TỔ NG QUAN
Khái ni ệ m
MOFs (Metal-organic frameworks) là các hợp chất bao gồm ion hoặc cụm kim loại kết hợp với các phối tử hữu cơ, tạo thành cấu trúc một, hai hoặc ba chiều Chúng thuộc lớp polyme phối trí với đặc điểm nổi bật là tính xốp Các phối tử hữu cơ, thường được gọi là "thanh chống", như axit 1,4-benzenedicarboxylic (BDC), đóng vai trò quan trọng trong cấu trúc Một khung hữu cơ kim loại là mạng lưới phối hợp có chứa các khoảng trống tiềm năng, với cấu trúc mở rộng thông qua việc lặp lại các thực thể phối hợp Polyme phối trí là các hợp chất với các thực thể phối hợp lặp lại kéo dài theo một, hai hoặc ba chiều, tạo ra tính chất độc đáo cho MOFs.
Hình 1.1 C ấu trúc các IRMOF (a) và MOF-177 (b)
MOFs (Metal-Organic Frameworks) sở hữu diện tích bề mặt lớn nhất so với các vật liệu khác và có nhiều ưu điểm hơn so với các chất hấp phụ truyền thống như alumino silicat, zeolit và than hoạt tính Cấu trúc của MOFs là dạng tinh thể, được hình thành từ sự kết hợp giữa cation kim loại và các phân tử hữu cơ, tạo nên cấu trúc không gian ba chiều xốp với bề mặt riêng lớn Được nghiên cứu lần đầu bởi giáo sư O.M Yaghi và các cộng sự tại UCLA vào năm 1997, MOFs bao gồm hai thành phần chính: oxit kim loại và linkers hữu cơ, trong đó tính chất của linker có vai trò quan trọng trong việc hình thành cấu trúc khung của MOFs Hình dạng của ion kim loại cũng ảnh hưởng quyết định đến cấu trúc của MOFs sau khi tổng hợp, với các ion kim loại phổ biến như Zn²⁺, Co²⁺ và Ni²⁺.
Các ion kim loại như Cu²⁺, Cd²⁺, Fe²⁺, Mg²⁺, Al³⁺, Mn²⁺ và oxit kim loại như ZnO4 thường được sử dụng trong việc tổng hợp vật liệu MOFs Ion kim loại trung tâm hoặc oxit kim loại hoạt động như trục bánh xe, trong khi các linker hữu cơ đóng vai trò như những chân chống Một số hợp chất hữu cơ, đặc biệt là dẫn xuất của axit cacboxylic, thường được sử dụng làm linker trong tổng hợp vật liệu MOFs, bao gồm các axit như 1,4-benzendicacboxylic (BDC), 2,6-naphthalendicacboxylic (2,6-NDC), 1,4-naphthalendicacboxylic (1,4-NDC), 1,3,5-benzentricacboxylic (BTC), 2-aminoterephthalic (NH2-BDC) và 4,4'-Bipyridin (4,4'-BPY).
T ổ ng quan v ậ t li ệ u khung h ữu cơ – kim lo ạ i (MOFs)
MOFs (Metal-Organic Frameworks) là vật liệu có độ xốp cao, được hình thành từ sự kết hợp giữa các ligand carboxylat hữu cơ và các cluster kim loại, tạo ra cấu trúc khung không gian ba chiều với các lỗ xốp có kích thước ổn định Cấu trúc này có độ ổn định cao nhờ vào độ bền của liên kết kim loại – oxy, giúp giữ nguyên hình dạng ngay cả khi các phân tử dung môi trong lỗ xốp bị loại bỏ Kết quả là một vật liệu khung tinh thể với tỉ trọng thấp và diện tích bề mặt lớn, phù hợp cho nhiều ứng dụng trong lĩnh vực hóa học và vật liệu.
Bằng cách thay đổi cầu nối hữu cơ hoặc ion kim loại, kích thước lỗ xốp của vật liệu có thể được điều chỉnh, từ đó tạo ra các vật liệu xốp với khả năng hấp thụ chọn lọc MOFs đã được nghiên cứu thành công bởi nhóm của GS Omar Yaghi tại Đại học California, Los Angeles (UCLA).
Trong những năm qua, các nhà khoa học đã nghiên cứu và ứng dụng các vật liệu có cấu trúc xốp như zeolite và bentonite trong công nghiệp xúc tác và hấp phụ khí Tuy nhiên, những vật liệu này thường có cấu trúc mao quản nhỏ và diện tích bề mặt hạn chế Do đó, các nhà nghiên cứu đã nỗ lực phát triển các vật liệu mới với cấu trúc mao quản lớn hơn và diện tích bề mặt vượt trội hơn nhiều lần.
Vào đầu những năm 90 của thế kỷ XX, nhóm nghiên cứu do tác giả Yaghi dẫn dắt tại trường đại học UCLA, Mỹ, đã phát triển phương pháp kiểm soát chính xác việc tạo ra các lỗ xốp dựa trên khung hữu cơ – kim loại.
Năm 1995, tác giả Yaghi đã thành công trong việc tổng hợp vật liệu có không gian bên trong lớn hình chữ nhật thông qua phương pháp tổng hợp thủy nhiệt, sử dụng Cu(NO3)2 kết hợp với 4,4-Bipyridine và 1,3,5-Trazine.
Năm 1997, nhóm nghiên cứu do GS Omar M Yaghi dẫn đầu đã phát hiện ra vật liệu có cấu trúc xốp và bề mặt riêng lớn, được gọi là khung hữu cơ – kim loại (Metal-Organic Frameworks - MOFs) Nhóm của ông đã công bố nhiều công trình nghiên cứu quan trọng trên các tạp chí khoa học danh tiếng như Nature, Science và Journal of American.
