การสงเคราะหอนพนธเพนตะเฮลซนเพอใชในการตรวจวดไอออนปรอทผานกระบวนการถายเทพลงงานการวาวแสงแบบความยาวคลนคงท

โดย นายวรพจน กลนเพชร

วทยานพนธนเปนสวนหนงของการศกษาตามหลกสตรวทยาศาสตรมหาบณฑต สาขาวชาเคมอนทรย แผน ก แบบ ก 2 ระดบปรญญามหาบณฑต

ภาควชาเคม บณฑตวทยาลย มหาวทยาลยศลปากร

ปการศกษา 2561 ลขสทธของบณฑตวทยาลย มหาวทยาลยศลปากร

การสงเคราะหอนพนธเพนตะเฮลซนเพอใชในการตรวจวดไอออนปรอทผานกระบวนการถายเทพลงงานการวาวแสงแบบความยาวคลนคงท

โดย นายวรพจน กลนเพชร

วทยานพนธนเปนสวนหนงของการศกษาตามหลกสตรวทยาศาสตรมหาบณฑต สาขาวชาเคมอนทรย แผน ก แบบ ก 2 ระดบปรญญามหาบณฑต

ภาควชาเคม บณฑตวทยาลย มหาวทยาลยศลปากร

ปการศกษา 2561 ลขสทธของบณฑตวทยาลย มหาวทยาลยศลปากร

SYNTHESES OF PENTAHELICENE DERIVATIVES FOR DETECTION OF MERCURY ION VIA FLUORESCENCE RESONANCE ENERGY TRANSFER

By

MR. Worrapoj KLINPETCH

A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for Master of Science (ORGANIC CHEMISTRY)

Department of CHEMISTRY Graduate School, Silpakorn University

Academic Year 2018 Copyright of Graduate School, Silpakorn University

หวขอ การสงเคราะหอนพนธเพนตะเฮลซนเพอใชในการตรวจวดไอออนปรอทผานกระบวนการถายเทพลงงานการวาวแสงแบบความยาวคลนคงท

โดย วรพจน กลนเพชร สาขาวชา เคมอนทรย แผน ก แบบ ก 2 ระดบปรญญามหาบณฑต อาจารยทปรกษาหลก รองศาสตราจารย ดร. นนทนตย วานชาชวะ

บณฑตวทยาลย มหาวทยาลยศลปากร ไดรบพจารณาอนมตใหเปนสวนหนงของการศกษา ตามหลกสตรวทยาศาสตรมหาบณฑต

คณบดบณฑตวทยาลย (รองศาสตราจารย ดร.จไรรตน นนทานช)

พจารณาเหนชอบโดย

ประธานกรรมการ (ผชวยศาสตราจารย ดร. วยา พทธวงศ ) อาจารยทปรกษาหลก (รองศาสตราจารย ดร. นนทนตย วานชาชวะ ) อาจารยทปรกษารวม (ดร. ธนศาสตร สขศรเมอง ) ผทรงคณวฒภายนอก (ดร. เกษศรนทร เอกสนทธกล )

ง

บทค ดยอ ภาษาไทย

58302203 : เคมอนทรย แผน ก แบบ ก 2 ระดบปรญญามหาบณฑต ค าส าคญ : เซนเซอรปรอท, ฟลออเรสเซนตเซนเซอร, เพนตะเฮลซน

นาย วรพจน กลนเพชร: การสงเคราะหอนพนธเพนตะเฮลซนเพอใชในการตรวจวดไอออนปรอทผานกระบวนการถายเทพลงงานการวาวแสงแบบความยาวคลนคงท อาจารยทปรกษาวทยานพนธ : รองศาสตราจารย ดร. นนทนตย วานชาชวะ

การสงเคราะหเซนเซอรชนดใหม (1) ซงประกอบไปดวยเพนตะเฮลซนและโรดามนบ

สองหนวย โดยเซนเซอร 1 ใชกระบวนการ FRET จากตวใหพลงงานชนดเพนตะเฮลซนไปสตวรบพลงงานชนดโรดามนบ เซนเซอรนสามารถตรวจจบไอออนปรอทและใหสญญาณฟลออเรสเซนตเพมขนในลกษณะ Turn-ON ผานกระบวนการ FRET และสามารถสงเกตสจากสเหลองไปเปนสชมพไดดวยตาเปลา เซนเซอรนมความจ าเพาะเจาะจงสงตอไอออนปรอท โดยปราศจากการรบกวนจากไอออนอน ๆ เชน Cu2+, Ag+, Pb2+, Co2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+, Mg2+, Ca2+, Mn2+, Fe2+, Ba2+, Na+, K+ และ Li+ ในสารละลายผสมระหวางเมทานอลและน า ซงลกษณะสทเปลยนไปเมอจบกบไอออนปรอท สามารถพฒนาไปเปนอปกรณตรวจวดพกพาทสงเกตไดดวย“ตาเปลา”

จ

บทค ดยอ ภาษาองกฤษ

58302203 : Major (ORGANIC CHEMISTRY) Keyword : MERCURY SENSOR, FLUORESCENCE SENSOR, PENTAHELICENE

MR. WORRAPOJ KLINPETCH : SYNTHESES OF PENTAHELICENE DERIVATIVES FOR DETECTION OF MERCURY ION VIA FLUORESCENCE RESONANCE ENERGY TRANSFER THESIS ADVISOR : ASSOCIATE PROFESSOR NANTANIT WANICHACHEVA, Ph.D.

A new fluorometric and colorimetric sensor (1), consisted of pentahelicene and two units of rhodamine B, was successfully synthesized. Sensor 1 operated through FRET process from the pentahelicene energy donor to the ring-opened rhodamine B-Hg2+ complex acceptor. The sensor was found to exhibit Hg2+-sensitive “Turn-ON” fluorescence enhancement signaling through the FRET process and a concurrent visual color change from yellow to pink, which was easily detected by the visual eye. The sensor showed high selectivity for Hg2+ detection and discriminated various foreign ions, particularly Cu2+, Ag+, Pb2+, Co2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+, Mg2+, Ca2+, Mn2+, Fe2+, Ba2+, Na+, K+ and Li+ in aqueous methanol. The colorimetric change and “Turn-ON” fluorometric behavior upon Hg2+ binding of the sensor presented here could be used for further development of test strips for “naked-eye” detections.

ฉ

กตตกรรมประกาศ

กตตกรรมประกาศ

ขอขอบพระคณรองศาสตราจารย ดร. นนทนตย วานชาชวะ อาจารยทปรกษาวทยานพนธเปนอยางสง ส าหรบความกรณาทมใหแกกระผม ทงการใหค าปรกษา ค าแนะน า ความร รวมไปถงการชวยเหลออนเปนประโยชนอยางยงตอการท าวทยานพนธ ซงท าใหงานนมความสมบรณมากยงขน ตลอดจนก าลงใจ โอกาสและประสบการณทด ทมอบใหกระผมตลอดมา

ขอขอบพระคณผชวยศาสตราจารย วยา พทธวงศ ประธานกรรมการในการสอบวทยานพนธ ทใหค าปรกษาตลอดจนค าแนะน าตาง ๆ อนเปนประโยชนตอวทยานพนธน

ขอขอบพระคณ ดร.ธนศาสตร สขศรเมอง อาจารยทปรกษาวทยานพนธรวมทใหค าแนะน าในการวจย อนเปนประโยชนตอวทยานพนธน

ขอขอบพระคณคณพอ คณแม นองสาว นองชาย ทเปนก าลงใจ ใหความรกความอบอนและใหการสนบสนนในทก ๆ เรอง ตลอดจนค าปรกษาทด ในดานตาง ๆ มาตลอด

ขอขอบพระคณภาควชาเคม คณะวทยาศาสตร มหาวทยาลยศลปากร ส าหรบความรและประสบการณทดทมอบให ในชวงเวลาทไดศกษาอย ณ สถาบนศกษาแหงน

ขอขอบพระคณอาจารยภาควชาเคมทกทาน ทกรณาประสทธประสาทความร ทงทางดานวชาการและดานการด าเนนชวต

ขอขอบพระคณเจาหนาทภาควชาเคมทกทาน ทชวยเหลอและอ านวยความสะดวกในการด าเนนงานเอกสาร อกทงขอขอบพระคณเจาหนาทหองปฏบตการเคมทกทาน ทใหความชวยเหลอดานอปกรณและสารเคมทใชในการท าวทยานพนธ ดวยความเออเฟอตลอดมา

ขอขอบพระคณเจาหนาทหองปฏบตการฟสกสโพลเมอร ศนยเทคโนโลยโลหะและวสดแหงชาต ส าหรบการสนบสนนสารเคม และค าแนะน าในการปฏบตการทเกยวของกบการท าวทยานพนธน ดวยความเออเฟอตลอดมา

สดทายขอขอบคณพ นอง และเพอนในกลมท างานทกคน ส าหรบค าปรกษาในการแกปญหาทางดานตาง ๆ และไมตรจตอนดทมอบใหแกกนมาโดยตลอด

ประโยชนอนใดทเกดจากการท าวทยานพนธ เปนผลมาจากความกรณาของทกทานดงกลาว กระผมรสกซาบซงและระลกถงความกรณาเปนอยางยง จงใครขอขอบพระคณมา ณ โอกาสนดวย

วรพจน กลนเพชร

สารบญ

หนา บทคดยอภาษาไทย ............................................................................................................................. ง

บทคดยอภาษาองกฤษ ....................................................................................................................... จ

กตตกรรมประกาศ............................................................................................................................. ฉ

สารบญ .............................................................................................................................................. ช

สารบญตาราง .................................................................................................................................... ซ

สารบญภาพ ..................................................................................................................................... ฌ

บทท 1 บทน า ................................................................................................................................... 1

บทท 2 ทบทวนวรรณกรรม ............................................................................................................... 6

บทท 3 อปกรณและสารเคม............................................................................................................ 11

บทท 4 วธการทดลอง ..................................................................................................................... 13

บทท 5 ผลการด าเนนงานวจย ......................................................................................................... 18

บทท 6 สรปผลการทดลอง .............................................................................................................. 32

รายชออกษรยอ ............................................................................................................................... 33

รายการอางอง ................................................................................................................................. 37

ประวตผเขยน .................................................................................................................................. 41

สารบญตาราง

หนา ตารางท 1 สมบตทางแสงเบองตนของสารตงตนทงสองชนด ............................................................. 4

ตารางท 2 แสดงการเปรยบเทยบสมบตทางแสงของการสงเคราะหเซนเซอรปรอท FRET แบบตาง ๆ ........................................................................................................................................................ 10

ตารางท 3 พารามเตอรตาง ๆ ส าหรบการทดสอบความสามารถของเซนเซอร 1 ............................. 16

ตารางท 4 ขอมลคาสดสวนความเขมขนของไอออนปรอททเตมเขาไป ([Hg2+]/[sensor 1]) และ สดสวนความเขมของสญญาณฟลออเรสเซนตทเปลยนแปลง (F580/F526) .................................... 28

ตารางท 5 สรปผลการทดลองของเซนเซอร 1 ................................................................................. 32

สารบญภาพ

หนา ภาพท 1 โครงสรางของสารประกอบเพนตะเฮลซน (pentahelicene, M201) ทใชในงานวจยน ...... 3

ภาพท 2 โครงสรางของสารประกอบโรดามนบ (rhodamine B) ....................................................... 3

ภาพท 3 กระบวนการเกดของ FRET และปจจยในการเกด a.) ตองมการซอนทบกนของสเปกตรม b.) ระยะหางระหวาง donor กบ acceptorไมควรเกน 10 nm และ c.) ทศทางทเหมาะสม ................. 4

