Luận án: Tổng hợp & đặc trưng polyme liên hợp làm cảm biến huỳnh quang - Bùi Thanh Thảo

Polyme liên hợp là một nhóm vật liệu bán dẫn hữu cơ đặc biệt. Chúng chứa các liên kết pi liên hợp dọc theo mạch chính. Cấu trúc này cho phép electron di chuyển tự do. Do đó, chúng thể hiện tính chất quang và điện tử độc đáo. Khả năng hấp thụ và phát xạ ánh sáng là đặc trưng. Hệ pi liên hợp quyết định tính chất quang học của polyme. Đây là nền tảng cho ứng dụng cảm biến. Đặc tính bán dẫn hữu cơ mở ra nhiều triển vọng trong điện tử và quang điện tử.

Cảm biến huỳnh quang tận dụng sự thay đổi cường độ huỳnh quang. Sự thay đổi này xảy ra khi có mặt chất phân tích. Polyme liên hợp rất nhạy với các chất hóa học. Chúng có thể tạo ra tín hiệu quang học rõ rệt. Cảm biến huỳnh quang hữu cơ cung cấp độ nhạy cao. Chúng cũng có khả năng phát hiện vết. Đây là công cụ hiệu quả cho an ninh và môi trường. Cơ chế cảm biến thường liên quan đến dập tắt huỳnh quang.

Mục tiêu chính là tổng hợp polyme liên hợp mới. Luận án cũng đặc trưng chi tiết các vật liệu này. Việc ứng dụng làm cảm biến huỳnh quang được đánh giá. Đặc biệt, hướng tới phát hiện chất nổ TNT và mesotrione. Đây là các hợp chất độc hại, cần giám sát chặt chẽ. Nghiên cứu đóng góp vào lĩnh vực hóa học vật liệu. Nó cung cấp giải pháp thực tiễn cho an toàn và sức khỏe cộng đồng.

Copolyme diblock P3HT-b-PDCTMA được tổng hợp thành công. Kỹ thuật Grignard Metathesis (GRIM) và Atom Transfer Radical Polymerization (ATRP) được kết hợp. Phản ứng trùng hợp đạt hiệu suất chuyển đổi 73%. Khối lượng phân tử (Mn) của copolyme là 17.500 g/mol. Chỉ số đa phân tán (PDI) rất thấp, gần bằng 1. Điều này cho thấy polyme đồng nhất. P3HT-b-PDCTMA chứa nhóm triazine chloride chức năng. Nhóm này có thể phản ứng với mercaptan hoặc amine.

Một copolyme diblock khác cũng được tổng hợp. Nó bao gồm đoạn P3HT và đoạn cuộn P(DMAEMA-r-PyMA). Phương pháp GRIM và ATRP tiếp tục được sử dụng hiệu quả. Copolyme có khối lượng phân tử trung bình 11.300 g/mol. Chỉ số đa phân tán thấp, dưới 1. Vật liệu này được nghiên cứu làm cảm biến hóa học. Mục tiêu là phát hiện vết chất nổ trinitrotoluene (TNT). Tổng hợp polyme này mở ra tiềm năng mới cho ứng dụng cảm biến.

Luận án cũng tổng hợp các phân tử liên hợp nhỏ. Chúng dựa trên pyrene và dithienopyrrole. Ví dụ bao gồm EP4HP và EDP4HP. Phản ứng arylation trực tiếp C-H là phương pháp chính. Các phân tử này có khả năng dập tắt huỳnh quang hiệu quả. Chúng là ứng cử viên sáng giá cho cảm biến hóa học. Đặc biệt, chúng có thể phát hiện thuốc trừ sâu nitroaromatic.

Phổ hấp thụ phân tử UV-Vis được dùng để khảo sát tính chất quang học. Nó xác định các vùng hấp thụ đặc trưng của polyme liên hợp. Phổ huỳnh quang cung cấp thông tin về khả năng phát xạ ánh sáng. Sự thay đổi trong phổ huỳnh quang là cơ sở của cơ chế cảm biến. Các dữ liệu này giúp đánh giá hệ pi liên hợp. Chúng cũng cho biết mức năng lượng của vật liệu. Sự dịch chuyển hoặc thay đổi cường độ phổ là dấu hiệu quan trọng.

Phổ hồng ngoại (FT-IR) xác nhận các nhóm chức hóa học. Phổ cộng hưởng từ hạt nhân (1H NMR và 13C NMR) làm rõ cấu trúc hóa học. Chúng cung cấp bằng chứng cho quá trình tổng hợp polyme. Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) đánh giá độ bền nhiệt của vật liệu. Phân tích nhiệt quét vi sai (DSC) khảo sát các chuyển pha. Các phương pháp này cùng nhau tạo nên bức tranh toàn diện về đặc trưng vật liệu.

Sắc ký thâm thấu gel (GPC) xác định khối lượng phân tử trung bình. Nó cũng cung cấp chỉ số đa phân tán của polyme. GPC là công cụ thiết yếu để kiểm soát chất lượng polyme. Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) khảo sát hình thái bề mặt. AFM cung cấp thông tin về cấu trúc nano của polyme. Đây là các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất của cảm biến.