Năm 2005, Yaghi và các đồng nghiệp [10] tổng hợp MOF-69A-C, MOF-70-
Nhóm nghiên cứu của giáo sư Yaghi đã phát triển 80 cấu trúc dựa trên cầu nối carboxylic axit kết hợp với các kim loại như Co, Zn và Pb Họ có khả năng tùy chỉnh thành phần các nhóm kim loại – hữu cơ để tạo ra những vật liệu mới với tính năng vượt trội, bao gồm độ bền nhiệt cao và diện tích bề mặt riêng lớn hơn so với các vật liệu đã được nghiên cứu trước đây.
Các loại vật liệu xốp này đang được phát triển mạnh mẽ nhằm phục vụ cho nhiều ứng dụng hứa hẹn trong các lĩnh vực như xúc tác, lưu trữ khí và phân tách hỗn hợp.
Ngoài nhóm nghiên cứu của giáo sư Omar Yaghi, còn có các nhóm hàng đầu trong lĩnh vực này, bao gồm nhóm của giáo sư Gérard Férey từ Pháp và giáo sư Susumu Kitagawa từ Nhật Bản.
Nhóm nghiên cứu năng lượng bền vững tại PTN Hóa lý Ứng dụng và nhóm nghiên cứu tại Trường Đại học Bách khoa TP HCM đang đóng vai trò quan trọng trong chương trình tiến sĩ MANAR, một chương trình hợp tác nghiên cứu và đào tạo giữa ĐHQG-HCM và UCLA, tập trung vào nghiên cứu và chế tạo vật liệu MOFs.
Nhóm đang hợp tác với Trường Đại học Bách khoa TP HCM thực hiện hai đề tài nghiên cứu khoa học trọng điểm và một đề tài hợp tác quốc tế trong lĩnh vực vật liệu MOF, với tổng kinh phí khoảng 4 tỷ đồng Kết quả ban đầu rất khả quan, nhóm đã tổng hợp thành công vật liệu MOF-5 với diện tích bề mặt 2600 m²/g, tương đương với nghiên cứu của Giáo sư Yaghi, và đạt được thành công bước đầu trong việc tổng hợp vật liệu MOF mới với diện tích bề mặt 3400 m²/g chưa từng được công bố.
Nghiên cứu về cơ chế hình thành các khung hữu cơ kim loại (MOFs) vẫn chưa được chú trọng, đặc biệt là các tham số phức tạp ngoài nhiệt độ và thời gian Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng yếu tố nhiệt động quan trọng hơn yếu tố động học trong quá trình hình thành Cheetham và các cộng sự đã chỉ ra ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình hình thành cobalt succinate, cho thấy rằng khi nhiệt độ tăng, kích thước phân tử cũng tăng do kéo dài liên kết -M-O-M- và cải thiện độ bền nhiệt Nghiên cứu này khảo sát năm giai đoạn hình thành cobalt succinate với tỉ lệ phản ứng giữa cobalt (II) hydroxide và acid succinic là 1:1, ở năm nhiệt độ khác nhau từ 60 °C đến 250 °C Kết quả cho thấy, ở 100 °C, các trung tâm kim loại hình thành cấu trúc một chiều; ở 150 °C, cấu trúc hai chiều xuất hiện; và cấu trúc ba chiều đạt được ở nhiệt độ cao hơn.
Khi nhiệt độ tăng, sự phối trí của H2O với các nguyên tử Co giảm, dẫn đến sự gia tăng entropy Các nguyên tử Co trở nên gần nhau hơn, hình thành liên kết –M-O-M- và làm tăng tỷ trọng tổng của hệ thống Nghiên cứu này mở ra những hướng đi mới cho các nghiên cứu tiếp theo liên quan đến thời gian, pH và nồng độ.
1.2.2 Nguyên li ệu tổng hợp MOFs
Vật liệu MOFs (Metal-Organic Frameworks) bao gồm các tâm ion kim loại kết hợp với cầu nối hữu cơ, tạo ra một cấu trúc khung hữu cơ - kim loại chắc chắn Cấu trúc này giống như giàn giáo trong xây dựng, với các lỗ trống bên trong hình thành một hệ thống xốp, nơi mà các vách ngăn chỉ là những phân tử hoặc nguyên tử.
Kim loại chuyển tiếp sở hữu nhiều obitan hóa trị, bao gồm cả obitan trống, và có độ âm điện cao hơn so với kim loại kiềm và kiềm thổ, cho phép chúng nhận cặp electron Điều này dẫn đến khả năng tạo phức của các nguyên tố chuyển tiếp (nhóm B) rất phong phú và đa dạng Nhiều ion kim loại chuyển tiếp có khả năng tạo phức hoặc hình thành mạng lưới với các ligand hữu cơ khác nhau Nguyên tử của các nguyên tố này có thể có hai loại hóa trị: hóa trị chính và hóa trị phụ, trong khi các tâm ion kim loại thường là cation.
Zn 2+ , Cu 2+ , Pb 2+ , Fe 3+ …các muối kim loại thường dùng để tổng hợp là loại ngậm nước như Zn(NO3)2.6H2O, Cu(NO3)2.4H2O, Co(NO3)3.6H2O…
Hình 1.2 C ấu trúc của ZIF-8
Cơ chế nh ậ n bi ế t có ch ọ n l ọ c v ớ i ATP
Nghiên cứu MOFs (Metal-Organic Frameworks) trong việc xác định chọn lọc ATP dựa trên cơ chế nghiên cứu của Zhao và cộng sự cho thấy vật liệu MOFs có tiềm năng lớn trong việc phát hiện ATP một cách chính xác Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng MOFs có khả năng tương tác mạnh mẽ với ATP, tạo ra những ứng dụng hứa hẹn trong lĩnh vực sinh học và y tế.
