. 16
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, λem=694 nm
Dạng hở, λem=694 nm Spirolactam λem=474 nm
7

17. 17
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

18. 18
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
các nhóm thế ở nhân thơm [93], [94]
Huỳnh quang mạnh
λem=588 nm
Huỳnh quang mạnh
λem=556 nm
Huỳnh quang yếu, λem=564 nm
8-S 8 8-N
9-M
9a. X=S
9b. X=O
10
Không có huỳnh quang
Huỳnh quang mạnh
λem=588 nm
Huỳnh quang mạnh
λem=564 nm
Huỳnh quang mạnh
λabs=568 nm, λem=588 nm Huỳnh quang mạnh
λabs=443 nm, λem=530 nmKhông có huỳnh quang
(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

19. 19
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

20. 20
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= CH3) 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].

21. 21
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
phân tách sulfonamide [58]
1.4.6. Sensor huỳnh quang phát hiện các biothiol dựa trên phản ứng phân tách
disulfide bởi thiol
Hình 1.17. (A) Sự chuyển đổi thuận nghịch giữa thiol và disulfide; (B) glutathione
(GSH) và glutathione disulfide (GSSG) [104]
Nhóm liên kết disulfide (-S-S-) là một nhóm chức năng có giá trị vô cùng
13
Không có huỳnh quang
14
Huỳnh quang mạnh
Sự oxy hóa
Sự khử

22. 22
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
2 2
15
16

23. 23
(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
phân tách disulfide [71]
1.4.7. Sensor huỳnh quang phát hiện các biothiol dựa trên phản ứng hình
thành và phân hủy phức
Gần đây, một chiến lược đặc biệt hấp dẫn đã được nghiên cứu để thiết kế các
sensor huỳnh quang phát hiện các biothiol, đó là sử dụng phức (thường là phức của
ion kim loại với một chất huỳnh quang) có khả năng tương tác thuận nghịch tạo
phức và phân hủy phức với các biothiol. So với các sensor dựa trên các phản ứng
đặc trưng với thiol, sensor dựa trên phản ứng tạo phức thường nhạy hơn. Hơn nữa,
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
λmax=448 nm
17-SR
λmax=380 nm

24. 24
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

25. 25
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
1919-Cu2+

26. 26
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.

27. 27
O
N R1
N N
O
O
N R1
N N+
O-
Hg2+
Fluorescence-OFF
(a)
O
N
N N
O
NH
O
N
NH
NH2
47
(b)
O
N
N 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],
20 21

28. 28
[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

29. 29
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 Hg2+
/MeHg+
dựa trên fluorophore là cyanine, sử
dụng phản ứng desulfurization và tạo vòng guanidine bởi xúc tác Hg2+
/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].

30. 30
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 3,9-dithia-6-
monoazaundecane có khả năng tạo phức với ion Hg(II) (Hình 1.25). Ở trạng thái tự
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]

31. 31
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

32. 32
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]

33. 33
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

34. 34
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%

35. 35
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,

36. 36
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

37. 37
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):
Evert-abso
= EEES
(RGS
) – EGS
(RGS
) (1.1)
Sự khác nhau giữa năng lượng trạng thái EES với trạng thái GS tại vị trí hình
Dạng hình học
EGS
RGS
REES
GS
EES
Evert-abso
Evert-fluo
E0-0
EEES
EZPVE
(REES
)
EZPVE
(RGS
)
Nănglượng

38. 38
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.

39. 39
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

40. 40
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
lượng của hệ.
Trong hóa học, năng lượng E là đại lượng quan trọng nhất. Thông qua năng
lượng E, cũng như sự biến thiên của năng lượng theo tọa độ, áp dụng các nguyên lí
của nhiệt động học và động học sẽ xác định được chiều hướng phản ứng, cơ chế
phản ứng, … Tuy nhiên, phương trình (2.1) cho hệ từ hai electron trở lên không thể
giải chính xác về mặt toán học. Để khắc phục trở ngại này, rất nhiều các phương
pháp tính toán gần đúng đã được đề xuất, trong đó sự gần đúng Born-Oppenheimer
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)

