Yuanqiang Hao, Khac Hong Nguyen[2], Yintang Zhang, Guan Zhang, Shengnan Fan, Fen Li,Chao Guo, Yuanyuan Lu, Xiaoqing Song, Peng Qu, You-Nian Liu, Maotian Xu
I. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Xyanua là một chất độc nổi tiếng và cực kỳ độc đối với tất cả các sinh vật hiếu khí. Việc con người hấp thụ xyanua độc hại có thể xảy ra thông qua chế độ ăn uống, hít phải khói thuốc và tiếp xúc với da. CN- ăn vào có thể liên kết mạnh mẽ với đơn vị heme của cytochrome C và ức chế hô hấp tế bào, dẫn đến mất ý thức và cuối cùng là tử vong. Do đó, Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) đã quy định nghiêm ngặt mức cho phép tối đa của xyanua trong nước uống là 1,9 µM. Tuy nhiên, xyanua là thuốc thử linh hoạt cho các ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, đặc biệt là trong mạ điện, khai thác vàng và luyện kim. Số lượng lớn xyanua được sử dụng trong công nghiệp và vận chuyển liên quan chắc chắn sẽ gây ra việc giải phóng xyanua một cách ngẫu nhiên và làm tăng nguy cơ phơi nhiễm trong cộng đồng dân cư. Do đó, nhu cầu phát triển của các kỹ thuật điện tử để xác định xyanua là rất cần thiết.
Trong các nghiên cứu trước đây, để đạt được việc phát hiện chính xác xyanua, người ta đã phải vất vả tìm kiếm các tế bào sắc tố thích hợp và tối ưu hóa môi trường phát hiện. Để khắc phục những vấn đề này, chúng tôi cung cấp ở đây một giải pháp đột phá bằng cách thay thế một cách khéo léo nguyên tử H nhạy cảm của tri fluoroacetamit bằng nhóm metyl trơ (Sơ đồ 1B). Kết quả là đầu dò dựa trên tri fluoroacetamide được metyl hóa sẽ thể hiện vị trí phản ứng đặc biệt tuyệt vời và đặc biệt đối với CN-.
Scheme 1. Reaction mechanisms of traditional trifluoroacetamide-based (A) and the proposed methylated trifluoroacetamide-based (B) probes with cyanide and/or other anions.
II. THỰC NGHIỆM
2.1. Thiết bị, dụng cụ, hóa chất
Tất cả các thuốc thử và dung môi hóa học bao gồm 4-Bromo-1,8-naphthalic anhydrit, 1-aminobutan, metylamin, trifluoroaceticanhydrit, N,N-Dimethylformamide (DMF), dimethyl sulfoxide (DMSO), dichloromethane (DCM) và etanol (EtOH) để tổng hợp hoặc phân tích là loại tinh khiết phân tích, có sẵn trên thị trường và được sử dụng như đã nhận mà không cần tinh chế thêm trừ khi có quy định khác. Nước đã khử ion từ hệ thống lọc nước tiêu chuẩn. Trong các thí nghiệm chuẩn độ, CN- được điều chế từ muối tetrabutylammonium được mua từ Sigma Aldrich, tất cả các anion khác (AcO-, Br-, CO32-, Cl-, F-, HPO42-, I-, N3 -, NO - và SCN-) được hòa tan trong nước cất thành dung dịch nước từ muối Na+ của chúng. Quang phổ huỳnh quang được thực hiện trên máy quang phổ huỳnh quang Varian Cary Eclipse (Agilent Technologies, Santa Clara, USA). Phổ độ hấp thụ được ghi lại bằng máy quang phổ Cary 60 UV– Vis Agilent (Agilent Technologies, Santa Clara, USA). Phổ NMR được ghi trên Bruker 400 MHz. Phép đo khối phổ được thực hiện trên máy đo khối phổ Waters® Xevo G2-S QTof ™ (Waters, Milford, MA, USA). Phân tích HPLC được hình thành được thực hiện trên hệ thống Waters Acquity UPLC H-Class (Milford, MA, Hoa Kỳ) được trang bị hệ thống phân phối dung môi bậc bốn, tủ sấy cột, bộ lấy mẫu tự động và máy dò mảng diode quang. Các chất phân tích được tách ở chế độ gradient với cột Waters ACQUITY BEH 2.1 × 50 mm C18 1.7 µm. Tủ sấy cột được giữ ở 40°C. Tốc độ dòng chảy là 0,5 mL/ phút. Các thành phần rửa giải là nước (A) và axetonitril (B). Gradient pha động như sau: A / B = 50/50 (0 phút) - A / B = 0/100 (2,0 phút).