Polyme P3HT-b-P(DMAEMA-r-PyMA) được kiểm tra. Vật liệu này cho thấy tiềm năng làm cảm biến hóa học cho TNT. TNT là chất nổ nguy hiểm. Việc phát hiện vết TNT là rất quan trọng cho an ninh. Polyme liên hợp cung cấp một nền tảng nhạy. Nó cho phép nhận biết TNT ở nồng độ thấp. Cảm biến huỳnh quang hữu cơ có lợi thế về chi phí và khả năng tùy biến.

Cơ chế chính là dập tắt huỳnh quang. Khi phân tử TNT tương tác với polyme liên hợp, huỳnh quang của polyme giảm. TNT là một phân tử giàu electron. Nó có thể tạo ra sự truyền electron hoặc chuyển năng lượng. Điều này làm giảm hiệu suất phát xạ huỳnh quang của polyme. Hệ pi liên hợp của polyme đóng vai trò trung tâm. Nó truyền năng lượng hiệu quả. Khả năng dập tắt huỳnh quang này là cơ sở của tín hiệu cảm biến.

Các thử nghiệm cho thấy polyme có khả năng dập tắt huỳnh quang mạnh. Điều này xảy ra khi có mặt TNT. Độ nhạy cao cho phép phát hiện vết chất nổ. Ứng dụng này có ý nghĩa lớn trong an ninh quốc phòng. Cảm biến huỳnh quang dựa trên polyme liên hợp hứa hẹn. Nó cung cấp giải pháp phát hiện TNT nhanh chóng và đáng tin cậy. Nghiên cứu mở ra hướng đi mới cho công nghệ an ninh.

Các phân tử liên hợp dựa trên pyrene và dithienopyrrole được tổng hợp. Chúng bao gồm 4-(2-ethylhexyl)-2-(pyren-1-yl)-4H-dithieno[3,2-b:2’,3’-d]pyrrole (EP4HP). Một dẫn xuất khác là 4-(2-ethylhexyl)-2,6-di(pyren-1-yl)-4H-dithieno[3,2-b:2’,3’-d]pyrrole (EDP4HP). Các phân tử này là bán dẫn hữu cơ. Chúng thể hiện khả năng tương tác mạnh với mesotrione. Cấu trúc hệ pi liên hợp giúp tăng cường độ nhạy.

Các phân tử liên hợp này thể hiện hiệu ứng dập tắt huỳnh quang hiệu quả. Hiệu ứng này xảy ra khi chúng tiếp xúc với mesotrione. Mesotrione thuộc nhóm thuốc trừ sâu nitroaromatic. Các nhóm nitro có khả năng hút electron mạnh. Chúng tương tác với hệ pi liên hợp của cảm biến. Điều này dẫn đến sự suy giảm huỳnh quang rõ rệt. Cơ chế cảm biến tương tự như với TNT.

Khả năng dập tắt huỳnh quang mạnh mẽ cho thấy tiềm năng lớn. Các vật liệu này có thể trở thành cảm biến hóa học hứa hẹn. Chúng phát hiện các loại thuốc trừ sâu nitroaromatic khác. Việc giám sát các chất này là rất cần thiết. Chúng gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng sức khỏe con người. Nghiên cứu mở ra hướng phát triển cảm biến môi trường mới.

Hai copolyme donor-acceptor (D-A) mới đã được tổng hợp. Chúng là poly(alkyl-POZ-DPP) và poly(benzoylalkyl-POZ-DPP). Các polyme này dựa trên phenoxazine với chuỗi bên ethylhexyl/hexyl benzoyl. Diketopyrrolopyrrole (DPP) là đơn vị chấp nhận. Phản ứng polycondensation arylation trực tiếp xúc tác Pd được sử dụng. Đây là phương pháp hiệu quả để tạo ra polyme liên hợp phức tạp.

Các polyme gốc phenoxazine với chuỗi bên hexyl benzoyl có khối lượng phân tử cao hơn. Chúng so với polyme có chuỗi bên ethylhexyl phân nhánh. Sự thay thế benzoyl cũng gây ra sự mở rộng. Nó còn làm dịch chuyển đỏ phổ hấp thụ trạng thái rắn. Điều này cho thấy sự tương tác mạnh mẽ hơn của hệ pi liên hợp. Sự thay đổi cấu trúc nhỏ có ảnh hưởng lớn đến tính chất quang học. Phổ UV-Vis cung cấp bằng chứng rõ ràng.

Nghiên cứu làm rõ mối quan hệ giữa cấu trúc hóa học và tính chất quang học. Các chuỗi bên và cấu hình liên hợp ảnh hưởng đến băng thông năng lượng. Chúng cũng ảnh hưởng đến phổ hấp thụ và phát xạ. Hiểu rõ mối quan hệ này giúp thiết kế polyme hiệu quả hơn. Điều này quan trọng cho các ứng dụng quang điện tử. Nó cũng cải thiện hiệu suất của cảm biến huỳnh quang.