41. 41
Phương pháp MO bán kinh nghiệm (semi-empirical methods) dựa trên quan
điểm thuần kinh nghiệm của Hückel, nhưng nhiều thông số thực nghiệm đã được
thay thế bằng tính toán. Phương pháp này chỉ dừng lại cho một số khá giới hạn các
đại lượng và tính chất hóa học, độ chính xác không cao, nhưng vì tính đơn giản nên
có thể áp dụng cho hệ chứa nhiều phân tử và khi máy tính không đủ mạnh.
Khác với phương pháp bán kinh nghiệm, phương pháp tính từ đầu (ab initio
method) không sử dụng các thông số thực nghiệm, thay vào đó, các tính toán chủ
yếu dựa vào các định luật cơ học lượng tử và một số hằng số vật lý như vận tốc ánh
sáng, khối lượng, điện tích của electron và hạt nhân, hằng số Planck,... Nhờ sự phát
triển vượt bậc của ngành công nghệ máy tính, các phương pháp tính lượng tử phức
tạp hơn ngày càng được triển khai và đạt độ chính xác ngày càng cao. Tuy nhiên,
trên thực tế, sức tính của máy tính vẫn còn là trở ngại trong việc áp dụng cho các
phân tử lớn (>100 nguyên tử).
Trước những thực thế khó khăn của phương pháp hàm sóng, phương pháp
DFT đã phát triển nhanh chóng và được áp dụng rộng rãi. Phương pháp DFT dựa
trên mật độ electron thay vì hàm sóng Ψ(r) để tính năng lượng E
của hệ. Các phép tính DFT được thực hiện nhanh hơn nhiều (>102
-105
lần) so với
phương pháp MO cho cùng một hệ phân tử. Tuy vậy, độ chính xác về năng lượng
cũng không thua kém và cũng có đủ tính chất các loại phổ khác nhau. Nhờ tính
nhanh, nên DFT được áp dụng ngày càng rộng rãi và chủ yếu cho các phân tử có số
lượng nguyên tử lớn (phương pháp MO không thể thực hiện được).
2.3.1.2. Bộ hàm cơ cở [22], [30], [41], [151], [156]
Bộ hàm cơ sở là hàm toán học biễu diễn các orbital phân tử (MO). Một bộ
hàm cơ sở có thể xem là giới hạn không gian có mặt của electron trong phân tử. Bộ
hàm cơ sở càng lớn thì electron càng ít bị giới hạn về không gian, bởi vậy nó càng
mô tả chính xác hành trạng của electron. Việc chọn bộ hàm cơ sở cho hệ nghiên cứu
nhằm tìm lời giải gần đúng tốt nhất cho phương trình Schrödinger ngoài việc cải
thiện phương pháp tính toán.
Bộ hàm cơ sơ mô tả MO được biễu diễn dưới dạng tổ hợp tuyến tính của một
tập hợp các hàm đơn electron, gọi là các hàm cơ sở (basis functions). Các hàm cơ sở

42. 42
thường đặt trên các nhân nguyên tử và có những nét tương tự về toán học như các
orbital nguyên tử (AO) nhưng mang tính tổng quát hơn. Nếu bộ hàm cơ sở gồm n
hàm cơ sở Ψ1, Ψ2, Ψ3,… Ψn thì một MO Ψi có dạng:
Ψ1 = c1iΨ1 +c2iΨ2 +…. + cniΨn
Trong đó, cμi: hệ số khai triển obitan phân tử ( = 1, 2, 3, …. N)
Ψμi: các hàm cơ sở chuẩn hóa
Biểu thức (2.2) được gọi là biểu thức tổ hợp tuyến tính các orbital nguyên tử
(LCAO). Các hàm này được xây dựng dựa trên các hàm sóng s, p, d,… đã được giải
đúng trong trường hợp nguyên tử hiđro và những hệ tương tự hiđro. Với những hệ
có nhiều hơn một electron thì áp dụng thêm các cách tính gần đúng. Có 2 loại bộ
hàm cơ sở thường gặp là bộ hàm kiểu Slater - STO (Slater type orbital) và kiểu
Gaussian - GTO (Gaussian type orbital). Một số bộ hàm cơ sở thường được sử dụng
trong tính toán như: bộ hàm cơ sở tối thiểu (minimal basis set); bộ hàm cơ sở hóa trị
tách (split valence basis set); bộ hàm cơ sở double zeta (double zeta basis set); bộ
hàm cơ sở phân cực (polarized basis set); bộ hàm cơ sở khuếch tán (diffusion basis
set); bộ hàm cơ sở tương quan electron của Dunning (Dunning’s correlation
consistent basis set); hệ hàm cơ sở cho các nguyên tử có hạt nhân lớn.
Đối với những nguyên tử có hạt nhân lớn (những nguyên tử ở chu kỳ IV trở
lên) thì các electron gần hạt nhân được xét một cách gần đúng qua các thế lõi hiệu
dụng (ECP). Trong trường hợp này, bộ hàm cơ sở LanL2DZ (cho các nguyên tố H,
Li – Ba, La – Bi), LanL2MB (cho các nguyên tố H - Ba, La - Bi) thường được sử
dụng. Trong đó, bộ hàm cơ sở LanL (Los Alamos National Laboratory) hay còn gọi
là LanL2DZ (LanL Lanl-2-double zeta) được phát triển bởi Hay và Wadt, đã được
sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu, đặc biệt đối với các hợp chất có chứa nguyên tử
có hạt nhân lớn.
2.3.1.3. Phương pháp phiếm hàm mật độ [9], [32], [81], [115], [160]
Lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) được đề xuất vào những năm 1964-1965
bởi công trình của Kohn, Sham, Hohenberg và các nhà khoa học khác. Phương pháp
này đựa trên giả thuyết “Mật độ electron có thể đặc trưng cho toàn bộ tính chất
lượng tử của hệ”. Như vậy thay vì giải phương trình Schrodinger để tìm tất cả các
(2.2)