Liệu MOFs phân tán trong nước cho thấy sự dịch chuyển đáng kể của bước sóng phát xạ khi có sự hiện diện của ATP Ngoài ra, các nucleotide như cytidine 5′-triphosphate (CTP), uridine 5′-triphosphate (UTP), guanosine 5′-triphosphate (GTP) cùng với một số anion vô cơ cũng ảnh hưởng đến hiện tượng này.
Nhóm nghiên cứu của Zhao đã tiến hành nhận biết vật liệu OSMs (Organic Small Molecules) với ATP, cho thấy OSMs có khả năng nhận biết chọn lọc ATP thông qua liên kết hydro và tương tác tĩnh điện với nhóm phosphate, cùng với sự xếp chồng π-π của nhóm adenine Mặc dù sự dịch chuyển cường độ huỳnh quang của OSMs khi có mặt ATP được ghi nhận, nhưng mức độ dịch chuyển này vẫn chưa lớn Trong nghiên cứu tiếp theo, các ion kim loại được sử dụng để liên kết trực tiếp với nhóm triphosphate trong ATP, dẫn đến sự dịch chuyển huỳnh quang, nhưng vẫn chưa rõ ràng Điều đáng chú ý là trong nghiên cứu này, OSMs chỉ liên kết với nhóm triphosphate mà không có sự tham gia của nhóm adenine, có thể là nguyên nhân chính gây ra sự dịch chuyển huỳnh quang chưa rõ ràng.
Nhóm nghiên cứu của Zhao và cộng sự đã phát triển vật liệu khung cơ-kim MOFs để nhận biết ATP, trong đó các ligand hữu cơ liên kết với nhóm adenine của ATP qua liên kết hydro, trong khi các ion kim loại kết nối trực tiếp với nhóm triphosphate Kết quả cho thấy vật liệu MOFs có sự dịch chuyển huỳnh quang rõ rệt hơn so với hai nghiên cứu trước.
Hình 1.13 Sơ đồ nhận biết ATP
ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨ U
Đối tượng và phương pháp nghiên cứ u
ATP (Adenosine-5’-triphosphate) là phân tử mang năng lượng quan trọng trong tế bào, có chức năng vận chuyển năng lượng đến các vị trí cần thiết Nó đóng vai trò then chốt trong quá trình trao đổi chất, đặc biệt là trong việc truyền năng lượng ATP kết hợp năng lượng từ các quá trình ngoại sinh và nội sinh, giúp các phản ứng hóa học không thuận lợi về mặt năng lượng có thể diễn ra.
Trong lĩnh vực sinh học, việc nhận diện chọn lọc các anion và nucleotides là một chủ đề nghiên cứu quan trọng do vai trò thiết yếu của chúng trong các loài sinh vật Đặc biệt, các nucleosides triphosphate với kích thước phân tử lớn, như adenosine-5’ triphosphate (ATP), gây khó khăn trong việc nhận biết so với cation ATP là một anion phổ biến và quan trọng, đóng vai trò thiết yếu trong việc lưu trữ và vận chuyển năng lượng trong tế bào sống.
ATP là một phân tử năng lượng quan trọng, bao gồm ba nhóm phosphate gắn liền với gốc adenosine, được gọi là alpha (α), beta (β) và gamma (γ) Khi loại bỏ một nhóm phosphate, ATP chuyển thành adenosine diphosphate (ADP), và khi loại bỏ hai nhóm, nó trở thành adenosine monophosphate (AMP).
ADP (adenosine-5'-diphosphate) tham gia vào các phản ứng sinh hóa của tế bào bằng cách tách ra một nhóm photphat cho các chất khác Sau đó, ADP được chuyển hóa trở lại thành ATP thông qua quá trình hô hấp tế bào Bên cạnh đó, ATP và ADP còn đóng vai trò quan trọng trong việc tổng hợp một số đại phân tử như xenlulozo và axit nucleic.
Vật liệu cảm biến phát quang dựa trên sự kết hợp giữa ion đất hiếm Eu 3+ và khung hữu cơ (MOF-Eu) sở hữu những đặc điểm nổi bật như diện tích bề mặt riêng lớn, cấu trúc linh động và đa dạng nhóm chức hóa học bên trong lỗ xốp Những đặc tính này giúp cảm biến phát quang từ vật liệu lai này hứa hẹn mang lại độ chọn lọc và độ nhạy cao, mở ra cơ hội mới cho ứng dụng trong lĩnh vực cảm biến ion đất hiếm Gần đây, nghiên cứu về cảm biến phát quang Ln-MOFs đã bắt đầu được triển khai nhằm xác định và loại bỏ các anion, cation và độc chất dạng phân tử nhỏ, phục vụ cho công nghiệp môi trường.