ภาพท 4 โครงสรางทางเคมของฟลออเรสเซนตเซนเซอรชนด FRET ทออกแบบ ............................... 5

ภาพท 5 แสดงโครงสราง Fe3O4-immobilized rhodamine (Fe3O4-R6G) .................................... 6

ภาพท 6 แสดงโครงสราง calix[4]arene functionalized gold nanoparticle .............................. 7

ภาพท 7 แสดงโครงสราง perylene-bisimide ................................................................................. 7

ภาพท 8 แสดงโครงสรางเซนเซอรเงนและอนภาคเงนนาโนทใชลแกนด C4 ...................................... 8

ภาพท 9 แสดงโครงสรางเซนเซอรทองแดงทใช Hydrazine .............................................................. 8

ภาพท 10 แสดงโครงสรางเซนเซอรทองแดง M201-DPA .................................................................. 8

ภาพท 11 แสดงโครงสรางเซนเซอรปรอททใชฟลออโรฟอร coumarine และ rhodamine B ......... 9

ภาพท 12 แสดงโครงสรางเซนเซอรปรอททใชฟลออโรฟอรเปน BODIPY และ rhodamine B ......... 9

ภาพท 13 แสดงโครงสรางเซนเซอรปรอททใชฟลออโรฟอรเปน pentahelicene และ rhodamine 6G ................................................................................................................................................... 10

ภาพท 14 ภาพรวมของเสนทางการสงเคราะหเซนเซอร 1 .............................................................. 13

ภาพท 15 สมการปฏกรยาการสงเคราะห Dirhodamine B Tris .................................................... 13

ภาพท 16 สมการปฏกรยาการสงเคราะหเซนเซอร 1 ...................................................................... 14

ภาพท 17 โครงสรางของสารประกอบ dirhodamine B tris .......................................................... 18

ภาพท 18 1H NMR สเปกตรมของสารประกอบ dirhodamine B tris ........................................... 19

ภาพท 19 13C NMR และ 13C DEPT 135 NMR สเปกตรมของสารประกอบ dirhodamine B tris ........................................................................................................................................................ 19

ญ

ภาพท 20 กลไกการเกดปฏกรยาของ dirhodamine B tris ........................................................... 20

ภาพท 21 โครงสรางของสารประกอบเซนเซอร 1 ........................................................................... 20

ภาพท 22 1H NMR สเปกตรมของเซนเซอร 1 ............................................................................... 21

ภาพท 23 13C NMR และ 13C DEPT 135 NMR สเปกตรมของเซนเซอร 1 .................................. 22

ภาพท 24 HRMS (ESI) สเปกตรมของเซนเซอร 1 ........................................................................... 22

ภาพท 25 กลไกการเกดปฏกรยาของเซนเซอร 1 ............................................................................. 23

ภาพท 26 การคายแสงฟลออเรสเซนต (ex 373 nm และ em 580 nm) ของเซนเซอร 1 (2 µM) ในสารละลายผสม H2O:MeOH (5:95 v/v) ในภาวะทมไอออนโลหะชนดตาง ๆ ในปรมาณทตางกน ........................................................................................................................................................ 25

ภาพท 27 การคายแสงฟลออเรสเซนต (ex 373 nm และ em 580 nm) ของเซนเซอร 1 (2 µM) ในสารละลายผสม H2O:MeOH (5:95 v/v) ในภาวะทมไอออนโลหะชนดตาง ๆ ทความเขมขนเดยวกน ........................................................................................................................................... 25

ภาพท 28 การคายแสงฟลออเรสเซนต (ex 373 nm และ em 580 nm) ของเซนเซอร 1 (2 µM) ในสารละลายผสม H2O:MeOH (1:19 v/v) กอนและหลงเตมไอออนปรอททความเขมขนตาง ๆ a = 0, b = 9.71, c = 20.1, d = 29.7, e = 38.8, f = 45.4, g = 62.0, h = 71.1 และ i = 90.4 µM 26

ภาพท 29 แสดงกลไกการดดกลนและคายแสงของเซนเซอร 1 ผานกระบวนการ fluorescence resonance energy transfer (FRET) ............................................................................................ 27

ภาพท 30 แสดง calibration curve ของอตราสวนการเปลยนแปลงความเขมขนฟลออเรสเซนต ทความยาวคลน 580 และ 526 nm (F580/F526) เทยบกบอตราสวน ความเขมขนปรอททใชกบความเขมขนเซนเซอร 1 ( [Hg2+]/[sensor 1] ) ........................................................................................ 28

ภาพท 31 กราฟแสดงความสมพนธระหวางคาความเขมของสญญาณฟลออเรสเซนตของเซนเซอร 1 ทความยาวคลน 580 nm หลงเตมไอออนปรอททความเขมขนตาง ๆ ............................................. 29

ภาพท 32 การคายแสงฟลออเรสเซนต (ex 373 nm และ em 580 nm) ของเซนเซอร 1 (2 µM) ในสารละลายผสม H2O:MeOH (1:19 v/v) ในภาวะทมความเขมขนของไอออนเปนอตราสวนดงน [Hg2+]:[Mn+] = 1:10 ....................................................................................................................... 30

ฎ

ภาพท 33 ภาพถายของสารละลายเซนเซอร 1 (2 µM) ในภาวะทไมมไอออนและ Hg2+ Fe2+ Ba2+ Ca2+ Cd2+ Co2+ Cu2+ Ag+ K+ Li+ Mg2+ Mn2+ Na+ Ni2+ Pb2+ และ Zn2+ (250 µM) ในสภาวะปกต ........................................................................................................................................................ 31

บทท 1

บทน า

ปจจบนการพฒนาดานเทคโนโลยและนวตกรรมไดเกดขนอยางรวดเรว มนษยไดน า

ทรพยากรธรรมชาตมาใชในวงการอตสาหกรรมเปนจ านวนมาก หนงในนนคอโลหะชนดตาง ๆ การ

พฒนาทางดานเทคโนโลยทรวดเรวของมนษย น าไปสปญหาของของเสยจากอตสาหกรรมตาง ๆ

สารเคมและไอออนของโลหะไดถกน ามาใชและกลายเปนของเสยทปนเปอนลงสแหลงน าธรรมชาต

กลายเปนปญหาทส าคญตอมนษยชาตและสงแวดลอมอยางกวางขวาง โดยเฉพาะอยางยงไอออน

โลหะหนกทมความเปนพษและอนตรายมากอยางเชนปรอท ซงเปนโลหะทสามารถปนเปอนใน

สงแวดลอมทาง ดน น า อากาศ หรอแมกระทงแทรกตวและสะสมอยภายในเนอเยอของสตวน าชนด

ตาง ๆ ในรปของปรอทอนนทรยทอยในธรรมชาต ซงสามารถเปลยนรปกลายไปเปนปรอทอนทรยใน

รปของเมทลเมอควร (methylmercury) โดยมเชอจลนทรย ในดนตะกอนเปนตวเรงในการ

เกดปฏกรยา ท าใหปรอทในรปของเมทลเมอควร สามารถละลายน าไดดมากจงมโอกาสเขาไปสะสมใน

รางกายของสงมชวตไดเปนอยางด หากรางกายมนษยมการสะสมปรมาณปรอท จะสงผลโดยตรงตอ

การท าลายรหสพนธกรรม (DNA) สมองและระบบประสาท[1-4] และเปนสาเหตของโรค “มนามา

ตะ” จะเหนไดวาการปนเปอนของปรอทในแหลงน าสามารถเขาไปสหวงโซอาหารของมนษยและสตว

ตาง ๆ ไดงายทสด ดงนนวทยานพนธนจงมงเนนการตรวจวดไอออนโลหะหนกอยางไอออนปรอทและ

เนนการตรวจจากแหลงน าเปนส าคญ

โดยปกตไอออนปรอทสามารถน ามาวเคราะหไดโดยใชเทคนคมาตรฐาน ยกตวอยางเชน เทคนค Flame Atomic Absorption Spectroscopy (Flame-AAS) และ Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrometry (ICP-AES) ซงเปนเทคนคทมประสทธภาพและใหความนาเชอถอในการวเคราะห หากแตการใชงานนนอาจจะมขอจ ากดบางประการเชน เครองมอและอปกรณทเกยวของมราคาแพง ตองท าการเตรยมตวอยางในปรมาณทมากพอกอนทจะน ามาวเคราะห ยงไมรวมถงการใชงานภาคสนามในพนทหางไกลความเจรญ นอกจากนการใชเทคนคดงกลาว ผวเคราะหจะตองค านงถงการก าจดสารรบกวน ไดแก ในกรณทสารตวอยางเปนน ากรอยหรอน าทะเล อาจจะสงมชวตจากทะเลหรอดนตะกอน ซงจะท าใหเกดการปนเปอนของเกลออยมาก และอาจท าใหเกดการอดตนของเกลอขณะท าการวเคราะห (salt-clogging) ได

ดงนนวทยานพนธนจะเปนการน าเสนอเทคนคทางเลอกคอ เทคนคทางฟลออเรสเซนตสเปกโทรสโกป ซงพบวาเทคนคนมขอดคอ ไมท าลายสารตวอยาง ใชสารตวอยางในปรมาณทนอย

2

และมคาใชจายไมแพงตอการวเคราะหในแตละครง รวมไปถงสามารถตรวจวดไอออนโลหะหนก[5] ไดในระดบใกลเคยงกบเทคนคมาตรฐาน

การออกแบบโมเลกลฟลออเรสเซนตเซนเซอร (fluorescence sensor) ทสามารถตรวจวดไอออนโลหะทตองการได โดยทวไปจะประกอบไปดวย 2 สวน คอ 1.) ฟลออโรฟอร (fluorophore) เปนสวนทมความสามารถในการคายแสงฟลออเรสเซนต เมอมการใหความยาวคลนทเหมาะสม โดยจะท าหนาทคลายตวแปลงสญญาณเมอมการจบกบไอออน น าไปสการเปลยนแปลงสญญาณทางแสง (optical signal) ดงนนการเลอกและพฒนาโครงสรางของฟลออโรฟอรจะชวยท าใหสามารถสงเกตการเปลยนแปลงไดงาย ซงกคอสภาพไวของการวเคราะห (sensitivity) และสวนท 2.) ไอโอโนฟอร (ionophore) เปนสวนทดกจบกบไอออนตาง ๆ ซงวทยานพนธน มงเนนไปทไอออนโลหะ โดยทวไปจะเปนไอออนชนดประจบวก สวนนจะตองออกแบบใหไอโดโนฟอรมลกษณะทจ าเพาะเจาะจง (selectivity) ตอไอออนบวก โดยสองสวนนจะเชอมกนดวยพนธะโควาเลนต ดงนนระบบฟลออเรสเซนตเซนเซอรจงถกเรยกวา “ฟลออโรไอโอโนฟอร (fluoroionophore)”