43. 43
hàm sóng Ψ(r) của electron với 3N biến không gian (vì N electron có 3N biến tọa
độ không gian), chỉ cần tìm hàm mật độ electron của hệ với 3 biến
không gian. Từ hàm mật độ tìm được có thể suy ra mọi tính chất lượng tử của hệ.
a. Lý thuyết Hohenburg-Kohn (HK)
Năm 1964, Hohenburg và Kohn đã chứng minh hai định lý:
Định lý 1: Mật độ electron xác định thế ngoài với một hằng số cộng không
đáng kể hay năng lượng là phiếm hàm của mật độ.
Định lý 2: Đối với một mật độ thử có trị dương bất kỳ, và có
thì:
Trong đó, là năng lượng của hệ ứng với mật độ thử , Eo năng
lượng ở trạng thái cơ bản.
Định lý Honhenburg-Kohn cho thấy mật độ electron )(ri tại điểm (r) trong
không gian là đủ để đặc trưng cho trạng thái năng lượng thấp nhất (năng lượng
trạng thái cơ bản) của hệ. Định lý này rất quan trọng vì nó chỉ ra rằng chúng ta
không cần giải quyết tất cả các hàm sóng của tất cả các electron, do đó nó đã giảm
lượng tính toán từ 3N chiều không gian của N electron xuống còn 3 chiều của mật
độ electron cho cả hệ. Mặt khác, định lí 1 cho thấy, mật độ electron xác định duy
nhất 1 toán tử Hamilton. Điều này đúng khi toán tử Hamilton, xác định bởi thế
ngoài và tổng số electron, bằng tích phân mật độ electron trên toàn không gian. Về
nguyên tắc, khi biết mật độ electron sẽ xác định được duy nhất một toán tử
Hamilton và do đó sẽ tính được hàm sóng Ψ ở tất cả các trạng thái và xác định được
tính chất của hệ. Định lý này có thể phát biểu một cách tổng quát là: năng lượng là
phiếm hàm của mật độ.
Vì năng lượng là phiếm hàm của mật độ electron nên các thành
phần động năng (T), tương tác hút electron - hạt nhân (Ven), tương tác đẩy electron -
electron (Vee) cũng được xác định một cách tương tự, khi đó, năng lượng của hệ
được tính bởi công thức:
Do và là những phiếm hàm của mật độ, nên khó đạt được
sự gần đúng tốt, vì thế cần có phương pháp kế cận để giải quyết những tồn tại này.
(2.3)
(2.4)(2.4)