2.2. Thiết kế tổng hợp của đầu dò N1, N2
Naphthalimide đã được sử dụng rộng rãi như là nhóm huỳnh quang trong các đầu dò khác nhau. Đáng chú ý, bằng cách sửa đổi trạng thái ICT[3] của nó, nhóm huỳnh quang này có thể hiển thị một biến thể phổ tỷ lệ. Bằng cách ghép hợp chất 3 với trifluoroacetyl, đầu dò N1 có thể dễ dàng thu được.
Để cải thiện thành phổ cụ thể của xét nghiệm cho CN- đích, một đầu dò N2 khác đã được phát minh và tổng hợp bằng cách ghép 4-metylamino-1,8-naphthalimide với anhydrit trifluoroacetic. Các lộ trình tổng hợp để điều chế N1 và N2 được mô tả trong Sơ đồ 2. Cả hai cấu trúc hóa học của N1 và N2 đều được đặc trưng bởi 1H NMR và HRMS
2.3. Tổng hợp đầu dò N1 và N2
Scheme 2. Synthesis of N1 and N2. (a) C4H9NH2/EtOH, reflux, 78%; (b) NaN3, DMF, 100 °C, 83%; (c) Pd/C, DCM, rt, 65%; (d) (CF3CO)2O, DCM, rt, 88%; (e) CH3NH2, CuSO4·5H2O, DMF, reflux, 47%; (d) (CF3CO)2O, DCM, rt, 85%.
Các hợp chất 1, 2, 3, 4, N1, N2 được tổng hợp theo các quy trình đã được thiết kế trước đó với một chút sửa đổi nhẹ (Sơ đồ 2).
* Chất 1 (4-bromo-N-butyl-1,8-naphthalimide) được tạo ra bằng cách cho chất ban đầu 4-bromo-1,8-naphthalic anhydride phản ứng với n-butylamine trong etanol.
* Chất 2 (4-azido-N- butyl-1,8-naphthalimide) được điều chế bằng cách cho chất 1 phản ứng với natri azide trong DMF.
* Chất 3 (4-amino-N-butyl-1,8-naphthalimide) thu được khi khử nhóm azit của hợp chất 2 bằng cách hydro hóa với sự có mặt của 10% Pd/C.
* Chất 4 (4-metylamino-N- butyl-1,8-naphthalimide) thu được bằng cách cho hợp chất 1 tác dụng với CH3NH2 trong DMF phản ứng bằng cách sử dụng CuSO4 làm xúc tác.
* Chất N1 được tổng hợp bằng cách cho chất 3 (0,268 g, 1,0 mmol) và anhydrit trifluoroacetic (0,28 mL, 2,0 mmol) hòa tan trong diclometan (10 mL). Khuấy hỗn hợp trong 1h ở nhiệt độ phòng. Dung môi được loại bỏ dưới áp suất giảm và cặn thu được được tinh chế bằng sắc ký cột sử dụng diclometan làm chất rửa giải thu được hợp chất N1 ở dạng chất rắn màu trắng (0,320 g, 88%).
- Chất N2 được tạo ra khi cho chất 4 (0,282 g, 1,0 mmol) và anhydrit trifluoroacetic (0,28 mL, 2,0 mmol) hòa tan trong diclometan (10 mL). Hỗn hợp được khuấy trong 1h ở nhiệt độ phòng. Dung môi được loại bỏ dưới áp suất giảm và cặn thu được được tinh chế bằng sắc ký cột sử dụng diclometan làm chất rửa giải để thu được hợp chất N2 ở dạng chất rắn màu trắng (0,321 g, 85%).