วทยานพนธนไดเสนอการสงเคราะหฟลออเรสเซนตเซนเซอรทมความไวสง (high sensitivity) และมความจ าเพาะเจาะจงสง (selectivity) ตอไอออนปรอท (Hg2+) เนองจากดงทกลาวไวขางตนไอออนปรอทสามารถปนเปอนไดงายทสดคอทางน า และเปนอนตรายรายแรงตอสงมชวตตาง ๆ และรวมถงมนษย โดยหลกการในการสงเคราะห ดงน ไอออนปรอทเปนไอออนทมขนาดใหญและถกโพลาไรซไดงาย จงจดใหเปน soft acid ตามหลกของ Pearson’s principle หรอทรจกกนในทฤษฎ Hard and Soft Acid Base ซงชอบเกดอนตรกรยาและสรางพนธะกบอะตอมหรอหมฟงกชนทมความเปน soft base เชน อะตอมไนโตรเจน และอะตอมซลเฟอร เปนตน เนองจากมขนาดใหญและมความหนาแนนของอเลกตรอนสง ดงนนวทยานพนธนจงเลอกสงเคราะหสวนไอโอโนฟอรทมอะตอมไนโตรเจน เปนองคประกอบ ท าหนาทเปน soft donor ligand เพอเพมประสทธภาพในการตรวจวดและเพมความจ าเพาะเจาะจงตอไอออนปรอท และสรางโมเลกลทมลกษณะสายโซยาว เพอใหเกดอนตรกรยาและสามารถมวนตวลอมรอบไอออนโลหะไดอยางอสระ (self-assembly) เพอขจดชองวางทไมพงประสงค ในสวนของการออกแบบฟลออโรฟอร เนนไปทการปรบปรงความไวในการวเคราะห (sensitivity) ของเซนเซอรโดยการเพมจ านวนฟลออโรฟอรเขาไปในโครงสรางใหมากกวาหนงชนด เพอเพมคาสมประสทธของการดดกลนแสงและการคายแสงใหสงขน โดยใชฟลออโรฟอรทเปนอน พนธ ของ เพนตะเฮลซน (pentahelicene M201 หรอ (7,12-dimethoxy-4,5,14,15-tetrahydronaphtho [20,10:3,4] phenanthro[1,2-c]furan-1,3-dione (5H)), ภาพท 1) และ โรดามนบ (rhodamine B, ภาพท 2) ส าหรบเซนเซอรปรอท ซงฟลออโรฟอรทงสองชนดน เปนสารประกอบอะโรมาตกทมคาประสทธภาพเชงควอนตมทางฟลออเรสเซนต (quantum yield) ทสง จงมความสามารถในการคายแสงฟลออเรสเซนตไดเปนอยางด และสามารถคายแสงในช วงความยาว

3

คลนทสายตามองเหนได (visible region) ซงสามารถพฒนาเปนเปนอปกรณในภาคสนามตอไป นอกจากนยงเปนฟลออโรฟอรทมราคาไมแพงจงเหมาะแกการน ามาพฒนา ปรบปรงและประหยดตนทนในการผลตเซนเซอรไอออนปรอทได

ภาพท 1 โครงสรางของสารประกอบเพนตะเฮลซน (pentahelicene, M201) ทใชในงานวจยน

ภาพท 2 โครงสรางของสารประกอบโรดามนบ (rhodamine B)

หลายสบปทผานมามนกวจยหลายกลมไดท าการสงเคราะหฟลออเรสเซนตเซนเซอรออกมาเปนจ านวนมาก ซงใชสมบตในการเปลยนแปลงทางแสงไมวาจะเปนระบบ “turn-off” คอสญญาณลดลงจากเดม[6, 7] หรอระบบ “turn-on” คอสญญาณเพมขนจากเดม[8-15] ถงแมวาจะมการสงเคราะหเซนเซอรออกมามากมายแตเซนเซอรหลายตวยงมขอจ ากดบางอยาง เชน ขนตอนการสงเคราะหซบซอน, มคา detection limit ทสง, ใชสารตงตนทมราคาแพง หรอแมแตความจ าเพาะเจาะจงของไอออนปรอททโดนรบกวนโดยไอออนทมคณสมบตทางเคมคลาย ๆ กน อยางไอออนทองแดง (Cu2+) และไอออนเงน (Ag+) เปนตน[16-18] การออกแบบโมเลกลโดยใชกระบวนการ fluorescence resonance energy transfer (FRET) จะตองมฟลออโรฟอรสองชนดโดยมหลกการดงน ฟลออโรฟอรชนดแรกจะท าหนาทเปนตวใหพลงงาน (donor) โดยเมอถกกระตนจากแสงทความยาวคลนหนงจะถายเทพลงงานไปสฟลออโรฟอรชนดทสอง ท าหนาทเปนตวรบพลงงาน (acceptor) และท าใหเกดการคายแสงของฟลออเรสเซนตชนดทสอง ในการออกแบบเซนเซอรเพอใหเกดกระบวนการ FRET ไดนนจะตองพจารณาความยาวคลนท donor คายพลงงานออกมาใหกบ acceptor โดยตองใหเกดการซอนทบ (overlap) กนมากกวา 30%, ระยะหางระหวาง donor กบ acceptor ไมควรเกน 10 nm และตองมทศทางทเหมาะสม (ภาพท 3)

4

ภาพท 3 กระบวนการเกดของ FRET และปจจยในการเกด a.) ตองมการซอนทบกนของสเปกตรม b.) ระยะหางระหวาง donor กบ acceptorไมควรเกน 10 nm และ c.) ทศทางทเหมาะสม ส าหรบวทยานพนธนไดท าการออกแบบโมเลกลของเซนเซอร ทมกระบวนการเปลยนแปลงของสญญาณฟลออเรสเซนตผานกระบวนการ FRET โดยการเปลยนแปลงดงกลาวเกดจากการเปลยนแปลงโครงสรางของเซนเซอรภายหลงตรวจจบไอออนกลาวคอ เมอไมมการจบกบไอออนทตองการ เซนเซอรจะไมมการเปลยนแปลงการคายแสงไปส acceptor ซงขอมลสองฟลออโรฟอรทงสองชนดจะปรากฏในตาราง 1 ดงน

ตารางท 1 สมบตทางแสงเบองตนของสารตงตนทงสองชนด

ชนดของฟลออโรฟอร ชวงการดดกลนแสง (nm) ชวงการคายแสง (nm)

เพนตะเฮลซน 373 520

โรดามนบ 500 550

จากขอมลในตารางท 1 จะเหนไดวาชวงการคายแสงของเพนตะเฮลซนทใชมการซอนทบกบชวงการดดกลนแสงของโรดามนบ ซงเปนฟลออโรฟอรทนยมน ามาใชในการท าเซนเซอรปรอทเนองจากสามารถสงเกตสทเปลยนแปลงไดอยางชดเจนในชวงความยาวคลนทตาเปลามองเหน [19, 20] และยงสามารถประยกตเพอเปนเซนเซอรดกจบไอออนโลหะชนดอน ๆ ไดอกมากมาย และหนง

5

ในนนคอการน ามาออกแบบเซนเซอรปรอทส าหรบวทยานพนธน ซงประกอบไปดวยฟลออโรฟอรชนดตวใหพลงงานคอ เพนตะเฮลซน 1 หนวย (โครงสรางสน าเงน) กบฟลออโรฟอรชนดตวรบพลงงานคอ โรดามนบจ านวน 2 หนวย (โครงสรางสชมพ) ดงปรากฎในภาพท 4

ภาพท 4 โครงสรางทางเคมของฟลออเรสเซนตเซนเซอรชนด FRET ทออกแบบ

6

บทท 2

ทบทวนวรรณกรรม

การออกแบบฟลออเรสเซนตเซนเซอรส าหรบตรวจวดไอออนปรอทนนไดน าหลกการจาก Pearson (หรอทฤษฎ Hard and Soft Acid Base) มาใช เนองจากไอออนปรอท (Hg2+) มขนาดอะตอมใหญและถกโพลาไรซไดงายจงจดเปน soft acid ซงชอบเกดอนตรกรยาและสรางพนธะกบอะตอมหรอหมฟงกชนทเปน soft base เชน อะตอมไนโตรเจน อะตอมซลเฟอรทมขนาดใหญและความหนาแนนอเลกตรอนสง ซงมงานวจยมากมายทออกแบบโมเลกลส าหรบตรวจวดไอออนปรอท เชน ในป 2013 Wang และคณะ[21] ไดออกแบบและสงเคราะห Fe3O4-immobilized rhodamine (Fe3O4-R6G) (ภาพท 5) พบวาสามารถดกจบไอออนปรอทในสารละลายไดถง 91% โดยงานวจยนน าสารในกลมโรดามน6G มาใชเปนสารฟลออโรฟอร ซงเปนหมฟงกชนทมไนโตรเจนอะตอมหลายตวส าหรบดกจบไอออนปรอท นอกจากนจะมปลายสายทตอกบ Solid phase ทมกลมของสารแมเหลกอยดวย(Fe3O4) ท าใหสามารถแยกเซนเซอรออกมาจากสารละลายดวยแมเหลกได ซงงานวจยนสามารถน า Fe3O4-R6G กลบมาใชใหมไดโดยการเตมสารละลายเบส (Tetrabutylammonium hydroxide) เพอก าจดไอออนปรอทออกจากเซนเซอร ตอมาในป 2014 Maity และคณะ[22] ไดท าการออกแบบและสงเคราะหสาร calix[4]arene functionalized gold nanoparticle (ภาพท 6) พบวาสภาวะทเหมาะสมของการตรวจวดไอออนปรอทคอ น าทผสม 10.0 mM ของบฟเฟอร HEPES และปรบคา pH = 6.8 พบวาในสภาวะนสามารถตรวจวดสทเปลยนแปลงเมอจบกบไอออนปรอทอยางเจาะจงและใหคา Detection Limit อยท 40 ppb และในปเดยวกนน Erdemir และคณะ[23] ไดสงเคราะห perylene-bisimide (ภาพท 7) โดยสามารถตรวจจบไอออนปรอทผานกระบวนการ Photoinduced electron transfer (PET) ไดทสภาวะ DMF/H2O (1:1) ใหคา Detection limit อยท 2.2 µM

ภาพท 5 แสดงโครงสราง Fe3O4-immobilized rhodamine (Fe3O4-R6G)

7

ภาพท 6 แสดงโครงสราง calix[4]arene functionalized gold nanoparticle

ภาพท 7 แสดงโครงสราง perylene-bisimide ในชวงป 2018 มงานวจยทน าสารประกอบเพนตะเฮลซน M201 น ามาใชเปนฟลออโรฟอร

ส าหรบ ดกจบไอออนโลหะตาง ๆ ยกตวอยางเชน Petdum และคณะ[13] ท าการสงเคราะห

เซนเซอรเงนและอนภาคเงนนาโนโดยใชลแกนดทประกอบดวยอะตอมไนโตรเจนและอะตอมซลเฟอร

(2-(-4-(2-aminoethylsulfanyl) butylsulfanyl) ethanamine) เชอมตอกบ M201 2 หนวย (ภาพ

ท 8) พบวาเซนเซอรเงนทไดสามารถท างานไดดในสภาวะ water:methanol (1:9 v/v) และใหคา

Detection limit เทากบ 93 nM (ประมาณ 10 ppb) นอกจากนยงมงานวจยของ Kaewnok และ

คณะ[14] ไดน า hydrazine กบ M201 มาสงเคราะหเพอใชเปนเซนเซอรทองแดง (ภาพท 9) โดย

สามารถดกจบไอออนทองแดงไดดมากและมคา Detection limit เทากบ 2.6 ppb ทสภาวะ water:

acetonitrile(1:9 v/v) และจากงานวจยของ Sakunkaewkasem และคณะ[15] ไดน า M201 กบ di-