- Dựa trên các phương pháp tổng hợp vật liệu đã được công bốđể tiến hành tổng hợp nên các vật liệu MOFs
- Đặc trưng cấu trúc và tính chất phát quang của vật liệu được nghiên cứu bằng các phép đo XRD, IR, quang phổ phát quang, phổ UV-Vis
- Ứng dụng vật liệu phát quang MOF-Eu để nghiên cứu xác định ATP, khoảng tuyến tính định lượng, xác định các giá trị LOD, LOQ…
Dựa trên các phương pháp thống kê trong phân tích với các đại lượng đặc trưng và với sự hỗ trợ của phần mềm Microsoft Excel
2.1.3 Thẩm định phương pháp phân tích
2.1.3.1 Xác định khoảng tuyến tính và xây dựng đường chuẩn
- Xác định khoảng tuyến tính
Khoảng tuyến tính của phương pháp phân tích là khoảng nồng độ mà tại đó có sự phụ thuộc tuyến tính giữa đại lượng đo được và nồng độ chất phân tích Để xác định khoảng tuyến tính, cần thực hiện đo các dung dịch chuẩn với nồng độ thay đổi và khảo sát mối liên hệ giữa tín hiệu và nồng độ Việc xây dựng đường cong phụ thuộc giữa tín hiệu đo và nồng độ sẽ giúp quan sát sự phụ thuộc cho đến khi không còn tuyến tính Độ dài của khoảng tuyến tính phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó yếu tố quan trọng nhất là bản chất của chất phân tích và kỹ thuật được sử dụng, vì các chất khác nhau có khoảng tuyến tính khác nhau do sự khác biệt về tính chất lý hóa.
Sau khi xác định khoảng tuyến tính để xây dựng đường chuẩn, cần tiến hành xác định hệ số hồi quy tương quan Đầu tiên, chuẩn bị ít nhất 6 nồng độ chuẩn và xác định các giá trị đo được y theo nồng độ x, thực hiện lặp lại 3 lần để lấy giá trị trung bình Cuối cùng, tính toán các hệ số hồi quy a, b trong phương trình hồi quy tuyến tính (y=ax+b) và hệ số tương quan R.
2.1.3.2 Giới hạn phát hiện LOD và giới hạn định lượng LOQ a Gi ới hạn phát hiện LOD
- Giới hạn phát hiện (LOD) là nồng độ thấp nhất của chất phân tích trong mẫu có thể phát hiện được nhưng chưa thểđịnh lượng được
- Giá trị LOD có thểđược xác định dựa vào độ dốc của đường chuẩn và độ lệch chuẩn của tín hiệu đo [14]
SD: Độ lệch chuẩn của tín hiệu a: Độ dốc của đường chuẩn
Giá trị a có thể dễdàng tính đường từđường chuẩn
Giá trị SD được tính dựa trên độ lệch chuẩn của khoảng cách các giá trị đo thực với đường chuẩn [14]
SE: sai số tuyệt đối (standard error)
N : số cỡ mẫu b Gi ới hạn định lượng LOQ
Giới hạn định lượng (LOQ) là nồng độ tối thiểu của một chất trong mẫu thử mà có thể được xác định bằng phương pháp khảo sát, đảm bảo kết quả đạt độ lặp lại mong muốn.
Công thức tính giới hạn định lượng (LOQ)
Hóa ch ấ t và thi ế t b ị
- p-phathalic acid: Sử dụng làm cầu nối hữu cơ trong tổng hợp vật liệu khung cơ- kim MOF-Eu aSDLOQ×
- Europi (III) oxit: Sử dụng làm tâm kim loại trong tổng hợp vật liệu khung cơ-kim MOFs
- Tris-base: Sử dụng làm dung dịch đệm khi ghi phổ phát quang của vật liệu MOF-
- ATP (adenosine triphosphate), Adenine, Adenosine
- Natri hydroxit, acid chlohydric, nước cất 2 lần
2.2.2 Thiết bị và dụng cụ
2.2.2.1 Thiết bị đo phổ phát quang
Hình 2.1 Thiết bị ghi phổ phát quang F-4600 (Hitachi)
Quang phổ phát quang là một phương pháp phân tích quang phổ điện tử, ghi lại sự phát xạ ánh sáng từ mẫu vật Khi một chùm ánh sáng, thường là ánh sáng cực tím, kích thích các electron trong các hợp chất nhất định, chúng sẽ phát ra ánh sáng Cường độ phát quang của mẫu được so sánh với cường độ phát quang của chất chuẩn dưới cùng điều kiện để đưa ra kết quả chính xác.
2.2.2.2 Thiết bị đo phổ hồng ngoại
Hình 2.2 Thiết bị đo phổ hồng ngoại
Hoạt động của phương pháp này dựa trên sự hấp thụ bức xạ hồng ngoại của vật chất, ghi nhận các dao động đặc trưng của liên kết hóa học giữa các nguyên tử Phương pháp cho phép phân tích với hàm lượng mẫu rất thấp, đồng thời có khả năng phân tích cấu trúc, định tính và định lượng Đặc biệt, độ nhạy của phương pháp rất cao, ngay cả khi mẫu chỉ có bề dày khoảng 50 nm.
- Phổ hồng ngoại được ghi trên máy FTIR-7800
2.2.2.3 Thiết bị đo phổ XRD
Hình 2.3 Máy đo quang phổ nhiễu xạ XRD
Dựa trên hiện tượng nhiễu xạ tia X của mạng tinh thể thỏa mãn các điều kiện
27 phản xạ Bragg: dsinθ = nl
Trong đó: d là khoảng cách giữa các mặt nguyên tử phát xạ, θ là góc phát xạ, l là bước sóng của tia X và n là số bậc phản xạ
Máy nhiễu xạ XRD cho phép ghi nhận tất cả các cực đại nhiễu xạ Bragg dưới các góc θ khác nhau thông qua phim hoặc detector, từ đó phân tích các đặc trưng cấu trúc tinh thể, độ đơn pha và nhiều thông số liên quan Ứng dụng của máy này rất nhanh chóng và chính xác, đặc biệt trong việc phân tích mẫu chất trong ngành công nghiệp vật liệu, vật lý, hóa học và nhiều lĩnh vực khác.