III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Quy trình chung để phân tích
Dung dịch gốc của CN- (Bu4N+ làm ion đối tính) với nồng độ 10 mM và các ion cản trở được chuẩn bị trong nước khử ion, dung dịch gốc của đầu dò được chuẩn bị trong DMSO (10 mM), được pha loãng thêm với H2O/DMSO (9/1, v/v) đến nồng độ cần thiết. Tất cả các phép đo được thực hiện trong dung dịch hỗn hợp gồm H2O/DMSO (9/1, v/v) ở nhiệt độ phòng. Trong phép đo huỳnh quang, cả chiều rộng khe kích thích và phát xạ đều được đặt thành 5 nm.
3.2. Tính chất phân tử UV của N1 và N2
Fig. 1. Normalized absorption pectra of probe N1 (A) and 2 (B) in different solvents.
Phần gốc triflouoroacetamide đã được sử dụng rộng rãi như một vị trí công nhận CN-, nhưng nguyên tử hydro trên nguyên tử nitơ dễ bị ảnh hưởng bởi các anion gây nhiễu và thậm chí cả dung môi có tác dụng bất lợi đối với thành phố cụ thể của xét nghiệm. Và chúng tôi suy đoán rằng bằng cách thay thế nguyên tử H nhạy cảm của trifluoroacetamide bằng nhóm metyl trơ sẽ giải quyết được vấn đề này. Các cấu trúc phổ của đầu dò N1 và N2 trong các hệ dung môi khác nhau đã được nghiên cứu. Đầu dò N1 hiển thị độ hấp thụ khác nhau tùy theo từng dung môi khác nhau. Trong DCM, một dung môi không phân cực và không proton, N1 cho thấy một dải hấp thụ duy nhất có tâm ở 345 nm, trong khi một đỉnh chuyển dịch đỏ ở ~ 440 nm được quan sát trong một dung môi phân cực hoặc proton (Hình 1A), có thể được quy định rằng nguyên tử hydro trên nguyên tử nitơ của tri fluoroacetamide có thể tương tác với dung môi. Bằng cách đưa nước vào các dung môi phân cực này làm giảm đáng kể liên kết H
3.3. Phản ứng quang phổ của đầu dò N2 với CN-
Fig. 2. Normalized absorption (A) and fluorescence emission spectra (B) of probe N2 (20 μM) before (a) and after (b) reaction with CN- (100 μM) for 1 h in H2O/DMSO (9/1, v/v), λex = 340 or 450 nm. The insets show their corresponding photographic images under ambient light or under a hand-held UV lamp in dark.
Fig. 3. (A) Fluorescence spectra of N2 (5 μM) in the presence of various concentrations of CN-, from (a) to (p), 0, 1.0, 5.0, 10.0, 20.0, 30.0, 40.0, 50.0, 60.0, 70.0, 80.0 90.0, 100.0, 200.0, 300.0 and 400.0 μM. (B) The linear fitting curve between the fluorescence intensity ratio (I535/I495) and the concentration of CN-. λex = 390 nm.
Các phản ứng phổ của đầu dò N2 đối với CN- đã được khảo sát trong dung môi hỗn hợp (H2O/DMSO, v/v = 9: 1). Khi bổ sung nucleophilic cyanide vào carbonyl của gốc trifluoroacetamide đã được metyl hóa của đầu dò, quá trình ICT của phân tử đầu dò có thể được tăng cường đáng kể và dẫn đến sự thay đổi màu đỏ đáng kể trong cả phổ hấp thụ và phát xạ của đầu dò. Mức độ hấp thụ của đầu dò N2 cho thấy sự dịch chuyển màu đỏ của 110 nm (từ 340 nm đến 450 nm) khi có mặt CN-, tương ứng với sự thay đổi màu từ không màu sang màu vàng có thể quan sát được bằng mắt thường (Hình 2A) . Đầu dò N2 trong dung dịch phát ra huỳnh quang màu xanh lam (λem= 425 nm). Sau khi ủ với CN- (400 μM), phát xạ màu xanh lam biến mất cùng với sự xuất hiện kèm theo của một phát xạ màu lục (λem = 535 nm) (Hình 2B). Đáng chú ý, sự dịch chuyển phát xạ đỏ lớn mong muốn này (110 nm) cho thấy đầu dò này có thể hoạt động như một đầu dò đo tỷ lệ để đo CN-.
