Đồ thị tuyến tính đối với ion Fe3+ theo phương pháp (a) UV-Vis và (b) huỳnh quang

Ion sắt (III) hay Fe3+ là một cation kim loại chuyển tiếp quan trọng tham gia vào nhiều quá trình sinh học thiết yếu khác nhau, chẳng hạn như chuyển hóa oxy, tổng hợp enzyme, chuyển đổi điện tử, dẫn truyền thần kinh,... (Yang et al., 2016; Zhao et al., 2017; Zhang et al., 2018). Do đó, việc thiếu hụt hoặc dư thừa ion Fe³⁺ đều có thể ảnh hưởng đến sức khỏe con người như rối loạn chức năng cơ quan, bệnh Alzheimer và Parkinson, loãng xương và thiếu máu (Zhang et al., 2018; Wojtunik-Kulesza et al., 2019). Tuy nhiên, Fe³⁺ được xem là một trong những chất ô nhiễm kim loại chính trong nhiều quy trình công nghiệp, gây ra các vấn đề môi trường nghiêm trọng (Olmez et al., 2016; Garg & Singh, 2022). Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) và cơ quan Bảo vệ môi trường Hoa Kỳ (US EPA) đã khuyến cáo nồng độ tối đa cho phép của Fe³⁺ trong nước uống là 0,3 mg/L (5,37 µM) (World Health Organization [WHO], 2017; The United States Environmental Protection Agency [US EPA], 2018). Vì vậy, các phương pháp và vật liệu mới để phát hiện cũng như theo dõi nồng độ Fe³⁺ trong môi trường và các hệ sinh học khác nhau với độ nhạy, độ chính xác cao đã được nghiên cứu và phát triển (Ma et al., 2020; Kaushik et al., 2021; Liu et al., 2021).

Gần đây, các phân tử biến đổi quang thu hút sự chú ý của các nhà khoa học do chúng có khả năng đồng phân hóa thuận nghịch giữa các dạng khác nhau dưới tác động của tia tử ngoại và khả kiến, mở ra nhiều hướng ứng dụng trong các lĩnh vực vật liệu thông minh (Wang & Li, 2018; Dattler et al., 2020). Trong đó, điển hình là phân tử spiropyran (SP) có thể chuyển đổi thuận nghịch giữa dạng đóng vòng, không phát quang (SP) và dạng mở vòng, phát quang đỏ (merocyanine, MC) dưới tác động của ánh sáng, nhiệt độ, pH của môi trường, ion kim loại, lực cơ học,... Do đó, các dẫn xuất của SP đã được tổng hợp và ứng dụng rộng rãi trong cảm biến hóa - sinh học, mực chống giả, thiết bị lưu trữ dữ liệu quang học và các lĩnh vực khác (Klajn, 2014; Abdollahi et al., 2018; Julià-López et al., 2019; Kortekaas et al., 2019). Một số cảm biến hóa học dựa trên SP dùng để xác định pH của môi trường (Klajn, 2014; Zhang et al., 2016; Rad et al., 2022) và phát hiện các ion kim loại (Al³⁺, Cr³⁺, Fe³⁺, Ag⁺, Hg²⁺,...) đã được tổng hợp và phát triển gần đây (Zheng et al., 2018; Zhou et al., 2020; Nhien et al., 2022). 

Trong nghiên cứu này, một dẫn xuất azide của spiropyran, SP-N3 đã được tổng hợp bằng các phản ứng đơn giản nhằm khảo sát sự đáp ứng quang đa kích thích của SP-N3 dưới ảnh hưởng của dung môi, tia UV/Vis, pH của môi trường và tương tác của ion kim loại; từ đó, ứng dụng để phân tích ion Fe3+ trong môi trường nước và đây là điểm mới của nghiên cứu.

Trong nghiên cứu này, một cảm biến huỳnh quang thông minh spiropyran azide (SP-N3) được tổng hợp bằng các phản ứng đơn giản và cấu trúc hóa học của hợp chất này được xác định bằng phổ 1H, 13C-NMR và HR-MS. Dưới ánh sáng Vis/UV, dạng đóng vòng SP-N3 không màu, không phát quang có khả năng đồng phân hóa thuận nghịch thành dạng mở vòng merocyanine azide (MC-N3) có màu và phát quang tốt. Hợp chất MC-N3 thể hiện khả năng đáp ứng quang đa kích thích dưới ảnh hưởng của dung môi, tia UV/Vis, pH của môi trường và ion kim loại. Màu và huỳnh quang của MC-N3 dễ dàng bị dập tắt khi tương tác với ion Fe3+, do đó cảm biến MC-N3 được ứng dụng để xác định hàm lượng Fe3+ trong nước bằng cả phương pháp UV-Vis và huỳnh quang với độ chọn lọc và độ nhạy cao (LOD = 1,683 và 0,690 mM).