PhổXRD được ghi trên máy Empyrean
2.2.2.5 Một số thiết bị khác
Thiết bị ly tâm là công cụ quan trọng được sử dụng để tách biệt các phân tử có khối lượng riêng khác nhau Quá trình này thường áp dụng để tách pha rắn và pha lỏng dựa trên kích thước và mật độ khác nhau của các hạt, nhờ vào lực ly tâm tạo ra.
Thiết bị khuấy từ ra nhiệt là công cụ quan trọng giúp khuấy và hòa tan dung dịch, đảm bảo các phản ứng hóa học diễn ra đồng bộ và đạt hiệu suất tối ưu Với tính năng ra nhiệt, thiết bị này hỗ trợ vật liệu tan nhanh và hiệu quả hơn, góp phần nâng cao chất lượng quá trình tổng hợp.
- Thiết bị đo pH: Dùng để điều chỉnh môi trường pH của dung dịch đệm Tris-HCl
- Ngoài các thiết bị kể trên còn sử dụng một số dụng cụ trong phòng thí nghiệm như:
+ Bình định mức 5ml, 10ml, 25ml, 50ml
+ Pipet hút mẫu 2ml, 5ml
+ Cuvet thạch anh 4 cửa sáng
+ Ống đong 25ml, 50ml, 100 ml
+ Cốc thủy tinh các loại
THỰ C NGHI Ệ M
Quy trình t ổ ng h ợ p v ậ t li ệu khung cơ -kim MOF-Eu
- Cân 0.12g H2BDC hoà tan trong 0.06 g NaOH thêm nước cất Sau khi dung dịch tan hết, đem trung hoà dung dịch HCl đến khi pH = 7
- Cân 0.088 g Eu2O3 hòa tan trong 2.5 ml HCl 2N, gia nhiệt cô đến cạn
Trộn hai hỗn hợp lại với nhau và khuấy dung dịch trong 3 tiếng, bạn sẽ thấy xuất hiện kết tủa trắng Kết tủa này sau đó cần được lọc ly tâm để loại bỏ dung môi.
Kết tủa thu được rửa lại bằng nước, ethanol để loại bỏ tạp chất, sau cùng sấy qua đêm ở 70 o C và thu được tinh thể màu trắng [16]
Hình 3.1 Quy trình tổng hợp vật liệu MOF-Eu
Đặc trưng hóa vậ t li ệ u MOFs và s ự nh ậ n bi ế t ch ọ n l ọ c v ớ i ATP
3.2.1 Khảo sát đặc trưng và tính phát quang của vật liệu MOFs
- Ghi phổ XRD, ảnh SEM và phổ IR đối với vật liệu rắn để xác định cấu trúc và hình thái bề mặt của vật liệu
Tiến hành ghi phổ kích thích phát quang và phổ phát xạ của vật liệu MOFs giúp xác định bước sóng kích thích và phát xạ của chúng.
Tiến hành khảo sát để xác định bước sóng kích thích và phát xạ tối ưu cho vật liệu MOFs, nhằm đạt được khả năng nhận biết nhạy nhất đối với ATP.
+ Chuẩn bị dung dịch MOF-Eu: Hoà tan 0.05 g của các mẫu MOF-Eu trong
50 ml H2O cất Sau đó siêu âm 90 phút ở nhiệt độphòng để vật liệu được phân tán hoàn toàn
+ Chuẩn bị dung dịch đệm Tris-HCl: 1.21g Tris-Base pha trong 100 ml
H2O Sau đó cho thêm 84 ml HCl 0.1M thu được dung dịch đệm Tris-HCl có pH=7.4
+ Chuẩn bị dung dịch ATP: Cân 0.634g ATP vào 25 ml H2O thu được nồng độ ATP là 0.05M
+ Chuẩn bị 2 bình định mức 5ml sạch, có dán nhãn
+ Chuẩn bị dung dịch đo huỳnh quang: ứng với mỗi dung dịch MOF-Eu tiến hành chuẩn bị 2 mẫu:
Mẫu 1: Chuẩn bị dung dịch MOF-Eu không có ATP: Lấy 3ml dung dịch
MOF-Eu đã pha, 1ml dung dịch đệm Tris-HCl và định mức bằng nước cất trong bình định mức 5 ml
Mẫu 2: Chuẩn bị dung dịch MOF-Eu có ATP: Lấy 3ml dung dịch MOF- Eu đã pha, 0.5ml dung dịch đệm và 0.5 ml ATP 0.05M rồi định mức bằng nước cất trong bình định mức 5 ml
+ Với mỗi mẫu đã chuẩn bị chờ 5 phút cho vật liệu ổn định để tiến hành ghi phổ phát quang
3.2.2 Khảo sát vật liệu MOF-Eu nhận biết với ATP
- Chuẩn bị dung dịch đệm Tris-HCl pH = 7.4
Để chuẩn bị dung dịch ATP, bạn cần pha 0.127g ATP vào 25ml nước cất, tạo ra dung dịch ATP 0.01M Tiếp theo, chuẩn bị 4 bình định mức 5ml và dán nhãn cho mỗi bình với các nồng độ ATP tương ứng là 0, 10^-6, 10^-5 và 10^-4 M.
Chuẩn bị mẫu bằng cách lấy 3 ml mẫu MOF-Eu, 1 ml dung dịch đệm Tris-HCl, và ATP với nồng độ phù hợp cho khảo sát, sau đó định mức bằng nước cất trong bình định mức 5 ml.