Động học của phản ứng giữa đầu dò N2 và CN- cũng được nghiên cứu. Những thay đổi phụ thuộc vào thời gian của cường độ hấp thụ ở bước sóng 450 nm của N2 với sự có mặt của các nồng độ CN- khác nhau đã được ghi lại. Trong điều kiện bậc nhất giả, sự gia tăng theo cấp số nhân ở A450 được quan sát thấy và hằng số tốc độ (k′) được tính là (7,01 ± 0,08) × 10-4 s-1. Và chúng tôi đặt thời gian phản ứng tối ưu của thử nghiệm là 60 phút, thời gian cần thiết để bão hòa các thay đổi độ hấp thụ của đầu dò N2 thành CN-Các phản ứng tỷ lệ định lượng của đầu dò N2 với xyanua được kiểm tra bằng chuẩn độ đo fluorometric. Phổ phát xạ của đầu dò N2 (5 μM) với sự có mặt của nồng độ CN- khác nhau từ 1 đến 400 μM đã được ghi lại. Như thể hiện trong Hình 3A, với nồng độ CN- ngày càng tăng, cường độ huỳnh quang của xét nghiệm ở bước sóng 425 nm tăng dần, trong khi dải phát xạ mới có tâm ở bước sóng 535 nm tăng lên đáng kể. Một điểm trong nước rõ ràng ở bước sóng 495 nm chỉ ra một sự biến đổi duy nhất trong quá trình chuẩn độ. Và tỷ lệ cường độ huỳnh quang (I535/I495) đã được áp dụng để theo dõi định lượng CN-. Đồ thị của I535/I495 như một hàm của nồng độ CN- được thể hiện trong Hình 3B, I535 / I495 tăng tuyến tính với sự gia tăng của nồng độ xyanua trong khoảng 1,0–80,0 μM. Phương trình hồi quy được biểu thị là I535/I495 = 0,04085×[CN-] / μM + 0,05034, với hệ số tương quan là 0,997. LOD[4] của thử nghiệm đối với xyanua được ước tính là 0,23 μM. Giá trị này thấp hơn mức ô nhiễm tối đa (1,9 μM) đối với xyanua trong nước uống do WHO đặt ra, cho thấy rằng thử nghiệm được đề xuất có thể là một công cụ tiềm năng để giám sát môi trường.
3.4. Độ chọn lọc của đầu dò N2 đối với cyanide
Fig. 4. (A) Fluorescence changes of probe N2 (5 μM) to cyanide (100 μM) and various anions (100 μM). The inset shows their corresponding fluorescence photos under a hand-held UV lamp (365 nm). (B) Fluorescence responses of probe N2 (5 μM) in the presence of different metal ions or anions (100 µ M) (low bars), followed by addition of cyanide (100 μM) (high bars). λex = 390 nm.
Độ chọn lọc là một tiêu chí quan trọng khác trong việc phát hiện xyanua. Phổ hệ cụ thể của đầu dò N2 được khảo sát bằng cách theo dõi sự thay đổi tín hiệu phát xạ của đầu dò khi bổ sung các anion khác, bao gồm AcO-, Br-, CO32-, Cl-, F-, HPO 2-,I-, N -,NO- và SCN-. Phản ứng đo tỷ lệ huỳnh quang của đầu dò được chứng minh bằng các thí nghiệm cạnh tranh trong đó phản ứng huỳnh quang theo tỷ lệ nhất quán được quan sát khi thêm xyanua vào các dung dịch của đầu dò N2 có chứa nồng độ bằng nhau của các anion có khả năng cạnh tranh (Hình 4B). Những kết quả này đã chứng minh rằng đầu dò N2 có thể phát hiện ra xyanua ở mức đặc biệt cao.
3.5. Cơ chế cảm biến
Scheme 3. Proposed sensing mechanism of probe N2 toward cyanide
Fig. 5. HPLC chromatograms of probe N2 and N2 + CN- (Sample A: probe N2 only (5 μM); Sample B: probe N2 (5 μM) + CN- (50 μM); Sample C: probe N2 (5 μM) + CN- (100 μM).