2-picolylamine (DPA) มาสงเคราะหเพอน ามาใชเปนเซนเซอรทองแดง (ภาพท 10) ซงสามารถ

ตรวจจบไอออนทองแดงแบบ ON-OFF ในสภาวะ HEPES buffer (5.0 mM, pH 7.2, 0.02% Triton-

X100) และใหคา Detection limit เทากบ 5.6 ppb และไอออนสงกะสแบบ OFF-ON ในสภาวะ

Tris Buffer:methanol (1:1 v/v) และใหคา Detection limit เทากบ 3.8 ppb

8

ภาพท 8 แสดงโครงสรางเซนเซอรเงนและอนภาคเงนนาโนทใชลแกนด C4

ภาพท 9 แสดงโครงสรางเซนเซอรทองแดงทใช Hydrazine

ภาพท 10 แสดงโครงสรางเซนเซอรทองแดง M201-DPA ในการออกแบบเซนเซอรทมกลไกการจบไอออนปรอทผานกระบวนการ Fluorescence

Resonance Energy Transfer (FRET) จะตองเลอกใชฟลออโรฟอรอยางนอยสองชนดโดยชนดแรก

จะท าหนาทเปนตวใหพลงงาน (donor) เมอถกกระตนทความยาวคลนหนง จะคายพลงงานออกมาอก

ความยาวคลนซงเปนความยาวคลนทเหมาะสมส าหรบฟลออโรฟอรชนดทสองทจะท าหนาทเปนตวรบ

พลงงาน (acceptor) และจะคายพลงงานออกมาทความยาวคลนทตองการ ซงไดมการรายงานไวในป

2015 Wang และคณะ[19] ไดท าการสงเคราะหเซนเซอรปรอทโดยม coumarine และ rhodamine

9

B (ภาพท 11) เปนฟลออโรฟอร ซงสามารถตรวจวดปรอทในสภาวะ ethanol/H2O (1:1 v/v) (10

mM HEPES, pH 7.4) และใหคา Detection limit เทากบ 3.2 nM และในป 2016 Cheng และ

คณะ[20] ไดท าการสงเคราะหเซนเซอรปรอททมฟลออโรฟอรสองชนดคอ BODIPY และ rhodamine

B (ภาพท 12) ซงสามารถตรวจวดปรอทในสภาวะ ethanol และใหคา Detection limit เทากบ 7.8

nM ตอมาในป 2018 Petdum และคณะ[24] ไดท าการสงเคราะหเซนเซอรปรอททใชฟลออโรฟอร

สองชนดคอ สารประกอบเพนตะเฮลซนและโรดามซกจ (ภาพท 13) ซงสามารถตรวจวดปรอทใน

สภาวะ water:acetonitrile (1:9 v/v) และใหคา Detection limit เทากบ 11.5 nM

ภาพท 11 แสดงโครงสรางเซนเซอรปรอททใชฟลออโรฟอร coumarine และ rhodamine B

ภาพท 12 แสดงโครงสรางเซนเซอรปรอททใชฟลออโรฟอรเปน BODIPY และ rhodamine B

10

ภาพท 13 แสดงโครงสรางเซนเซอรปรอททใชฟลออโรฟอรเปน pentahelicene และ rhodamine 6G

วทยานพนธนไดเลอกทจะออกแบบโครงสรางปรอทเซนเซอรโดยเลอกใชสารประกอบเพนตะ

เฮลซน และโรดามนบ ซงคาดวาสามารถท าใหเกดกระบวนการ FRET ไดเมอมการจบไอออนปรอท

แลวเทยบกบเซนเซอรปรอททกลาวมาขางตน[19, 20, 24] ดงตารางท 2

ตารางท 2 แสดงการเปรยบเทยบสมบตทางแสงของการสงเคราะหเซนเซอรปรอท FRET แบบตาง ๆ

Ref. Donor Excitation (nm)

Acceptor Emission (nm)

Detection limit (ppb)

Stokes shift (nm)

[19] Coumarine 440 rhodamine B 570 3.2 130

[20] BODIPY 480 rhodamine B 570 7.8 90

[24] Pentahelicene 373 rhodamine 6G 549 11.5 176 This work

Pentahelicene 373 rhodamine B 580 N/A 203

หมายเหต N/A คอ คาทไดจากผลการทดลอง

จากงานวจยทกลาวมาขางตนทสามารถตรวจวดไอออนปรอทไดคา Detection limit ทต า

มาก และสามารถเกดผานกระบวนการถายเทพลงงานจากฟลออโรฟอรชนดตวใหไปยงฟลออโรฟอร

ชนดตวรบได ทางผวจยจงไดการออกแบบเซนเซอรปรอทดวยสารประกอบทคลายคลงกนและม

แนวโนมเปนเซนเซอรปรอททมความสามารถในการดกจบไอออนปรอทไดด และสามารถผาน

กระบวนการ FRET ไดเชนเดยวกน และจากการคาดการณคา Stokes shift ทกวางมากจะชวยให

ปองกนการเกด self-absorption[13] และชวยในการน าไปพฒนาตอยอดเปนอปกรณทดสอบ

ภาคสนามได

11

บทท 3

อปกรณและสารเคม

1. อปกรณและเครองมอทใช

1.1 เครองแกวและอปกรณในหองปฏบตการเคมพนฐาน

1.2 เครองนวเคลยรแมกเนตกเรโซแนนซสเปกโตรมเตอร (Nuclear Magnetic Resonance

Spectrometer, NMR): Bruker Avance 300 spectrometer

1.3 เครองแมสสเปกโตรมเตอร (Mass spectrometer): Bruker MALDI-TOF

1.4 เครองฟลออโรมเตอร (Fluorometer): Perkin Elmer Luminescence spectrometer

LS 50B

2. สารเคมทใช

2.1 สารเคมทใชทงหมดเปนชนด analytical grade ของบรษท Sigma-Aldrich และ Fluka

Chemical ยกเวนสารประกอบ pentahelicene M201 ซงไดรบการสนบสนนจาก MTEC

และตวท าละลายทใช เชน ethanol, dichloromethane, methanol และ dimethyl

formamide ผานการกลนและเกบรกษาใน molecular sieve เพอใหปราศจากน ากอนใช

ทกคร ง ตดตามปฏก ร ยาดวย thin layer chromatography (TLC) และแยกสารท

สงเคราะหไดดวย preparative TLC

2.1.1 Anhydrous sodium sulfate (anh. Na2SO4)

2.1.2 Dichloromethane (CH2Cl2)

2.1.3 Dimethyl formamide (DMF)

2.1.4 Ethanol (EtOH)

2.1.5 Glacial acetic acid

2.1.6 Methanol (MeOH)

2.1.7 Pentahelicene compound (M201)

2.1.8 Rhodamine B hydrochloride

2.1.9 Triethylamine (NEt3)

2.1.10 Tris(2-aminoethyl) amine

12

2.2 เกลอโลหะเปอรคลอเรตทใชมาจากบรษท Strem Chemicals

2.2.1 Barium (II) perchlorate

2.2.2 Cadmium (II) perchlorate

2.2.3 Calcium perchlorate

2.2.4 Cobalt (II) perchlorate

2.2.5 Copper (II) perchlorate

2.2.6 Iron (II) perchlorate

2.2.7 Lead (II) perchlorate

2.2.8 Lithium perchlorate

2.2.9 Magnesium perchlorate

2.2.10 Manganese (II) perchlorate

2.2.11 Mercury (II) perchlorate

2.2.12 Potassium perchlorate

2.2.13 Silver (I) perchlorate

2.2.14 Sodium perchlorate

2.2.15 Zinc (II) perchlorate

13

บทท 4

วธการทดลอง

วทยานพนธนไดเสนอการสงเคราะหสารเรองแสงฟลออเรสเซนตส าหรบตรวจวดไอออน

ปรอทชนดใหม คอ เซนเซอร 1 ส าหรบวเคราะหไอออนปรอท ซงประกอบดวยอนพนธของเพนตะเฮล

ซน ท าหนาทเปนฟลออโรฟอรชนดตวใหพลงงาน (donor) และอนพนธของโรดามนบ (rhodamine

B) ซงประกอบไปดวยโรดามนบ จ านวน 2 หม ท าหนาทเปนไอโอโนฟอรและฟลออโรฟอรชนดตวรบ

พลงงาน (acceptor)

ภาพท 14 ภาพรวมของเสนทางการสงเคราะหเซนเซอร 1

1. การสงเคราะห Dirhodamine B Tris

ภาพท 15 สมการปฏกรยาการสงเคราะห Dirhodamine B Tris

14

การสงเคราะห Dirhodamine B Tris โดยชงโรดามนบ ปรมาณ 0.79 กรม (1.65 มลลโมล)

ใสขวดกนกลมขนาด 25 มลลลตร จากนนละลายดวย dry EtOH ปรมาตร 6.0 มลลลตร และเตม dry

NEt3 ซงท าหนาทเปนเบสปรมาตร 0.70 มลลลตร (11.97 มลลโมล) ผสมสารทงหมดเขาดวยกน

ภายใตบรรยากาศอาร กอนท อณหภมห อง เปนระยะเวลา 30 นาท จากน น เตม tris(2-

aminoethyl)amine ปรมาตร 0.10 มลลลตร (0.67 มลลโมล) และท าการ reflux เปนระยะเวลา 30

ชวโมง เมอครบก าหนดเวลาทงใหเยนจนถงอณหภมหอง แลวจงน าไปก าจด EtOH ดวยเครอง rotary

evaporator จากนนเตม CH2Cl2 ลงไปปรมาตร 30 มลลลตร ท าการสกดสารละลายดวยน าปราศจาก

ไอออนปรมาตร 30 มลลลตร จ านวน 3 ครง โดยเกบสารละลายชน CH2Cl2 ทไดและน ามาก าจดน า

ออกโดยเตม anh. Na2SO4 ลงไปเลกนอย และท าการกรองสารสะลายทได กอนจะท าการก าจด

CH2Cl2 ดวยเครอง rotary evaporator ท าการแยกสารใหบรสทธดวยเทคนค preparative thin

layer chromatography ในทมดโดยใชต วท าละลายผสมระหวาง MeOH: CH2Cl2: NEt3 ใน

อตราสวน 10:90:2 v/v/v เปน mobile phase พบวาไดสารประกอบเปนของแขงสชมพปรมาณ

165 มลลกรม คดเปนรอยละผลผลตไดเทากบ 24 เมอท าการแยกดวยเทคนคน มคา Rf เทากบ 0.75

โดยมเสนทางการสงเคราะหแสดงดงภาพท 15

2. การสงเคราะหเซนเซอร 1

ภาพท 16 สมการปฏกรยาการสงเคราะหเซนเซอร 1

ในการสงเคราะหเซนเซอร 1 จะน า Dirhodamine B Tris ปรมาณ 0.0438 กรม (0.044

มลลโมล) และสารประกอบ pentahelicene ปรมาณ 0.0182 กรม (0.044 มลลโมล) ผสมกนในตว

ท าละลาย DMF ชนดปราศจากน า ปรมาตร 3 มลลลตร ภายใตบรรยากาศอารกอนทอณหภมหอง

15

เปนระยะเวลา 30 นาท จากนนเตม glacial acetic acid ปรมาตร 0.20 มลลลตร ในสารละลายผสม

จากนนใหความรอนสารผสมจนถงอณหภม 100 องศาเซลเซยส เปนเวลา 20 ชวโมง เมอครบ

ก าหนดเวลา ทงใหเยนจนถงอณหภมหองจากนนท าการก าจดตวท าละลายดวยเครอง rotary

evaporator และน า ส า รท ไ ด ไ ป แยกส าร ให บ ร ส ท ธ ด ว ย เ ทคน ค preparative thin layer

chromatography ในทมดโดยใชตวท าละลายผสมระหวาง MeOH: CH2Cl2 ในอตราสวน 5:95 v/v

เปน mobile phase พบวาไดสารประกอบเปนของแขงสเหลองปรมาณ 29.2 มลลกรม คดเปนรอย

ละผลผลตไดเทากบ 48 เมอท าการแยกดวยเทคนคน มคา Rf เทากบ 0.70 โดยมเสนทางการ

สงเคราะหแสดงดงภาพท 16

3. การทดสอบประสทธภาพในการตรวจจบไอออนโลหะของเซนเซอร 1

การศกษาคณสมบตในการเรองแสงฟลออเรสเซนตของเซนเซอร 1 เรมโดยการตรวจสอบหา

ความยาวคลนทมคาการดดกลนแสงสงทสด (ex) และความยาวคลนทมการคายแสงฟลออเรสเซนต

สงทสด (em) ของเซนเซอร 1 แตละชนดในสารละลายอนทรย และสารละลายผสมทมตวท าละลาย

อนทรยและน า โดยใชเทคนคทางสเปกโทรสโกป จากนนหาตวท าละลายทเหมาะสมทเซนเซอร 1

สามารถวเคราะหการดกจบไอออนโลหะทตองการ เมอไดระบบตวท าละลายทเหมาะสมแลว ขนตอน

ตอมา คอ การศกษาประสทธภาพในการท างานเกยวกบการตรวจจบไอออนปรอท (Hg2+) ดวยเทคนค

ฟลออเรสเซนตสเปกโทรสโกป เพอหาความไวในการวเคราะห (sensitivity) ความจ าเพาะเจาะจงกบ

ไอออนโลหะทสนใจ (selectivity) และเปรยบเทยบกบไอออนรบกวนชนดอน ๆ (competitive)