44. 44
b. Lý thuyết Kohn-Sham (KS)
Để giải quyết những tồn tại của lý thuyết Hohenberg-Kohn, Kohn-Sham giả
định đưa các orbital (không tương tác) vào bài toán DFT theo cách mà động năng
có thể được tính đơn giản, chính xác, một phần hiệu chỉnh nhỏ được xử lý bổ sung
sau. Ý tưởng cơ bản của Kohn-Sham là có thể thay bài toán nhiều electron bằng một
tập hợp tương đương chính xác các phương trình tự hợp 1 electron. Ưu điểm của
phương pháp KS là bao hàm đầy đủ hiệu ứng trao đổi - tương quan của electron.
Khi đó, năng lượng ở trạng thái cơ bản của hệ có N electron đã được ghép đôi theo
KS được xác định bởi công thức sau:
Áp dụng nguyên lý biến phân cho năng lượng electron toàn phần thu được
các phương trình Kohn – Sham có dạng:
hay viết theo cách khác:
với là thế năng hiệu dụng:
Trong các biểu thức trên:
là hàm không gian 1 electron, còn gọi là orbital Kohn - Sham; là
mật độ electron trạng thái cơ bản tại vị trí ; là năng lượng obitan Kohn – Sham.
Số hạng thứ nhất biểu thị toán tử động năng của các electron; Số hạng thứ
hai biểu thị toán tử năng lượng hút hạt nhân - electron, tổng này được lấy qua tất cả
các hạt nhân theo chỉ số I, từ 1 đến M, nguyên tử số là ZI; Số hạng thứ ba biểu thị
toán tử năng lượng tương tác Coulomb giữa hai mật độ electron toàn phần
, , tại , tương ứng.
(2.5)
(2.6)
(2.8)
(2.7)

45. 45
là năng lượng trao đổi - tương quan của hệ. Năng lượng này là một
phiếm hàm của mật độ electron.
là thế trao đổi - tương quan, là đạo hàm của phiếm hàm năng lượng trao
đổi tương quan:
Như vậy, nếu biết được thì thu được (theo 2.9), khi đó sẽ tìm được
(theo 2.8), và giải được phương trình Kohn - Sham (theo 2.6 hoặc 2.7) thu
được các orbital Kohn - Sham và cho phép tính mật độ electron theo biểu thức:
Từ mật độ electron mới thu được tiếp tục tính , …, cứ như thế cho
đến khi mật độ mới hội tụ với mật độ tại bước trước thì quá trình lặp được kết thúc.
Đây được gọi là phương pháp trường tự hợp (SCF).
Như vậy, vấn đề chính của phương pháp DFT là xây dựng các phiếm hàm
trao đổi - tương quang . Các mô hình gần đúng phổ biến hiện nay như: sự
gần đúng mật độ electron cục bộ (local density approximation, LDA), mật độ spin
cục bộ (local spin density approximation, LSDA), gradient tổng quát (generalized
gradient approximation, GGA), hoặc là phương pháp hỗn hợp - phương pháp tính
bổ sung năng lượng trao đổi Hartree-Fock (HF) vào phiếm hàm năng lượng trao đổi
- tương quan DFT thuần khiết.
Trong các phương pháp hỗn hợp, phương pháp B3LYP là phương pháp chứa
phiếm hàm hỗn hợp B3 (phiếm hàm ba thông số của Becke) và sử dụng phiếm hàm
tương quan được đề xuất bởi Lee, Yang và Parr (LYP). Hiện nay, phương pháp hỗn
hợp B3LYP là một trong những phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất cho các
phép tính phân tử vì cho kết quả tính toán khá chính xác trên một phạm vi rộng các
hợp chất, đặc biệt là đối với các phân tử hữu cơ. Phương pháp B3LYP trong phần
mềm Gaussian 03 đã được sử dụng và thu được kết quả tốt trong nghiên cứu cấu
trúc và thuộc tính electron của các chất hữu cơ, trong đó có các sensor huỳnh quang
và phức chất của chúng.
(2.9)
(2.10)

