Luận án Áp dụng hóa tính toán trong thiết kế, tổng hợp và ứng dụng một số sensor huỳnh quang

Tên luận án:

Áp dụng hóa tính toán trong thiết kế, tổng hợp và ứng dụng một số sensor huỳnh quang

Ngành:

Hóa học phân tích

Tóm tắt nội dung tài liệu:

Luận án tập trung vào việc áp dụng hóa tính toán trong thiết kế, tổng hợp và ứng dụng các sensor huỳnh quang, nhằm khắc phục những hạn chế của phương pháp thực nghiệm truyền thống. Lĩnh vực sensor huỳnh quang, khởi nguồn từ năm 1867 với sự phát hiện ion Al3+ bằng morin, đã phát triển mạnh mẽ từ việc phát hiện cation kim loại sang anion và các phân tử trung hòa, đặc biệt trong các hệ thống sinh học. Tuy nhiên, việc dự đoán và kiểm soát đặc tính quang học của sensor vẫn là một thách thức lớn. Mặc dù tính toán lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) đã được kết hợp với thực nghiệm, phần lớn các nghiên cứu chỉ dừng lại ở việc giải thích thay vì hỗ trợ thiết kế từ giai đoạn đầu.

Đề tài đặt mục tiêu sử dụng hóa tính toán để thiết kế và thăm dò hoạt động của sensor, đồng thời áp dụng kết quả lý thuyết vào thực nghiệm để tổng hợp các sensor mới. Luận án đã đạt được những đóng góp quan trọng, bao gồm việc xây dựng quy trình thiết kế lý thuyết sensor huỳnh quang, dự đoán các đặc tính quang học, hằng số bền của phức chất, cơ chế hoạt động và nhiệt động học phản ứng tổng hợp.

Cụ thể, luận án đã phát triển thành công chemosensor BDC từ dẫn xuất coumarin, có khả năng phát hiện chọn lọc ion Cu2+ với giới hạn phát hiện (LOD) là 4,0 ppb. Tiếp theo, một sensor huỳnh quang mới dựa trên phức [CuBDC]2+ đã được phát triển để phát hiện cysteine với LOD là 0,3 μM. Ngoài ra, luận án còn phát triển thành công chemodosimeter RLED từ dẫn xuất rhodamin spirolactam, cho phép phát hiện ion Hg2+ với LOD là 28,0 ppb. Các nghiên cứu này bao gồm cả lý thuyết và thực nghiệm về thiết kế, tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng của từng loại sensor. Phương pháp nghiên cứu tính toán lý thuyết sử dụng DFT/TDDFT trên phần mềm Gaussian 16 và phân tích QTAIM, trong khi phương pháp thực nghiệm sử dụng phổ 1H NMR, MS, phổ huỳnh quang và hấp thụ phân tử để đặc trưng và ứng dụng sensor.

Mục lục chi tiết:

• 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
  • 1.2. Cơ sở vật lý của quá trình hấp thụ và phát xạ của phân tử
    • 1.2.1. Quá trình hấp thụ
    • 1.2.2. Quá trình phát xạ huỳnh quang
  • 1.3. Nguyên tắc thiết kế sensor huỳnh quang
    • 1.3.1. Thiết kế theo cơ chế chuyển electron cảm ứng ánh sáng PET
    • 1.3.2. Thiết kế theo cơ chế chuyển điện tích nội phân tử ICT
    • 1.3.2. Thiết kế theo cơ chế truyền năng lượng cộng hưởng Forster
    • 1.3.4. Thiết kế theo cơ chế mở vòng spirolactam của dẫn xuất rhodamine spirolactam
    • 1.3.5. Lựa chọn fluorophore
  • 1.4. Tổng quan về các đối tượng phân tích Cu2+, Hg2+ và các biothiol
    • 1.4.1. Ion Hg2+
    • 1.4.2. Ion Cu2+
    • 1.4.3. Các biothiol Cys, Hcy và GSH
  • 1.5. Hóa tính toán trong nghiên cứu sensor huỳnh quang
    • 1.5.1. Khảo sát cấu trúc và các thông số nhiệt động học
    • 1.5.2. Khảo sát tính chất quang học của sensor dựa vào trạng thái cơ bản
    • 1.5.3. Khảo sát đặc tính quang học của sensor dựa vào trạng thái kích thích

• CHƯƠNG 2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

  • 2.1. MỤC TIÊU
  • 2.2. NỘI DUNG
  • 2.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
    • 2.3.1. Phương pháp nghiên cứu tính toán lý thuyết
    • 2.3.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

• CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

  • 3.1. Thiết kế, tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng sensor huỳnh quang BDC dựa trên dẫn xuất coumarin phát hiện Cu2+
    • 3.1.1. Nghiên cứu lý thuyết về thiết kế, tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng sensor huỳnh quang BDC
      • 3.1.1.1 Sơ đồ thiết kế BDC
      • 3.1.1.2. Khảo sát tính chất quang học của BDC
      • 3.1.1.3 Khảo sát khả năng tạo phức giữa BDC và Cu2+
      • 3.1.1.4. Khảo sát tính chất quang học của phức [CuBDC]2+
      • 3.1.1.5. Khảo sát phản ứng tổng hợp BDC
      • 3.1.1.6. Tổng kết thiết kế lý thuyết sensor BDC
    • 3.1.2. Nghiên cứu thực nghiệm tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng của sensor BDC
      • 3.1.2.1. Thực nghiệm tổng hợp BDC
        • a. Tổng hợp chất trung gian P1 và P2
        • b. Tổng hợp chất trung gian P3
        • c. Tổng hợp sensor BDC
      • 3.1.2.2 Khảo sát thực nghiệm đặc trưng của sensor BDC
        • a. Chuẩn bị mẫu và điều kiện đo
        • b. Phổ UV-Vis và huỳnh quang của BDC
        • c. Phổ UV-Vis và huỳnh quang của BDC với các cation kim loại
        • d. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian và pH lên phổ UV-Vis và huỳnh quang
        • e. Khảo sát phổ UV-Vis và huỳnh quang của BDC với Cu2+
        • f. Khảo sát sử dụng BDC làm sensor UV-Vis và huỳnh quang phát hiện Cu2+
      • 3.1.2.3. Khảo sát khả năng sử dụng phức BDC–Cu2+ phát hiện biothiol
        • a. Xác định tỉ lệ tạo phức giữa BDC và Cu2+
        • b. Xác định hằng số bền thực nghiệm của phức BDC–Cu2+
        • c. Khảo sát khả năng phản ứng giữa [CuBDC]2+ với các biothiol
        • d. Khảo sát sử dụng [CuBDC]2+ làm sensor phát hiện cysteine