3.1 การเตรยมสารละลายเซนเซอร 1

เตรยมสารละลายเซนเซอร 1 ในสารละลายผสมระหวาง H2O: MeOH อตราสวน 1:19 v/v

ปรมาตร 50.00 มลลลตร ใหมความเขมขน 1.0 x 10-4 M จากนนเจอจางสารละลายเซนเซอร 1 ดวย

วธ serial dilution โดยใหมความเขมขนสดทายเทากบ 2.0 x 10-6 M

3.2 การเตรยมสารละลายไอออนโลหะทสนใจ และไอออนรบกวนชนดอน ๆ

ส าหรบการทดสอบความจ าเพาะเจาะจงของเซนเซอร จะท าการเตรยมสารละลายไอออน

เกลอเปอรคลอเรตชนดตาง ๆ ในน าปราศจากไอออน โดยใหมปรมาตร 10.00 มลลลตร และมความ

เขมขนเรมตนเทากบ 1.0 x 10-2 M โดยไอออนทใชในการทดสอบไดแก ไอออนปรอท (Hg2+) ไอออน

ทองแดง (Cu2+) ไอออนเหลก (Fe2+) ไอออนแบเรยม (Ba2+) ไอออนแคลเซยม (Ca2+) ไอออน

แคดเมยม (Cd2+) ไอออนโคบอลต (Co2+) ไอออนเงน (Ag+) ไอออนโพแทสเซยม (K+) ไอออนลเทยม

16

(Li+) ไอออนสงกะส (Zn2+) ไอออนแมกนเซยม (Mg2+) ไอออนแมงกานส (Mn2+) ไอออนโซเดยม

(Na+) ไอออนนกเกล (Ni2+) และไอออนตะกว (Pb2+)

3.3 การทดสอบความจ าเพาะเจาะจง (selectivity)

การทดสอบความจ าเพาะเจาะจงของเซนเซอร 1 จะศกษาดวยเทคนคฟลออเรสเซนต

สเปกโทรสโกป โดยการสงเกตและเปรยบเทยบการเปลยนแปลงของสญญาณฟลออเรสเซนตทเกดขน

จากการไตเตรตดวยสารละลายไอออนทสนใจ เปรยบเทยบกบการไตเตรตดวยสารละลายไอออนชนด

ตาง ๆ ในสารละลายเซนเซอรทถกเตรยมขน ปรมาตร 3.00 มลลลตร โดยก าหนดพารามเตอรตาง ๆ

ในการทดสอบตามตารางท 3

ตารางท 3 พารามเตอรตาง ๆ ส าหรบการทดสอบความสามารถของเซนเซอร 1

ตวท าละลายเซนเซอร H2O: MeOH (1:19 v/v)

ex (nm) 373

em (nm) 580

Scan speed (nm/min) 500

Slit width (nm) 5.0

ชวงความยาวคลนทศกษา (nm) 450-700

3.4 การทดสอบสภาพไว (sensitivity)

การทดสอบความไวของเซนเซอร 1 ดวยเทคนคฟลออเรสเซนตสเปกโทรสโกปนน ท าไดโดย

การศกษาความสามารถในการเปลยนแปลงสญญาณฟลออเรสเซนตของสารละลายเซนเซอร เมอม

การเตมไอออนปรอทลงไปในปรมาณทเพมขนกลาวคอ จะท าการวดสญญาณฟลออเรสเซนตเรมตน

ของสารละลายเซนเซอรทถกเตรยมขนปรมาตร 3.00 มลลลตร ในสภาวะทไมมไอออนปรอท จากนน

จงไตเตรตดวยสารละลายไอออนปรอททเตรยมไว สงเกตการเปลยนแปลงสญญาณฟลออเรสเซนต

หลงการเตมไอออนปรอทในแตละครง จะสงเกตเหนการเพมขนหรอการลดลงของสญญาณการคาย

แสงฟลออเรสเซนต โดยก าหนดคาพารามเตอรตาง ๆ ในการทดสอบตามตารางท 3

3.5 การหาคาความสามารถต าสดของการตรวจจบไอออนปรอท (detection limit)

ในการหาคาความสามารถต าสดของการตรวจจบไอออนปรอทของเซนเซอร 1 ทเปนระบบ

FRETสามารถหาไดจากวธการของ A. Han และคณะ [17] ดงน

3(Sb)/k = X = [Hg2+]/[sensor 1]

17

เมอแกสมการจะได

[Hg2+] = 3(Sb) • [sensor 1]/k

เมอ Sb คอ Relative standard deviation (RSD)

k คอ ความชนของ Calibration Curve

[Hg2+] คอ ความเขมขนของไอออนปรอท

[sensor 1] คอ ความเขมขนของเซนเซอร 1 ทใช

ส าหรบ Calibration Curve จะใชอตราสวนการเปลยนแปลงความเขมของฟลออเรสเซนต

สองความยาวคลน หรอกคอทความยาวคลนทมการเปลยนแปลงความเขมของฟลออเรสเซนตเพมขน

ตอความยาวคลนทมการเปลยนแปลงความเขมของฟลออเรสเซนตลดลง (Fin/Fde) ในแกน y เทยบกบ

อตราสวนความเขมขนปรอททใชกบความเขมขนเซนเซอร 1 ( [Hg2+]/[sensor 1] ) ในแกน x [20]

3.6 การทดสอบความสามารถในการตรวจจบไอออนปรอทในภาวะทมไอออนรบกวนชนดอน

(competitive)

การทดสอบความสามารถในการตรวจจบไอออนปรอท ในสภาวะทมไอออนรบกวนชนดอน ๆ

ดวยเทคนคฟลออเรสเซนตสเปกโทรสโกป โดยการวดสญญาณฟลออเรสเซนตของสารละลาย

เซนเซอร 1 ในสภาวะกอนเตมและหลงเตมสารละลายไอออนโลหะ ลงในเซนเซอร 1 ทถกเตรยมขน

ปรมาตร 3.00 มลลลตร จนสงเกตเหนการเปลยนแปลงสญญาณฟลออเรสเซนตชดเจนทความเขม

ของสญญาณฟลออเรสเซนตคาหนง จากนนเตมสารละลายไอออนรบกวนชนดอน ๆ ลงไปในระบบ

เดยวกนทความเขมขนเทากบสารละลายไอออนปรอท และสงเกตการเปลยนแปลงสญญาณฟลออเรส

เซนต ภายหลงการเตมไอออนรบกวนอน ๆ อกครง หากสญญาณฟลออเรสเซนตไมมการเปลยนแปลง

สามารถสรปไดวาไอออนรบกวนชนดอน ๆ ทมอยในสารละลายตวอยางไมสงผลกระทบตอการ

วเคราะหไอออนปรอท แสดงใหเหนวาเซนเซอรทสงเคราะหไดมความจ าเพาะเจาะจงตอไอออนปรอท

เทานน โดยก าหนดพารามเตอรตาง ๆ ในการทดสอบตามตารางท 2 จากนนน าผลการทดลองทไดมา

สรางกราฟแสดงความสมพนธระหวางคา IF/I0 ทความเขมขนของไอออนโลหะทใชในการทดลองกบ

ชนดของไอออนรบกวนอนทเตมลงไป เมอก าหนดให

I0 = ความเขมของแสงฟลออเรสเซนตของสารละลายเซนเซอรกอนเตมไอออนโลหะ

IF = ความเขมของแสงฟลออเรสเซนตของสารละลายเซนเซอรหลงเตมไอออนโลหะ

18

บทท 5

ผลการด าเนนงานวจย

จากผลการสงเคราะหสารเรองแสงฟลออเรสเซนตเซนเซอร ตามวธการทดลองทไดกลาวไป

แลวนน พบวาไดฟลออเรสเซนตเซนเซอรส าหรบตรวจจบไอออนปรอทชนดใหม คอ เซนเซอร 1

จากนนน ามาศกษาดวยเทคนค nuclear magnetic resonance (NMR) และ high resolution

mass spectroscopy (HRMS) เพอยนยนโครงสรางของสารประกอบทส งเคราะหได จากนนน า

เซนเซอร 1 ทผานการยนยนโครงสรางแลวมาทดสอบประสทธภาพในการตรวจจบไอออนโลหะ โดย

เซนเซอร 1 ทดสอบประสทธภาพในการตรวจจบไอออนปรอทในสารละลายผสมระหวางน ากบตวท า

ละลายอนทรย ไดผลการทดลองดงน

1. การยนยนโครงสรางของเซนเซอร 1

ในการสงเคราะหเซนเซอร 1 เรมจากการสงเคราะหสารตวกลางคอ Dirhodamine B tris

จากนนท าปฏกรยากบสารประกอบ pentahelicene ไดเปนเซนเซอร 1 ซงยนยนโครงสรางของสาร

ทสงเคราะหไดดวยวธทางสเปกโทรสโกปดงน

1.1 โครงสรางของสาร Dirhodamine B tris

ภาพท 17 โครงสรางของสารประกอบ dirhodamine B tris จากการศกษาโครงสรางทางเคมของ dirhodamine B tris โดยวธทางสเปกโทรสโกป

สามารถยนยนโครงสรางไดดงน 1H NMR (300 MHz, CDCl3): δ 1.14 (t, J = 6.0 Hz, 24H), 2.06 (t, J = 6.0 Hz, 4H), 2.27 (t, J

= 6.0 Hz, 2H), 2.44 (t, J = 6.0 Hz, 2H), 2.97 (t, J = 6.0 Hz, 4H), 3.30 (q, J = 6.0 Hz, 16H), 6.19-

6.23 (m, 4H), 6.31-6.34 (m, 8H), 7.05-7.08 (m, 2H), 7.86-7.88 (m, 2H) ppm (ภาพท 18); 13C NMR

(75 MHz, CDCl3): δ 11.59 (8CH3), 37.46 (2CH2), 38.03 (CH2), 43.32 (8CH2), 50.85 (2CH2), 53.79

19

(CH2), 63.97 (2C), 96.74 (4CH), 104.66 (4C), 107.07 (4CH), 121.64 (2CH), 122.73 (2CH), 126.94

(2CH), 127.86 (4CH), 130.65 (2CH), 131.13 (2CH), 147.71 (4C), 152.13 (2C), 152.41 (4C), 166.50

(2C=O) ppm (ภาพท 19).