Tiến hành đo mẫu bằng cách ổn định mỗi mẫu trong 5 phút trước khi ghi phổ phát quang Qua đó, xác định khoảng nhận biết ATP của vật liệu MOF-Eu.
- Từ khoảng nhận biết này, tiến hành đo thêm các mẫu để xác định khoảng tuyến tính của vật liệu MOF-Eu với ATP
3.2.3 Xác định độ chọn lọc của vật liệu MOF-Eu với ATP
- Chuẩn bị dung dịch Tris-HCl với pH đã được khảo sát ở trên
- Chuẩn bị dung dịch ATP nằm trong khoảng nhận biết
- Chuẩn bị dung dịch adenine, adenisine, natri photphate có cùng nồng độ ATP
- Chuẩn bị4 bình định mức 5ml sạch, có dán nhãn
Chuẩn bị mẫu bằng cách lấy 3ml mẫu MOF-Eu và 1ml dung dịch đệm Tris-HCl cho tất cả các mẫu Sau đó, cho ATP, adenine, adenosine và natri photphate vào với cùng nồng độ, cuối cùng định mức bằng nước cất đến vạch định mức.
Để xác định độ chọn lọc của phương pháp, các mẫu đã chuẩn bị cần được ổn định trong 5 phút trước khi tiến hành ghi phổ phát quang.
KẾ T QU Ả VÀ TH Ả O LU Ậ N
Đặc trưng củ a v ậ t li ệ u MOFs-Eu
Hình 4.1 Ph ổ XRD của vật liệu MOF-Eu
Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) được sử dụng để xác định cấu trúc và tính trật tự của tinh thể trong vật liệu MOF-Eu Độ sắc nét và cường độ cao của các đỉnh cho thấy vật liệu MOF-Eu có độ kết tinh cao Kết quả phân tích XRD cho thấy các peak nhọn đặc trưng tại 2θ=6.5, 13.5, 14.5, 29 và 30.5 độ, đây là những đặc trưng của vật liệu Eu2(BDC)3.nH2O.
Nhận xét: Vật liệu MOF-Eu tổng hợp được cho độ kết tinh cao, thể hiện đầy đủcác peak đặc trưng
4.1.2 Hình thái bề mặt vật liệu
Hình ảnh chụp bề mặt (ảnh SEM) của vật liệu MOF-Eu được chỉ ra ở Hình 4.2
Nhận thấy, vật liệu MOF-Eu có cấu trúc nhiều tầng, xốp dạng bông hoa
Hình 4.2 Ảnh SEM của vật liệu MOF-Eu
Hình 4.3 Ph ổ IR của MOFs-Eu
Phổ hồng ngoại (IR) của MOF-Eu (Hình 4.3) cho thấy:
• Dải hấp thụ cường độ thấp trong khoảng 3500 – 3000 cm -1 ứng với dao động của nhóm −OH (H2O) trong vật liệu Eu2(BDC)3.nH2O
• Hai peak tại 1546.91 và 1402.25 cm -1 được quy kết cho dao động hóa trị bất đối xứng và đối xứng tương ứng của liên kết C=O trong nhóm carboxylate
• Hai peak 734.88 và 827.46 cm -1 là các dao động biến dạng của liên kết
=C−H trong vòng benzen tại hai vị trí thế para
• Vị trí peak 507.28 cm -1 đặc trưng của liên kết Eu−O
Phổ hồng ngoại của vật liệu MOF-Eu cho thấy các đỉnh đặc trưng của khung phối tử hữu cơ BDC, cũng như sự liên kết giữa khung phối tử và ion kim loại Eu trung tâm.
Tính ch ấ t phát quang c ủ a MOF-Eu
4.2.1 Phổ kích thích phát quang
Phổ kích thích phát quang của vật liệu MOF-Eu được chỉ ra ở Hình 4.4
Nhận thấy có thể lựa chọn các bước sóng kích thích sự phát quang thích hợp như λex = 260; 280 hay 310 nm, để thu phổ phát quang của MOF-Eu
Hình 4.4: Phổ kích thích phát quang của MOF-Eu với λ obs = 522 nm (đường số 1) và λ obs = 620 nm (đường số 2).
4.2.2 Phổ phát quang của MOF-Eu
Phổ phát quang của vật liệu MOF-Eu được khảo sát tại các bước sóng kích thích khác nhau, như thể hiện trong Hình 4.5 Kết quả cho thấy các đỉnh phát xạ phân bố trong dải từ 450 nm.
– 750 nm ứng với sự chuyển dời điện tử của phối tử BDC và các sự chuyển dời 4f
→ 4f của trạng thái kích thích 5 D0 sang các mức 7 FJ (J = 0, 1, 2, 3, 4) đặc trưng của ion Eu(III) [28] Cường độ của các đỉnh phát xạ phụ thuộc vào bước sóng kích thích
Hình 4.5: Phổ phát quang của MOF-Eu tại λ ex = 260 nm (đường số 4); λ ex = 280 nm (đường số 5) và λ ex = 310 nm (đường số 6)
Hình 4.6 – 4.8 thể hiện phổ phát quang của MOF-Eu tại các bước sóng kích thích khác nhau trong dung dịch chứa ATP Kết quả cho thấy, cường độ phát quang của vật liệu không thay đổi khi thêm ATP, nhưng với bước kích thích λex = 260 nm, cường độ phát quang giảm dần khi nồng độ ATP tăng Do đó, bước sóng kích thích và phát xạ tương ứng là λex = 260 nm và λem = 522 nm được lựa chọn để định lượng ATP bằng vật liệu phát quang MOF-Eu.