Trên cơ sở chiến lược thiết kế và các kết quả đã báo cáo trước đây, cơ chế cảm nhận của đầu dò N2 đối với xyanua được đề xuất như sau: cuộc tấn công nucleophilic chọn lọc theo từng giai đoạn của gốc CN- để metyl hóa tri ide uoroacetamide trong đầu dò N2 có thể kích hoạt hoạt động tăng cường của quá trình ICT của phân tử đầu dò, và kèm theo sự chuyển màu đỏ đáng kể trong cả phổ hấp thụ và phổ phát xạ của đầu dò (Sơ đồ 3). Sự biến đổi này đã được nghiên cứu bằng HPLC, UV–Vis và các nghiên cứu quang phổ phát xạ. Dung dịch Probe N2 hiển thị độ hấp thụ và phát xạ cực đại lần lượt ở bước sóng 340 nm và 425 nm, chúng được chuyển sang bước sóng 450 nm và 535 nm khi bổ sung xyanua. HPLC là phân tích được sử dụng rộng rãi nhất kỹ thuật tách do khả năng thích ứng sẵn sàng của nó với các phép xác định định lượng và định lượng chính xác, và tính phù hợp của nó để tách các chất hữu cơ không bay hơi. Do đó, phản ứng của đầu dò N2 với xyanua đã được xác minh thêm bằng cách sử dụng phân tích HPLC (Hình 5). Riêng đầu dò N2 (5 μM) cho pic sắc ký với Rt (Thời gian lưu) là 1,54 phút (Hình 5A). Khi phản ứng với 50 μM CN- (Hình. 5B), pic sắc ký ở 1,54 phút của đầu dò N2 gần như giảm đi đáng kể, cùng với sự xuất hiện của pic mới ở 0,84 phút cho thấy sự hình thành một chất cộng mới của N2-CN-. Thời gian rửa giải ngắn hơn của N2-CN-. có thể được gán cho độ phân cực cao hơn của nó so với đầu dò N2, như với sắc ký pha đảo, thành phần phân cực nhất sẽ rửa giải đầu tiên. Khi đầu dò N2 được trộn với lượng dư CN- (100 μM), N2 hoạt động riêng cho CN-, các ion gây nhiễu không dẫn đến bất kỳ thay đổi đáng chú ý nào trong phổ huỳnh quang của đầu dò N2. Phản ứng cụ thể của N2 với xyanua cũng có thể được quan sát bằng mắt thường (Hình 4A). Khả năng chọn lọc tuyệt vời của N2 trong việc phát hiện xyanua đã tăng thêm đỉnh ở 1,54 phút hoàn toàn biến mất chỉ để lại một đỉnh ở 0,84 phút (Hình 5B), ngụ ý chuyển đổi hoàn toàn N2 thành chất cộng N2-CN-. Những kết quả này cho thấy rằng đầu dò N2 đã phản ứng với xyanua.
3.6. Tính toán lý thuyết
Để hiểu sâu hơn về mối quan hệ giữa sự thay đổi cấu trúc và phản ứng quang học của đầu dò N2 với xyanua, một tính toán lý thuyết đã được thực hiện bởi Lý thuyết hàm mật độ (DFT) với bộ cơ sở phương pháp B3LYP bằng cách sử dụng Chương trình Gaussian 09. Các dạng hình học được tối ưu hóa và các obitan phân tử chiếm tỉ lệ cao nhất (HOMO) và các obitan phân tử không bị chiếm dụng (LUMO) thấp nhất của đầu dò N2 và cộng chất N2-CN- được trình bày trong Hình 6. Do sự hiện diện của nhóm rút điện tử, tri fl uoroacetamide đã được metyl hóa mới, ở vị trí thứ 4 của naphthalimide, đầu dò N2 đã làm giảm mật độ electron khu trú trên liên hợp π mở rộng hệ thống. Khi bổ sung nucleophilic CN-, do mật độ electron từ anion đến thụ thể, khoảng cách năng lượng HOMO-LUMO được thu hẹp từ 2,57 eV (N2) xuống 1,82 eV (N2-CN-). Việc thu hẹp khoảng cách năng lượng HOMO-LUMO này là nguyên nhân dẫn đến sự chuyển dịch lớn màu đỏ của phổ UV-vis và quang phổ huỳnh quang của đầu dò N2.