ภาพท 18 1H NMR สเปกตรมของสารประกอบ dirhodamine B tris

ภาพท 19 13C NMR และ 13C DEPT 135 NMR สเปกตรมของสารประกอบ dirhodamine B tris

จากโครงสรางทไดของสารประกอบ dirhodamine B tris สามารถเสนอกลไกการเกดปฏกรยาดง

ภาพท 20 ดวยการเขาไปท าปฎกรยาของปลายสายเอมนของ tris กบคารบอนลในกลมคารบอกซลกของโร

ดามน บ ซงท าใหเกดการปดวง lactam ของปลายสาย tris และโรดามน บ จากนนเกดปฏกรยาซ าอกครงท

ปลายสายเอมนของ tris อกขาง ในการท าการทดลองจะควบคมปรมาณของสารตงตนทใชงาน เพอควบคม

20

ใหเกดเปน di- คอการควบคมใหเขาเพยงสองดาน และเหลอปลายสายเอมนของ tris 1 ดาน เพอใชส าหรบ

การท าปฏกรยากบ pentahelicene M201 ในขนตอนตอไป

ภาพท 20 กลไกการเกดปฏกรยาของ dirhodamine B tris

1.2 โครงสรางของเซนเซอร 1

ภาพท 21 โครงสรางของสารประกอบเซนเซอร 1

21

จากการศกษาโครงสรางทางเคมของเซนเซอร 1 โดยวธทางสเปกโทรสโกปสามารถยนยน

โครงสรางไดดงน 1H NMR (300 MHz, CDCl3): δ 1.122 (t, J = 6.6 Hz, 24H) , 2.190-2.324 (m, 8H) , 2.807-

2.826 (m, 4H), 2.903-3.031 (m, 4H), 3.211-3.308 (m, 20H), 3.839 (s, 6H), 6.251-6.411 (m, 12H),

6.531 (dd, J = 6.0, 2.7 Hz, 2H), 6.828 (d, J = 2.4 Hz, 2H), 7.040-7.067 (m, 2H), 7.176 (d, J = 8.7

Hz, 2H), 7.353-7.400 (m, 4H), 7.800-7.822 (m, 2H) ppm (ภาพท 22); 13C NMR (75 MHz, CDCl3): δ

12.63 (8CH3), 24.15 (2CH2), 29.17 (2CH2), 35.39 (CH2), 44.31 (8CH2), 50.48 (CH2), 51.14 (2CH2),

55.20 (2CH3) , 64.79 (2C) , 97.95 (2CH + 2C) , 105.93 (2C) , 108.16 (2CH + 2C) , 111.71 (2CH) ,

112.48 (4CH), 122.60 (2CH), 123.69 (2CH), 125.52 (2C), 126.68 (2C), 127.77 (2CH), 128.91 (4CH

+ 2C), 131.35 (4CH), 131.71 (2CH), 137.49 (2C), 141.02 (4C), 148.70 (4C) 153.41 (4C), 159.27

(2C), 167.35 (2C=O), 168.38 (2C=O) ppm (ภาพท 23); HRMS (ESI) จากการค านวณ C88H92N8O8+

(M+H)+ 1389.720 m/z, จากการทดสอบ 1389.905 m/z (ภาพท 24)

ภาพท 22 1H NMR สเปกตรมของเซนเซอร 1

22

ภาพท 23 13C NMR และ 13C DEPT 135 NMR สเปกตรมของเซนเซอร 1

ภาพท 24 HRMS (ESI) สเปกตรมของเซนเซอร 1

23

เมอพจารณาจากโครงสรางของสารประกอบเซนเซอร 1 (ภาพท 19) และ 1H NMR สเปกตรม

(ภาพท 20) จะพบวาท chemical shift, δ 1.122 ppm หรอ (a) จะแสดงปลายสาย methyl group

ของ โรดามนบ และท δ 3.839 ppm หรอ (d) จะแสดงปลายสาย methoxy group ของ

สารประกอบเพนตะเฮลซน (M201) โดยมสาย alkyl เปนลแกนดยดฟลออโรฟอรทงสองชนดได ท

δ 2.903-3.031 ppm (e) และ δ 2.807-2.826 ppm (f) ซงเมอวเคราะหในสวนของ 13C NMR และ

DEPT 135 สเปกตรม (ภาพท 22-23) จะแสดงลกษณะของ -CH3 และ -CH2 รวมถง carbonyl

(C=O) ทตรวจพบในต าแหนงทสอดคลองกบ 1H NMR สเปกตรม และจากการค านวณโดย mass

spectroscopy แสดงน าหนกโมเลกลของเซนเซอร 1 ซงมคาทใกลเคยงกบคาจากการค านวณ (ภาพท

24) โดยสามารถเสนอกลไกการเกดปฏกรยาดงภาพท 25 ซงปลายสายเอมนของสารประกอบ

dirhodamin B tris ทเหลอหนงดานเขาท าปฏกรยาบรเวณคารบอนลดานหนงของสารประกอบ

M201 ในสภาวะกรด ท าใหเกดการปดวงและ dehydration ตามล าดบเกดเปนเซนเซอร 1 ตามทได

ออกแบบไว และจะน าไปใชทดสอบความสามารถในการดกจบไอออนปรอทตอไป

ภาพท 25 กลไกการเกดปฏกรยาของเซนเซอร 1

24

2. การทดสอบความสามารถในการเรองแสงฟลออเรสเซนตและความสามารถในการดกจบ

ไอออนทตองการตรวจวดเมอเทยบกบไอออนรบกวนชนดอน ๆ ของเซนเซอร 1

หลงจากยนยนโครงสรางของฟลออเรสเซนตเซนเซอร 1 ทสงเคราะหได เซนเซอร 1 ถกน ามา

ศกษาสมบตการเรองแสงฟลออเรสเซนตในสารละลายผานกระบวนการ FRET โดยศกษา

ความสามารถในการดกจบไอออนปรอทเปรยบเทยบกบไอออนรบกวนอน ๆ ดวย เทคนคฟลออเรส

เซนตสเปกโทรสโกป เพอหาสภาพไวในการวเคราะห (sensitivity) และความจ าเพาะเจาะจงกบ

ไอออนปรอท (selectivity) ของเซนเซอร เมอเทยบกบไอออนโลหะอลคาไลน ไอออนโลหะอลคาไลน

เอรท และไอออนของโลหะทรานซชน ซงเตรยมจากไอออนโลหะของเกลอเปอรคลอเรตแตละชนด

ละลายในน าทปราศจากไอออน

2.1 ผลการทดสอบสมบตการคายแสงฟลออเรสเซนตในภาวะทมไอออนปรอทเปรยบเทยบ

กบไอออนรบกวนอน ๆ ของเซนเซอร 1

การทดสอบการคายแสงฟลออเรสเซนตของเซนเซอร 1 ในสารละลายผสมระหวาง

H2O:MeOH อ ต ร า ส ว น 1:19 v/v โ ด ยต ร ว จ ว ด จ าก เ ค ร อ ง Perkin Elmer Luminescence

Spectrometer LS-50B ท าการตดตามสเปกตรมการคายแสงฟลออเรสเซนต ในชวง 450-650 nm

เมอก าหนดให ex เทากบ 373 nm ในภาวะทมไอออนปรอทในรปของเกลอเปอรคลอเรต

เปรยบเทยบกบในภาวะทมไอออนรบกวนชนดตางๆ ไดแก ไอออนทองแดง (Cu2+) ไอออนเหลก

(Fe2+) ไอออนแบเรยม (Ba2+) ไอออนแคลเซยม (Ca2+) ไอออนแคดเมยม (Cd2+) ไอออนโคบอลต

(Co2+) ไอออนเงน (Ag+) ไอออนโพแทสเซยม (K+) ไอออนลเทยม (Li+) ไอออนสงกะส (Zn2+) ไอออน

แมกนเซยม (Mg2+) ไอออนแมงกานส (Mn2+) ไอออนโซเดยม (Na+) ไอออนนกเกล (Ni2+) และไอออน

ตะกว (Pb2+) ไดผลการทดลองดงภาพท 26 และ 27

25

ภาพท 26 การคายแสงฟลออเรสเซนต (ex 373 nm และ em 580 nm) ของเซนเซอร 1 (2 µM) ในสารละลายผสม H2O:MeOH (5:95 v/v) ในภาวะทมไอออนโลหะชนดตาง ๆ ในปรมาณทตางกน

ภาพท 27 การคายแสงฟลออเรสเซนต (ex 373 nm และ em 580 nm) ของเซนเซอร 1 (2 µM) ในสารละลายผสม H2O:MeOH (5:95 v/v) ในภาวะทมไอออนโลหะชนดตาง ๆ ทความเขมขนเดยวกน จากภาพท 25 แสดงความสมพนธระหวางคา normalized fluorescence intensity (แกน

y) ของสญญาณฟลออเรสเซนตทความยาวคลน 580 nm และความเขมขนของไอออนชนดตาง ๆ

(แกน x) พบวาเซนเซอร 1 มความจ าเพาะเจาะจงกบไอออนปรอทอยางเหนไดชดเมอเปรยบเทยบกบ

26

ไอออนโลหะชนดอน จากผลการทดลองแสดงใหเหนวาในสภาวะทมความเขมขนของไอออนปรอท

เพมขน จะมการเพมขนของสญญาณฟลออเรสเซนตเชนกน ซงสอดคลองกบผลการทดลองในภาพท

27 เมอท าการเตมไอออนชนดอน ๆ เชน Cu2+ Ag+ Pb2+ Co2+ Cd2+ Ni2+ Zn2+ Mg2+ Ca2+ Ba2+

Na+ K+ Li+ พบวาไมมการเปลยนแปลงของสญญาณฟลออเรสเซนต ส าหรบ Mn2+ และ Fe2+ จะ

สงเกตไดวาพบการเปลยนแปลงสญญาณฟลออเรสเซนตเกดขนเพยงเลกนอย แตเกดการเปลยนแปลง

เลกนอยในการคายแสงทตางจากไอออนปรอท (Hg2+) ซงคายแสงในชวงความยาวคลน 580 nm

ดงนนจงเปนไปไดวา เมอโครงสรางของสารประกอบของเซนเซอร 1 ไดท าการจบกบไอออนปรอทใน

สภาวะทเหมาะสมจะสามารถเกดการดกจบและคายแสงในรปแบบของ FRET ได ซงการคายแสงของ

กลมโรดามนบทอยในโครงสรางของเซนเซอร 1 จะสามารถคายแสงไดในชวงความยาวคลน 580 nm

2.2 ผลการทดสอบคณสมบตการคายแสงฟลออเรสเซนตในภาวะทมไอออนปรอทในสภาวะท

มไอออนปรอทของเซนเซอร 1

การทดสอบการคายแสงฟลออเรสเซนตของเซนเซอร 1 ในสารละลายผสมระหวาง

H2O:MeOH อตราสวน 1:19 v/v โดยตดตามสเปกตรมการคายแสงฟลออเรสเซนต ในชวง 450-700

nm เมอก าหนดให ex เทากบ 373 nm ในภาวะทมไอออนปรอทในรปของเกลอเปอรคลอเรต ผล

การทดลองดงภาพท 28

ภาพท 28 การคายแสงฟลออเรสเซนต (ex 373 nm และ em 580 nm) ของเซนเซอร 1 (2 µM) ในสารละลายผสม H2O:MeOH (1:19 v/v) กอนและหลงเตมไอออนปรอททความเขมขนตาง ๆ a = 0, b = 9.71, c = 20.1, d = 29.7, e = 38.8, f = 45.4, g = 62.0, h = 71.1 และ i = 90.4 µM