Hình 4.6: Phổ phát quang của MOF-Eu tại λ ex = 260 nm trong dung dịch chứa
Hình 4.7: Phổ phát quang của MOF-Eu tại λ ex = 280 nm trong dung dịch chứa
Hình 4.8: Phổ phát quang của MOF-Eu tại λ ex = 310 nm trong dung dịch chứa
K ế t qu ả nghiên c ứ u s ử d ụ ng MOF-Eu nh ậ n bi ế t ATP
4.3.1 Tương tác của MOF-Eu với ATP
Biểu đồ phổ hấp thụ phân tử UV-Vis của MOF-Eu trong dung dịch chứa ATP cho thấy không có phản ứng giữa ATP và vật liệu MOF-Eu Điều này chỉ ra rằng quá trình dập tắt sự phát quang của vật liệu liên quan đến tương tác giữa trạng thái kích thích của MOF-Eu và ATP.
Hình 4.9: Phổ UV-Vis của MOF-Eu trong dung dịch chứa ATP: (a) MOF-Eu; (b)
Để đánh giá sự tương tác chọn lọc của vật liệu MOF-Eu với ATP, nghiên cứu đã xem xét ảnh hưởng của một số phân tử khác là đơn vị cấu trúc của ATP, bao gồm Adenine và Adenosine Kết quả cho thấy, các phân tử này đều gây ra hiệu ứng dập tắt phát quang của MOF-Eu, ngoại trừ anion triphosphate (PO4 3-).
Có thể kết luận rằng cơ chế dập tắt sự phát quang của vật liệu do ATP không phải do tương tác tĩnh điện giữa Eu 3+ và PO4 3-, mà liên quan đến tương tác π-π giữa các vòng thơm trong cầu phối tử của vật liệu và nhóm adenine của ATP.
Hình 4.10: Sự thay đổi cường độ phát quang của MOF-Eu trong dung dịch ATP,
Adenine, Adenosine hay anion phosphate (PO 4 3- ) nồng độ 100 àM
4.3.2 Đường chuẩn xác định ATP
Sự giảm cường độ phát quang của vật liệu MOF-Eu khi thêm ATP dần dần được thể hiện trong Hình 4.11 Đặc biệt, khi nồng độ ATP đạt 166,7 µM, cường độ phát quang bị dập tắt đến 97,6%.
Hỡnh 4.11: Phổ phỏt quang của MOF-Eu khi tăng dần nồng độ ATP (0 – 50 àM).
Cường độ phát quang của MOF-Eu và nồng độATP có tương quan tuyến tính tốt
Dữ liệu phát quang tại bước sóng 522 nm được phân tích theo phương trình Stern- Volmer:
F0 đại diện cho giá trị cường độ phát quang ban đầu của MOF-Eu khi không có ATP, trong khi F là các giá trị cường độ phát quang được đo KSV là hằng số Stern-Volmer và [Q] biểu thị nồng độ ATP.
Kết quả cho thấy khoảng tuyến tớnh xỏc định ATP bởi MOF-Eu là 0 – 50 àM (Hình 4.12)
Equation y = a + b*x Weight No Weighting Adj R-Square 0.95961
Hình 4.12: Đường chuần xác định ATP sử dụng MOF-Eu
4.3.3 Giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng ATP sử dụng vật liệu MOF-
Bảng 4.1 Giá trịcường độ phát xạ của MOF-Eu ở các nồng độ ATP khác nhau
Tính toán số liệu bằng phần mềm Excel theo công thức (1), (2), (3) ta có kết quả như sau:
Giới hạn phỏt hiện ATP là: LOD = 1.72 àM
Giới hạn định lượng ATP là: LOQ = 5.21 àM
Qua một thời gian nghiên cứu các khía cạnh khác nhau của đềtài trên cơ sở mục tiêu đặt ra Chúng tôi đã thu được những kết quảnhư sau:
1 Tổng hợp thành công MOF-Eu bằng phương thủy nhiệt
2 Đặc trưng vật liệu MOF-Eu được nghiên cứu bằng các phương pháp phân tích: phổ XRD, kính hiển vi điện tử quét (SEM) và phổ IR Kết quả cho thấy rằng, vật liệu MOF-Eu có độ kết tinh cao, cấu trúc tinh thể xốp Phổ IR cho thấy những nhóm chức đặc trưng của cầu hữu cơ BDC và liên kết của chúng với tâm kim loại Eu 3+
3 MOF-Eu có thể được sử làm vật liệu cảm biến phát quang Khi cầu hữu cơ nhận năng lượng kích thích, năng lượng hấp thụ bị chuyển sang các mức năng lượng kích thích của tâm kim loại hay phối tử - kim loại Các đỉnh phát xạ đặc trưng ứng với những sự chuyển dời điện tử từ các mức năng lượng cao này Cường độ phát xạ phụ thuộc vào bước sóng kích thích Bước sóng kích thích và phát xạ phù hợp để nhận biết ATP là λex = 260 nm và λem = 522 nm
4 MOF-Eu có thể được sử dụng làm cảm biến phát quang nhận biết ATP với giới hạn phát hiện (LOD) và giới hạn định lượng (LOQ) lần lượt là 1.72 và 5.21 àM, khoảng tuyến tớnh định lượng của phương phỏp trong khoảng 0 − 50 àM
MỘT SỐ KIẾN NGHỊ VÀ ĐỀ XUẤT
Vật liệu MOF-Eu không phải là loại mới, nhưng ứng dụng của nó trong việc xác định các đối tượng sinh học vẫn còn đang ở giai đoạn đầu Sự thành công trong việc sử dụng Eu-MOF để phát hiện ATP qua phương pháp quang phổ phát quang có thể thúc đẩy việc phát triển các phương pháp tương tự cho các đối tượng khác, đặc biệt trong lĩnh vực kiểm tra an toàn vệ sinh thực phẩm và y sinh học.