Fig. 6. Energy diagrams of optimized geometries, HOMO and LOMO orbitals of N2 and N2-CN- calculated at the DFT level using a B3LYP/6–31+G(d,p) basis set.
3.7. Ứng dụng trong mẫu nước
Để khám phá các ứng dụng thực tế của nó, đầu dò đã được áp dụng để theo dõi xyanua trong nước chảy. Độ chính xác của xét nghiệm được đánh giá bằng cách cho một lượng đã biết của dung dịch xyanua chuẩn và tính toán độ thu hồi của nó. Độ thu hồi khác nhau của lượng xyanua bổ sung đã biết này thu được trên 97,0% với độ chính xác phân tích đạt yêu cầu, điều này xác định tính khả thi và độ tin cậy của đầu dò được đề xuất để phát hiện xyanua.
3.8. Kiểm tra dải
Để kiểm tra các ứng dụng tiềm năng của đầu dò N2 cho việc theo dõi CN- một cách đơn giản và thuận tiện, chúng tôi đã sử dụng đầu dò N2 để chuẩn bị các que thử dựa trên silicagel để phát hiện trực tiếp CN-. Chuẩn bị các dải thử nghiệm bằng cách nhúng tấm TLC vào dung dịch diclometan N2 (0,1 M) và sau đó làm khô trong không khí. Các que thử như đã chuẩn bị được nhúng vào dung dịch nước của CN- với nồng độ khác nhau, với nồng độ xyanua tăng dần, màu của các đĩa thử nghiệm chuyển từ màu xám trắng sang màu vàng và màu huỳnh quang rõ ràng là chuyển từ màu xanh lam sang màu vàng lục. Những kết quả này đã chứng minh khả năng ứng dụng thực tế cao của đầu dò N2 để thăm dò lượng vết của xyanua trong các mẫu môi trường. (xem hình 7)
Fig. 7. Photographs for probe N2 coated TLC plates upon incubating with solution with various concentrations of CN-: (A) blank, (B) 20 μM, (C) 50 μM, (D) 100 μM, (E) 200 μM,
(F) 300 μM, (G) 500 μM, and (G) 1 mM. Upper: under ambient light; Lower: under a hand-hold UV lamp with an excitation at 365 nm in dark. (For interpretation of the references to color in this figure, the reader is referred to the web version of this article.)
IV. KẾT LUẬN
Tóm lại, chúng tôi đã đề xuất một chiến lược điện tử cho việc xây dựng của các đầu dò có tính chọn lọc cao bằng cách thay thế nguyên tử H nhạy cảm. Như thử nghiệm mô hình, bằng cách liên hợp tri fluoroacetyl với 4-metylaminonaphthalimide, một đầu dò huỳnh quang đặc biệt nhạy cao, N2, đã được phát triển để cảm nhận xyanua theo cách đo tỷ lệ. Sự có mặt của xyanua tạo ra những thay đổi tỷ lệ đáng kể đối với cả sự hấp thụ và phát sinh của đầu dò N2 thông qua việc bổ sung nucleophilic của xyanua vào gốc tri fluoroacetamide được metyl hóa và tăng cường quá trình ICT. Đầu dò N2 thể hiện tính chọn lọc cao đối với xyanua so với các loài khác và LOD thấp mong muốn là 0,23 μM. Đầu dò này có thể được ứng dụng vào thực tế để phát hiện vết xianua trong mẫu nước bằng cách sử dụng các tấm phủ silicagel.
[1] Công trình được tác giả và các cộng sự thực hiện trong khoảng thời gian 2014-2017, được đăng trên tạp chí SCI Talanta của nhà xuất bản Elservier.
[2] Khac Hong Nguyen là tên tiếng Anh của tác giả.
[3] ICT Intramolecular charge transfer: sự chuyển điện tích nội phân tử.
[4] LOD Giới hạn phát hiện.
[5] PET Photoinduced electron transfer: Sự dịch chuyển electron cảm ứng quang.
Tài liệu tham khảo:
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0039914017308524?via%3Dihub
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/28917746/
http://ir.nsfc.gov.cn/paperDownload/ZD19703115.pdf
NCV.TS Nguyễn Khắc Hồng