27

จากผลการทดลองพบวาการตรวจจบของเซนเซอร 1 กบไอออนปรอทมลกษณะการคายแสง

ฟลออเรสเซนตแบบระบบ OFF-ON ซ งคาดการณวานาจะเกดจากกลไกของกระบวนการ

fluorescence resonance energy transfer (FRET) โดยทสารประกอบ pentahelicene ดดกลน

แสงทความยาวคลน 373 nm และคายแสงทความยาวคลน 520 nm ในขณะทโรดามนบ สามารถ

ดดกลนแสงทความยาวคลน 500 nm และคายแสงทความยาวคลน 550-580 nm ซงพบวามการ

ซอนทบกนระหวางการคายแสงของ pentahelicene และดดกลนแสงของโรดามนบไดบางสวน เมอ

เซนเซอร 1 ไดท าการจบกบไอออนปรอทและดดกลนแสงในชวงความยาวคลนของ pentahelicene

ท 373 nm และคายแสงออกมาทความยาวคลนในชวง 580 nm ซงเปนชวงการคายแสงของโรดามน

บ ผลการทดลองทปรากฎนนแสดงใหเหนวามถายเทพลงงานแสงจากฟลออโรฟอรชนด donor ไป

ยงฟลออโรฟอรชนด receptor ตามหลกของกระบวนการเกด FRET ดงภาพท 29

ภาพท 29 แสดงกลไกการดดกลนและคายแสงของเซนเซอร 1 ผานกระบวนการ fluorescence resonance energy transfer (FRET)

2.3 คาความสามารถต าสดของการตรวจจบไอออนปรอท (detection limit)

คาความสามารถต าสดของการตรวจจบไอออนปรอทตามวธการของ Han และคณะ

จะไดวา

[Hg2+] = 3(Sb)•[sensor 1]/k

เมอ Sb คอ Relative standard deviation (RSD)

k คอ ความชนของ Calibration Curve

28

[Hg2+] คอ ความเขมขนของไอออนปรอท

[sensor 1] คอ ความเขมขนของเซนเซอร 1 ทใช

ตารางท 4 ขอมลคาสดสวนความเขมขนของไอออนปรอททเตมเขาไป ([Hg2+]/[sensor 1]) และ สดสวนความเขมของสญญาณฟลออเรสเซนตทเปลยนแปลง (F580/F526)

[Hg]/[sensor 1] F580/F526

5 0.880719593

6.666667 1.091713596 8.333333 1.311585111

10 1.494463373 11.66667 1.708568943

13.33333 1.85339849

เมอน าขอมลจากตารางท 4 มาสรางกราฟจะได calibration curve ในชวงตนของการ

เปลยนแปลงแสดงในภาพท 30

ภาพท 30 แสดง calibration curve ของอตราสวนการเปลยนแปลงความเขมขนฟลออเรสเซนต ทความยาวคลน 580 และ 526 nm (F580/F526) เทยบกบอตราสวน ความเขมขนปรอททใชกบความเขมขนเซนเซอร 1 ( [Hg2+]/[sensor 1] )

เมอแทนคา Sb = 0.01702 (n = 4), k = 0.1182 และ [sensor 1] = 2 x 10-6 M จะค านวณคา

ความสามารถต าสดของการตรวจจบไอออนปรอทของเซนเซอร 1 ไดเทากบ 8.6 x 10-7 M (176

ppb) ซงมคาสงกวาคามาตรฐานส าหรบน าดมจากส านกงานปกปองสงแวดลอมสหรฐอเมรกา (U.S.

29

EPA) ซงไดก าหนดปรมาณปรอทสงสดในน าดมไมเกน 2 ppb[25] แตเมอเทยบกบปรมาณปรอทใน

เครองส าอางพบวาองคการอาหารและยาแหงสหรฐอเมรกา (U.S. FDA) ไดก าหนดความปลอดภยของ

ปรมาณปรอทไวท 1 ppm หรอ 1,000 ppb[26] นอกจากนยงมรายงานการพบอาหารทะเลทาง

การคาหลายชนดทมการปนเปอนปรอทคอนขางสง ตงแต 10 – 4000 ppb[27] ซงมความเปนไปไดท

จะน าเซนเซอร 1 มาใชในการตรวจวดปรมาณปรอทในเครองส าอางและอาหารทะเลไดเชนกน

2.4 การหาชวงความสมพนธทเปนเสนตรง (linear range)

ชวงความสมพนธทเปนเสนตรงหรอ linear range นนเปนการแสดงความสมพนธระหวาง

ความเขมของแสงฟลออเรสเซนตและความเขมขนของไอออนปรอททมสกษณะเปนเสนตรง ซงถอได

วาเปนชวงการใชงาน (working range) สามารถหาไดโดยการพลอตกราฟระหวางความเขมของ

สญญาณฟลออเรสเซนต (แกน y) และความเขมขนของไอออนปรอททเตมลงไป (แกน x) กราฟแสดง

ดงภาพท 31

ภาพท 31 กราฟแสดงความสมพนธระหวางคาความเขมของสญญาณฟลออเรสเซนตของเซนเซอร 1 ทความยาวคลน 580 nm หลงเตมไอออนปรอททความเขมขนตาง ๆ

จากภาพท 31 จะเหนวากราฟแสดงความสมพนธมความเปนเสนตรงอยในชวงประมาณ

7 µM ถง 26 µM ซงคา R2 = 0.971 ซงมคาใกลเคยงกบ 1 และพบวาหากเกนจากชวงนจะท าใหไม

สามารถแยกสทเขมขนของสารประกอบเซนเซอรและปรอทได ดงนนชวงความเขมขนดงกลาวจงเปน

ชวงทเหมาะสมตอการน าไปใชตรวจวดไอออนปรอทและสงเกตการเปลยนแปลง

30

2.5 ผลการทดสอบสมบตการคายแสงฟลออเรสเซนตในภาวะทมไอออนปรอทรวมกบไอออน

รบกวนอน ๆ ของเซนเซอร 1

การทดสอบการคายแสงฟลออเรสเซนตของเซนเซอร 1 ในสารละลายผสมระหวาง

H2O:MeOH อตราสวน 1:19 v/v ในสภาวะทมไอออนปรอทรวมอยกบไอออนรบกวนชนดตาง ๆ

ไดแก Fe2+ Ba2+ Ca2+ Cd2+ Co2+ Cu2+ Ag+ K+ Li+ Mg2+ Mn2+ Na+ Ni2+ Pb2+ และ Zn2+ ซ ง ได

ตรวจวดสญญาณฟลออเรสเซนตในขณะทมปรมาณไอออนรบกวนตาง ๆ 10 เทาของไอออนปรอท

ภาพท 32 การคายแสงฟลออเรสเซนต (ex 373 nm และ em 580 nm) ของเซนเซอร 1 (2 µM) ในสารละลายผสม H2O:MeOH (1:19 v/v) ในภาวะทมความเขมขนของไอออนเปนอตราสวนดงน [Hg2+]:[Mn+] = 1:10

จากการทดลองในภาพท 32 สงเกตไดวาเมอเตมไอออนตาง ๆ ลงไปในสารละลายเซนเซอรท

มไอออนปรอทอยกอนหนาพบวาสญญาณฟลออเรสเซนตไมปรากฏการเปลยนแปลงอยางมนยส าคญ

จากผลการทดลองนแสดงใหเหนวาเซนเซอร 1 มประสทธภาพในการท างานทด แมมไอออนรบกวน

อน ๆ สงกวาถง 10 เทา ดงนนหากในระบบทตรวจจบมไอออนชนดอน ๆ ทสงกวาไอออนปรอท 10

เทา เซนเซอร 1 ยงคงแสดงสญญาณฟลออเรสเซนตแบบ OFF-ON ไดอยางมประสทธภาพและม

ความจ าเพาะเจาะจง

31

2.6 ภาพถายของสารละลายเซนเซอร 1 ในภาวะทมไอออนปรอทเปรยบเทยบกบไอออน

รบกวนอน ๆ

ภาพท 33 ภาพถายของสารละลายเซนเซอร 1 (2 µM) ในภาวะทไมมไอออนและ Hg2+ Fe2+ Ba2+ Ca2+ Cd2+ Co2+ Cu2+ Ag+ K+ Li+ Mg2+ Mn2+ Na+ Ni2+ Pb2+ และ Zn2+ (250 µM) ในสภาวะปกต

จากภาพท 33 แสดงใหเหนวาเซนเซอร 1 มความจ าเพาะเจาะจงตอไอออนปรอทและเมอ

เทยบกบไอออนรบกวนชนดอน ๆ เชน Ba2+ Ca2+ Cd2+ Co2+ Cu2+ Ag+ K+ Li+ Mg2+ Mn2+ Na+ Ni2+

Pb2+ และ Zn2+ ยกเวน Fe2+ ทมการเปลยนแปลงเลกนอยซงเมอเทยบกบ Hg2+ โดยการเปลยนแปลง

ทเกดขนสามารถสงเกตสของสารละลายไดดวยตาเปลา โดยเปลยนจากสารละลายใสสเหลองออน

เปนสารละลายใสสชมพเขมเมอจบกบไอออนปรอท

32

บทท 6

สรปผลการทดลอง

วทยานพนธเลมนสามารถสงเคราะหฟลออเรสเซนตเซนเซอรชนดใหมคอ เซนเซอร 1 ซงเปน

เซนเซอรปรอท ทไดจากการสงเคราะหสน ๆ เพยง 2 ขนตอนและมความจ าเพาะเจาะจงตอไอออน

ปรอทเปนอยางมาก โดยเซนเซอร 1 ทสงเคราะหไดประกอบไปดวยสวนของฟลออโรฟอรชนดตวให

(donor) คอสารประกอบ pentahelicene และฟลออโรฟอรชนดตวรบ (acceptor) คอ rhodamine

B โดยเชอมตอกนโดยใชไอโอโนฟอรคอ tris(2-aminoethyl)amine เปนตวเชอมระหวางฟลออโร

ฟอรทงสองชนด จากผลการทดสอบความสามารถในการเรองแสงฟลออเรสเซนตเมอจบกบไอออน

ปรอทแสดงไดดงตารางท 5

ตารางท 5 สรปผลการทดลองของเซนเซอร 1

Sensor 1 สภาวะทท างาน ในสารละลายผสมระหวาง H2O:MeOH อตราสวน 1:19 v/v

ชนดของไอออน Hg2+

ex (nm) 373

em (nm) 580

Detection limit (µM) 0.86 Working range (µM) 7 - 26

Strokes shift (nm) 203

เซนเซอร 1 ทสงเคราะหไดสามารถตรวจจบไอออนปรอทในสารละลายทมน าเปน

องคประกอบไดอยางจ าเพาะเจาะจงสงเมอเทยบกบไอออนอน ๆ ไดแก Ba2+ Ca2+ Cd2+ Co2+ Cu2+

Ag+ K+ Li+ Mg2+ Mn2+ Na+ Ni2+ Pb2+ และ Zn2+ โดยมคา Detection limit 0.86 µM โดยเซนเซอร