46. 46
2.3.1.4. Phương pháp phiếm hàm mật độ phụ thuộc thời gian [16]
Phương pháp DFT giải quyết bài toán lượng tử ở trạng thái dừng, tại đó trạng
thái của hệ lượng tử không phụ thuộc vào thời gian, hàm mật độ chỉ phụ thuộc vào
các biến không gian ρ(x,y,z, t) hay ρ(r,t). Phương pháp phiếm hàm mật độ phụ thuộc
thời gian (TD-DFT) là mở rộng của phương pháp DFT để giải quyết các bài toán
mà tại đó trạng thái lượng tử của hệ phụ thuộc vào biến thời gian, khi đó hàm mật
độ phụ thuộc vào cả biến không gian và thời gian ρ(r,t).
Về mặt lý thuyết các hệ lượng tử phụ thuộc thời gian có thể giải xấp xỉ bằng
cách đi tìm hàm sóng Ψ(r) từ phương trình Schrodinger. Tuy nhiên, do ưu thế vượt
trội của phương pháp DFT, nên trong các nghiên cứu, phương pháp TD-DFT được
ứng dụng phổ biến để khảo sát hệ ở trạng thái kích thích cũng như các trạng thái
lượng tử phụ thuộc thời gian.
2.3.1.5. Phương pháp nguyên tử trong phân tử (AIM) [77]
Phương pháp AIM là lý thuyết lượng tử về nguyên tử trong phân tử. Phân tử
được hình dung là tập hợp của các nguyên tử được gắn kết thông qua tương tác hút
của các hạt nhân nguyên tử mang điện dương với các electron liên kết phân bố xung
quanh. Ý tưởng cơ bản của AIM là dựa hàm mật độ ρ(r) để suy ra các đặc tính hóa
học của phân tử như độ bền liên kết, loại liên kết, liên kết vòng,… một cách đơn
giản và thuyết phục.
Cụ thể, mật độ electron ρ(r) dùng để xác định độ bền liên kết. Nhìn chung,
giá trị ρ(r) càng lớn thì liên kết càng bền và ngược lại. Giá trị Laplacian của mật ðộ
electron (2
ρ(r)) thể hiện loại liên kết. Liên kết là cộng hóa trị nếu 2
ρ(r)< 0, và
nếu 2
ρ(r)> 0 thì có thể là liên kết ion, liên kết hiđro hoặc tương tác Van Der
Waals. Đại lượng2
ρ(r) là tổng các trị riêng của ma trận Hessian mật độ electron 
(2
ρ(r) = 1 + 2 + 3). Tất cả các trị riêng 1, 2 và 3 đều khác 0 và dấu của chúng
được dùng để định nghĩa kiểu của điểm tới hạn. Khi một trong ba trị riêng dương và
hai trị riêng khác âm, điểm đó được gọi là điểm tới hạn liên kết (BCP), ký hiệu (3,-
1). Khi một trong ba trị riêng âm và hai trị riêng khác dương, điểm đó được gọi là
điểm tới hạn vòng (RCP), ký hiệu (3,+1), minh chứng có tồn tại cấu trúc vòng.

47. 47
2.3.1.6. Phương pháp obitan liên kết thích hợp (NBO) [87], [157]
a. Obitan phân tử khu trú (LMO)
Theo góc nhìn cổ điển, những liên kết trong phân tử do xác suất tìm thấy
electron gia tăng giữa những hạt nhân tham gia liên kết, chính là đóng góp của
những AO nguyên chất. Những MO chính tắc không phản ánh khái niệm của nhóm
chức và cũng không cho phép nhận ra dễ dàng thuộc tính của liên kết trong hệ. Điều
này đòi hỏi phải có giới hạn cho những MO chính tắc.
LMO là những obitan bị giới hạn về mặt không gian với một thể tích tương
đối nhỏ, thể hiện rõ nguyên tử nào hình thành liên kết và những LMO nào có thuộc
tính gần như nhau trong cùng một đơn vị cấu trúc trong những phân tử khác nhau.
b. Obitan liên kết thích hợp (NBO)
Khái niệm orbital thích hợp được sử dụng cho việc phân bố electron trong
AO và MO, do đó điện tích nguyên tử và liên kết phân tử được xác định. Ý tưởng
về phân tích dựa trên các AO thích hợp (NAO) và NBO được Weilhold và nnc đưa
ra nhằm sử dụng ma trận mật độ 1 electron để định nghĩa hình dạng của orbital
trong môi trường phân tử và liên kết trong phân tử từ mật độ electron giữa các
nguyên tử.
Các NBO là một trong chuỗi các orbital khu trú thích hợp bao gồm: AO →
NAO → NHO → NBO → LMO → MO. Trong đó, NHO là orbital lai hóa thích
hợp. Các NBO tối ưu có thể nhận được khi tìm kiếm những orbital riêng chiếm cao
nhất trong mỗi vùng liên kết giữa hai nguyên tử A và B, ký hiệu θi
A-B
, với số chiếm
ni
(AB)
. Những NBO “kiểu Lewis”, ký hiệu ΩAB, có số chiếm cao nhất (ni
(AB)
=2) tương
ứng với những cặp electron khu trú của giản đồ cấu trúc Lewis, hay còn gọi là các
NBO donor (donor of natural bond orbital), ký hiệu NBO(i). Các NBO “không
Lewis”, có số chiếm thấp nhất (nj
(AB)
=0) (orbital trống), hay còn gọi là các NBO
acceptor (acceptor of natural bond orbital), ký hiệu NBO(j).
Năng lượng ổn định cho tương tác donor→acceptor (NBO(i)→NBO(j)) được
ước tính bởi lý thuyết nhiễu loạn bậc 2 theo công thức sau:
E(2)
= -ni x (Fi,j)2
/(εj – εi )
(2.11)