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 1H

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 MO114→MO116. 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

MO115 thuộc về spacer, nhưng do chênh lệch năng lượng giữa

MO115 và MO114 là không lớn (0,1 eV), nên quá trình PET từ

MO115 về MO114 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 MO109→MO112, với cường độ dao động mạnh

nhất là 0,0993. Do giữa các MO này có sự hiện diện của MO110 và

MO111 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 0oC. 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 1H 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 1H NMR,

13C 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 4500.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

MËt ®é q

uang

B­íc sãng (nm)

400 450 500 550 600 650 700

0

20

40

60

80

100

120

140

C­

ên

g ®

é h

uú

nh

qu

an

g (

a.

u.)

B­íc 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 6500

20

40

60

80

100

120

140

ChuÈn ®é Hg2+

C­êng ®

é h

uúnh q

uang (

a. u.)

B­íc sãng (nm)

(b)

250 300 350 400 4500.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

ChuÈn ®é Hg2+

MËt ®é q

uang

B­íc 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

140C

­êng ®

é h

uúnh q

ua

ng (

a.

u.)

[Hg2+

], 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 4500.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

DT + C¸c ion kim lo¹i kh¸c

DT

DT + Hg2+

DT + C¸c ion kim lo¹i kh¸c + Hg2+

MËt ®é q

uang

B­íc sãng (nm)

(b)

400 450 500 550 600 650

0

20

40

60

80

100

120

140

DT + C¸c ion kim lo¹i kh¸c + Hg2+

DGDT + Hg

2+

DT + C¸c ion kim lo¹i kh¸c

DT

C­êng ®

é h

uúnh q

uan

g (

a.u

.)

B­íc 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 MO61 (HOMO)→MO62 (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 MO58→MO62, có

MO60 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 1H 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 6300

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000DA

DA + Pb2+

, Cd2+

, Cr3+

Zn2+

, Fe2+

, Co2+

Ni2+

, Ba2+

, Al3+

Ca2+

, Mg2+

K+, Na

+

DA + Ag+, Hg

2+, Cu

2+

C­

ên

g ®

é h

uú

nh

qu

an

g (

a.u

)

B­íc 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 6000

100

200

300

400

500

600

700

800

900

(10)

(9)

(8)(7)

(6)(5)

(4)(3)

(2)

(1)

C­

ên

g ®

é h

uú

nh

qu

an

g (

a.u

.)

B­íc 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 AgN và AgS; S3 và S4 các

liên kết tạo phức là HgS và CuN. 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

AgAg. 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 AgN, AgS, HgS, và CuN trong các

phức và AgAg 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 MO139 lên MO141 và từ MO140 lên

MO142. Trong đó, bước chuyển từ MO139 lên MO141 không

dẫn đến huỳnh quang do xảy ra quá trình PET từ MO140 đến

MO139. Bước chuyển từ MO140 lên MO142 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 MO131

đến MO140, 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 MO130

đến MO141. 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

Hình 3.73. Giản đồ năng lượng các MO biên của DA và S2

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 MO131

chỉ chứa 1 electron.

Sự dập tắt huỳnh

quang trong S4 có thể

do các nguyên nhân:

bước chuyển electron

từ MO131 lên

MO132 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

Hình 3.74. Giản đồ năng lượng các MO biên của DA và S3

Hình 3.75. Giản đồ năng lượng các MO biên của DA và S4

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 1H 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.

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

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

and dansyl derivatives".

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 1H NMR and

13C 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 ∆G

298 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 MO114→MO116 transitions at 387.5 nm.

There were not any MOs belonging to receptor which their energy levels

lay between MO114 and MO116 (Fig.3.14). Therefore, the PET

process from receptor to fluorophore did not occur in DT. Although

there was MO115 belonging to spacer which its energy level lay

between MO114 and MO116, but the difference in energy between

MO115 and MO114 was too small (0.1 eV), so the PET process from

MO115 to MO114 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

(MO109→MO112) 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 MO110 and MO111 belonging

to receptor which their energy levels were between MO-109 and

MO110 (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 0oC. 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 1H 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 1H NMR,

13C 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 4500.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Abso

rbance

Wavelength (nm)

400 450 500 550 600 650 700

0

20

40

60

80

100

120

140

Flu

ore

sc

en

ce

In

ten

sit

y (

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 6500

20

40

60

80

100

120

140

Hg2+

titration

Flu

ore

scence in

tensity (

a. u.)

Wavelength (nm)

(b)

250 300 350 400 4500.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Hg2+

titration

Absorb

ance

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

Flu

ore

scence inte

nsity (

a.

u.)

[Hg2+

], 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 4500.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

DT + other metal ions

DT

DT + Hg2+

DT + other metal ions + Hg2+

Absorb

ance

Wavelength (nm)

(b)

400 450 500 550 600 650

0

20

40

60

80

100

120

140

DT + other metal ions + Hg2+

DGDT + Hg

2+

DT + other metal ions

DT

Flu

ore

scence inte

nsity (

a.u

.)

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-OFF fluorescent 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 DA products 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 from S0 ground state to S2 excited state, corresponding to

the MO61 (HOMO)→MO62 (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 MO61 and MO62. 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 MO58→MO62

transition and had a relatively strong oscillator strength, but MO60 belonged

to receptor which its energy level is between MO58 and MO62 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 1H 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 6300

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000DA

DA + Pb2+

, Cd2+

, Cr3+

Zn2+

, Fe2+

, Co2+

Ni2+

, Ba2+

, Al3+

Ca2+

, Mg2+

K+, Na

+

DA + Ag+, Hg

2+, Cu

2+

Flu

ore

sc

en

ce

in

ten

sit

y (

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 6000

100

200

300

400

500

600

700

800

900

(10)

(9)

(8)(7)

(6)(5)

(4)(3)

(2)

(1)

Flu

ore

sc

en

ce

in

ten

sit

y (

a.u

.)

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 AgN and AgS bonds; in the S3 and

S4, the complexes are formed

by HgS and CuN bonds.

In addition, the S2 is

stabilized by AgAg 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 AgN,

AgS, HgS, and CuN contacts in the S1, S2, S3 and S4

complexes (and AgAg 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

MO139 to MO141, and

from MO140 to

MO142. The transition

from MO139 to

MO141 did not lead to

the fluorescent because of

occurring the PET process

Fig.3.72. Frontier orbital energy diagram of DA and S1

Fig.3.73. Frontier orbital energy diagram of DA and S2

from MO140 to MO139. The transition from MO140 to MO142

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

MO131 to MO140 was mainly distributed in area of metal ions because of

the strong transfer of electron density from DA 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

MO130 to MO141.

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.

Fig.3.74. Frontier orbital energy diagram of DA and S3

Fig.3.75. Frontier orbital energy diagram of DA and S4

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 MO131 has only

one elctron. The fluorescence quenching in S4 may be due to the following

reasons: the spin multiplicity of the MO131→MO132 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 1H

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.