1 สามารถแสดงการเปลยนแปลงสญญาณฟลออเรสเซนตในลกษณะ OFF-ON ผานกลไก FRET โดย

ความยาวคลนในการคายแสงสงสดอยในชวงความยาวคลนทตามองเหนได (580 nm) ซงมประโยชน

อยางมากในการสงเกตการเปลยนแปลงไดดวยตาเปลาโดยมการเปลยนแปลงจากสเหลองออนเปนส

ชมพเขมเมอเซนเซอร 1 จบกบไอออนปรอท นอกจากนเซนเซอร 1 ยงม Stokes shift ทคอนขาง

กวางจะชวยปองกนการเกด self-absorption จากกระบวนการ FRET ได นบวาเปนตวเลอกท

นาสนใจส าหรบการพฒนาอปกรณหรอเครองมอตรวจวดไอออนปรอทขนาดพกพาในอนาคต

33

รายชออกษรยอ

ค ายอ ค าเตม

ºC degree celsius

wavelength

ex excitation wavelength

em emission wavelength

µM micromolar

δ chemical shift

% percent

AAS atomic Absorption Spectroscopy

anh. anhydrous

Ag+ silver (I) ion

AgNPS silver nanoparticles

Ba2+ barium (II) ion

BODIPY boron-dipyrromethane

CH2Cl2 dichloromethane

CDCl3 chloroform-d 13C NMR carbon 13 nuclear magnetic resonance

spectroscopy

Cu2+ copper (II) ion

Ca2+ calcium ion

Cd2+ cadmium (II) ion

Co2+ cobalt (II) ion

Cl- chloride ion

DMF dimethyl formamide

DPA di-2-picolylamine

DNA deoxyribonucleic acid

34

ค ายอ ค าเตม

D.L. detection limit

EtOH ethanol

FRET Fluorescence Resonance Energy Transfer

Fe3O4 iron (II, III) oxide

Fe2+ iron (II) ion

Fin fluorescence increase

Fde fluorescence decrease

H proton 1H NMR proton 1 nuclear magnetic resonance

spectroscopy

H2O water

Hg2+ mercury (II) ion

HEPES 4-(2-hydroxyethyl)-1-

piperazineethanesulfonic acid

HRMS high resolution mass spectroscopy

Hz hertz

h hour

I0 fluorescence intensity before metal ion

added

ICP-AES Inductively Coupled Plasma Atomic

Emission Spectrometry

IF fluorescence intensity after metal ion

added

J coupling constant (NMR spectroscopy)

K+ potassium ion

Li+ lithium ion

MeOH methanol

35

ค ายอ ค าเตม

M201 (7,12-dimethoxy-4,5,14,15-

tetrahydronaphtho [20,10:3,4]

phenanthro[1,2-c]furan-1,3-dione (5H)) as

known as pentahelicene compound

MALDI-TOF matrix-assisted laser

desorption/ionization time of flight (mass

spectroscopy)

Mg2+ magnesium ion

Mn2+ manganese (II) ion

mM milli molar

M molar

m/z mass to charge ratio (mass spectroscopy)

MHz megahertz

NMR nuclear magnetic resonance

spectroscopy

NEt3 Triethylamine

Na+ sodium ion

Ni2+ nickel (II) ion

Na2SO4 sodium sulfate

nM nano molar

nm nanometer

Pb2+ lead (II) ion

pH positive potential of hydrogen ions

ppb part per billion

ppm part per million

q quartet (NMR spectroscopy)

RhB rhodamine B

36

ค ายอ ค าเตม

RSD relative standard deviation

R6G rhodamine 6G

s singlet (NMR spectroscopy)

t triplet (NMR spectroscopy)

TLC thin layer chromatography

Tris Tris(2-aminoethyl) amine

v/v volume by volume

U.S. EPA United States Environmental Protection

Agency

U.S. FDA United States Food and Drug

administration

Zn2+ zinc (II) ion / zinc ion

รายการอางอง

รายการอางอง

1. Han, A., Zang, L., An, D., Lindsay, J., Watts, E. J., Progress, perspective, and commercialization of heavy metal ion detection technology into China. Journal of the Renewable Sustainable Energy, 2015. 7: p. 041504(1-7).

2. Grandjean, P., Weihe, P., White, R., Cognitive Performance of Children Prenatally Exposed to “Safe” Levels of Methylmercury. Environmental Research, Section A, 1998. 77: p. 165-172.

3. Nolan, E.M., Lippard S. J., Tools and tactics for the optical detection of mercuric ion. Chemical Reviews, 2008. 108: p. 3443-3480.

4. Gutknecht, J., Inorganic mercury (Hg2+) transport through lipid bilayer membranes. Journal of Membrane Biology, 1981. 61: p. 61-66.

5. Wang, H., Xue, L., Yu, C., Qian, Y., Jiang, H., Rhodamine-based fluorescent sensor for mercury in buffer solution and living cells. Dyes and Pigments, 2011. 91: p. 350–355.

6. Oztas, Z., Pamuk M., Algi F., Nonreaction-based fluorescent Au3+ probe that gives fast response in aqueous solution. Tetrahedron Letters, 2013. 69: p. 2048-

2051.

7. Qin, H., Ren, J., Wang, J., Wang, E. , G-quadruplex facilitated turn-off fluorescent chemosensor for selective detection of cupric ion. Chemical Communications, 2010. 46: p. 7385-7387.

8. Du, J., Fan, J., Peng, X., Sun, P., Wang, J., et al. , A new fluorescent chemodosimeter for Hg2+: selectivity, sensitivity, and resistance to Cys and GSH. Organic Letters, 2010. 12: p. 476-479.

9. Shi, X., Wang, H., Han, T., Feng, X., Tong, B., Shi, J., et al. , A highly sensitive, single selective, real-time and “turn-on” fluorescent sensor for Al3+ detection in aqueous media. Journal of Materials Chemistry, 2012. 22: p. 19296-19302.

10. Wang, H.F., Wu, S.P. , A pyrene-based highly selective turn-on fluorescent sensor for copper(II) ions and its application in living cell imaging. Sensor and Actuators B 2013. 181: p. 743-748.

38

11. Wanichacheva, N., Setthakarn, K., Prapawattanapol, N., Hanmeng, O., Lee, V.S., Grudpan, K. , Rhodamine B-based “turn-on” fluorescent and colorimetric chemosensors for highly sensitive and selective detection of mercury (II) ions. Journal of Luminescence, 2012. 132: p. 35–40.

12. Wanichacheva, N., Praikaew, P., Suwanich, T., Sukrat, K., “Naked-eye” colorimetric and “turn-on” fluorometric chemosensors for reversible Hg2+

detection. Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 2014. 118: p. 908–914.

13. Petdum, A., Panchan, W., Swanglap, P., V., Sirirak, J., Sooksimuang, T., Wanichacheva, N. , “Turn-ON” [5]helicene-based fluorescence sensor with very large Strokes shift for highly selective detection of Ag+ and AgNPS. Sensor and Actuators B, 2018. 259: p. 862-870.

14. Kaewnok, N., Petdum, A., Sirirak, J., Charoenpanich, A., Panchan, W., Sahasithiwat, S., Sooksimuang, T., Wanichacheva, N. , Novel Cu2+ -specific “Turn-ON” fluorescent probe based on [5]helicene with very large Stokes shift and its potential application in living cells. New Journal of Chemistry, 2018. 42: p. 5540-

5547.

15. Sakunkaewkasem, S., Petdum, A., Panchan, W., Sirirak, J., Charoenpanich, A., Sooksimuang, T., Wanichacheva N., Dual-Analyte Fluorescent Sensor Based on [5]Helicene Derivative with Super Large Stokes Shift for the Selective Determinations of Cu2+ or Zn2+ in Buffer Solutions and Its Application in a Living Cell. ACS Sensors, 2018. 3: p. 1016-1023.

16. Song, K.-C., Kim, M.H., Kim, H.J., Chang, S.-K., Hg2+- and Cu2+-selective fluoroionophoric behaviors of a dioxocyclam derivative bearing anthrylacetamide moieties. Tetrahedron Letters, 2007. 48: p. 7464-7468.

17. Chen, Y.-B., Wang, Y.-J., Lin, Y.-J., Hu, C.-H., Chen, S.-J., Chir, J.-L., Wu, A.-T., A water-soluble ribosyl-based fluorescent sensor for Hg2+ and Cu2+ ions. Carbohydrate Research, 2010. 345: p. 956-959.

18. Park, S.M., Kim, M.H., Choe, J.I., No, K.T., Chang, S.-K. , Cyclams Bearing Diametrically Disubstituted Pyrenes as Cu2+- and Hg2+-Selective Fluoroionophores. Journal of Organic Chemistry 2007. 72: p. 3550-3553.

39

19. Wang, M., Wen, J., Qin, Z., Wang, H. , A new coumarinerhodamine FRET system as an efficient ratiometric fluorescent probe for Hg2+ in aqueous solution and in living cells. Dyes and Pigments, 2015. 120: p. 208-212.

20. Cheng, D., Zhao, W., Yang, H., Huang, Z., Liu, X., Han, A., Detection of Hg2+ by a FRET ratiometric fluorescent probe based on a novel BODIPY-RhB system. Tetrahedron Letters 2016. 57: p. 2655–2659.

21. Wang, Z., Wu, D., Wu, G., Yang, N., Wu, A., Modifying Fe3O4 microspheres with rhodamine hydrazide for selective detection and removal of Hg2+ ion in water. Journal of Hazardous Materials, 2013. 244-245: p. 621-627.

22. Maity, D., Kumar, A., Gunupuru, R., Paul, P. , Colorimetric detection of mercury (II) in aqueous media with highselectivity using calixarene functionalized gold nanoparticles. Colloids and Surfaces A: Physico-chem. Eng. Aspects., 2014. 455: p. 122-128.

23. Malkondu, S., Erdemir, S. , A novel perylene-bisimide dye as “turn on” fluorescent sensor for Hg2+ ion found in DMF/H2O. Dyes and Pigments, 2015. 113:

p. 763-769.

24. Petdum, A., Panchan, W., Sirirak, J., Promarak, V., Sooksimuang, T., Wanichacheva, N. , Colorimetric and fluorescent sensing of a new FRET system via [5]helicene and rhodamine 6G for Hg2+ detection. New Journal of Chemistry, 2018. 42: p. 1396-1402.

25. EPA, U., National Primary Drinking Water Regulations 2017.

26. FDA, U., Prohibited & Restricted Ingredients. 2017.

27. FDA, U., Mercury Levels in Commercial Fish and Shellfish (1990-2012). 2017.

ประวตผเขยน

ประวตผเขยน

ชอ-สกล วรพจน กลนเพชร วน เดอน ป เกด 2 พฤษภาคม 2536 สถานทเกด นครปฐม วฒการศกษา วท.บ.(เคม) เกยรตนยมอนดบ 2 มหาวทยาลยศลปากร ทอยปจจบน 420/24 หมบานนายพล ถนนดอนไกด ต าบลตลาดกระทมแบน อ าเภอ

กระทมแบน จงหวดสมทรสาคร ผลงานตพมพ Klinpetch, W.; Petdum, A.; Thavornpradit, S.; Panchan, W.;

Sooksimuang, T.; Sirirak, J.; Suvokhiaw, S.; Limpachayaporn, P.; Wanichacheva, N. “Fluorometric and colorimetric Hg2+-sensor via FRET system of pentahelicene donor and rhodamine B acceptors”. Proceedings of the 2018 Chemistry Research Symposium, 2018, 1, 5-10.

รางวลทไดรบ ไดรบทนการศกษาระดบปรญญาตรของโครงการพฒนาและสงเสรมผม ความสามารถทางวทยาศาสตรและเทคโนโลย (พสวท.) ในระดบการศกษาปรญญาตรและปรญญาโท