Hướng phát triển vật liệu MOFs cảm biến quang:
1 Tối ưu hoá sản phẩm MOF-Eu sao cho đạt được hiệu suất cao bằng cách tìm hiểu tổng hợp theo nhiều phương pháp khác nhau, điều chính thời gian tổng hợp, độ pH,và tỷ lệ các tiền chất sao cho hợp lý nhất
2 Thay đổi hay phối hợp nhiều loại cầu nối hữu cơ, để làm tăng độ nhạy của vật liệu cảm biến quang, đồng thời mở rộng tính ứng dụng của vật liệu
[1] Hao-Ran Xu, K.L., Shu-Yan Jiao, Ling-Ling Li, Sheng-Lin Pan, Xiao-Qi Yu,
Phức hợp kẽm được dựa trên tetraphenylethene làm cảm biến huỳnh quang để nhận biết pyrophosphate 2015
[2] Huang, Y.-F and H.-T Chang, Phân tích adenosine triphosphate và glutathione thông qua các hạt nano vàng có hỗ trợ khối phổ ion hóa / giải hấp phụ laser Analytical chemistry, 2007 79(13): p 4852-4859
[3] Mora, L., et al., Sắc ký tương tác ưa nước xác định adenosine triphosphate và các chất chuyển hóa của nó Food Chemistry, 2010 123: p 1282-1288
Nghiên cứu của Yu và cộng sự (2015) đã đề xuất phương hướng nhận dạng đơn vị kép nhằm cải thiện tính đặc hiệu của cảm biến sinh học aptamer đối với adenosine triphosphate (ATP) Kết quả cho thấy sự cải thiện đáng kể trong việc phát hiện ATP, đặc biệt trong xét nghiệm liên quan đến não Nghiên cứu này mở ra cơ hội mới cho các ứng dụng trong lĩnh vực phân tích hóa học và y sinh.
[5] Leng, S., et al., SNAP-tag fluorogenic probes for wash free protein labeling Chinese Chemical Letters, 2017 28(10): p 1911-1915
[6] Ying Wu, J.W., Hongjuan Li, Shiguo Sun, Yongqian Xu, Đầu dò huỳnh quang để nhận biết ATP Chinese Chemical, 2017 14
[7] Imran Ullah Khan , Mohd Hafiz Dzarfan Othman, Asim Jilani , A.F Ismail, Haslenda Hashim , Juhana Jaafar , Mukhlis A Rahman , Ghani Ur Rehman (12.07.2018)
[8] Yaghi, O M., Li, G., Li, H., (1995), " Lựa chọn có chọn lọc và loại bỏ tạp chất trong khunghữu cơ-kim loại ở dạng vi mô", Nature, 378, 703-706
[9] Rowsell, J L C., Yaghi, O M., (2004), " Khung kim loại-hữu cơ: một lớp vật liệu xốp mới", Microporous and Mesoporous Materials, 73 (1-2),3-14
[10] Rowsell, J L C., and Yaghi, O M , (2005), " Các phương pháp lưu trữ hydro trong khung kim loại-hữu cơ", Angew Chem Int Ed.,44, 4670-4679
[11] Tranchemontagne D J., Mendoza-Cortes J L., O’Keeffe M., Yaghi O M
Các đơn vị xây dựng thứ cấp, lưới và liên kết trong hóa học của khung kim loại- hữu cơ, Chem Soc Rev 38 (2009) 1257
[12] Weimin Xuan, Chengfeng Zhu, Yan Liu and Yong Cui, Vật liệu khung hữu cơ - kim loại hữu cơ, Received 22nd July 2011
[13] Chong Rea Park, Seung Jae Yang, Ji Hyuk Im, Taehoon Kim, Kunsil Lee
(2011) “MOF-derived ZnO@C composites with high photocatalytic activity and adsorption capacity” Journal of Hazardous Materials, 186, pp 376 – 382
[14] Enrique V Ramos-Fernandez∗, Mariana Garcia-Domingos, Jana Juan- Alcaniz, Jorge Gascon, Freek Kapteijn, MOFs meet monoliths: Hierarchical structuring metal organic framework Catalysts , Applied Catalysis A: General
Nghiên cứu của ZHAO XiJuan và các cộng sự (2013) đã chỉ ra rằng adenosine 5'-triphosphate (ATP) có khả năng chọn lọc cao hơn so với các nucleoside triphosphate khác khi tương tác với khung hữu cơ kim loại phát quang [Zn(BDC)(H2O)2], trong đó BDC đại diện cho 1,4-benzenedicarboxylate Kết quả này mở ra hướng đi mới trong việc nghiên cứu các tương tác sinh học và ứng dụng tiềm năng của các khung hữu cơ kim loại trong lĩnh vực sinh học phân tử.
Researchers Xiaoying Zhang, Xiaoli Kang, Wen Cui, Qing Zhang, Zhou Zheng, and Xudong Cui have developed floral and lamellar europium(iii)-based metal-organic frameworks that serve as highly sensitive luminescence sensors for detecting acetone Their findings, published in the New Journal of Chemistry, highlight the potential of these frameworks in enhancing acetone sensing capabilities.
