Phát hiện chất nổ là một trong những mối quan tâm cấp bách hiện nay trong công tác an ninh và an toàn môi trường toàn cầu. Trong vài thập kỷ qua, một số lượng lớn các hợp chất hữu cơ liên hợp đã được phát triển để cung cấp phương pháp hiệu quả phát hiện chất nổ trong hơi, dung dịch và trạng thái rắn. Những nỗ lực đáng kể trong thời gian gần đây được dành cho việc phát triển vật liệu huỳnh quang mới với các cơ chế cảm biến khác nhau để phát hiện chất nổ nhằm đạt được độ siêu nhạy, siêu chọn lọc, cũng như thời gian phản ứng nhanh.
Hiện nay, việc nghiên cứu tổng hợp polymer phát quang ứng dụng trong cảm biến đã được quan tâm tại nhiều quốc gia trên thế giới. Trong đó, vật liệu polymer liên hợp dạng cho nhận điện tử (còn gọi là hút đẩy điện tử, donor - acceptor hay push-pull) đang là một vật liệu có nhiều tiềm năng trong việc chế tạo cảm biến sensor phát hiện chất nổ TNT. Trong các phương pháp nghiên cứu chế tạo vật liệu/hợp chất có tính chất phát hiện vật liệu nổ nhóm nitro aromatic (như là TNT, DNT,...) thì việc chế tạo vật liệu polymer hay phân tử có cấu trúc liên hợp và mang các nhóm tương tác với TNT hứa hẹn nhiều tiềm năng, thực hiện dễ dàng, hiệu quả, giá thành rẻ.
Tuy nhiên tại Việt Nam, việc nghiên cứu và ứng dụng polymer cấu trúc liên hợp vẫn còn khá mới mẻ, đang trong giai đoạn khởi đầu. Hiện chưa có nhiều nhóm nghiên cứu tập trung vào tổng hợp và ứng dụng các polymer liên hợp vào cảm biến nói riêng và có cấu trúc liên hợp nói chung.
Với đề tài “Nghiên cứu polymer/oligomer cấu trúc liên hợp phát quang hướng ứng dụng làm cảm biến trong việc phát hiện chất gây cháy nổ họ nitro aromatic”, nhóm tác giả hướng đến việc tổng hợp vật liệu polymer dẫn cấu dạng cho - nhận điện tử tương tác được với TNT hoặc các tiền chất nitro aromatic khác, và việc phát hiện vật liệu nổ ở nồng độ thấp là những yêu cầu cấp bách. Đề tài đi sâu nghiên cứu tổng hợp các polymer và các oligome liên hợp có tính phát huỳnh quang dựa trên pyrene, pyrene-phenothiazine và pyrene-phenoxazine bằng phương pháp trùng ngưng Suzuki và trùng ngưng trực tiếp để định hướng ứng dụng trong thiết bị cảm biến thuốc nổ nhóm chức NO2. Cấu trúc hóa học, trọng lượng phân tử trung bình (Mn) và tính chất quang của oligome được đặc trưng thông qua cộng hưởng từ hạt nhân proton (1H-NMR), phép đo sắc ký thẩm thấu gel (GPC), UV-Vis và quang phổ huỳnh quang.
Kết quả, đã tổng hợp thành công hai loại copolymer liên hợp phát quang mạch thẳng là poly (3-(9-heptyl-9-octyl-9H-fluoren-2-yl)-10-(pyren-1-yl)-10H-phenothiazine (P-1) và poly 3-(9-heptyl-9-octyl-9H-fluoren-2-yl)-10-(pyren-1-yl)-10H-phenoxazine (P-2) có hiệu suất trên 80%, đạt trọng lượng phân tử 20.000 – 25.000g/mol. Tính tan tốt trong các dung môi hữu cơ.
Tổng hợp thành công hai loại copolymer liên hợp phát quang mạch nhánh là poly tris(4-(7-(9,9-dioctyl-9H-fluoren-2-yl)-10-(pyren-1-yl)-10H-phenothiazin-3-yl)phenyl)amine (HCP-1) và poly tris(4-(7-(9,9-dioctyl-9H-fluoren-2-yl)-10-(pyren-1-yl)-10H-phenoxazin-3-yl)phenyl )amine (HCP-2) có hiệu suất cao lên đến 82% với trọng lượng phân tử Mn cao 30.000 - 33.000g/mol. HCP-2 có tính tan trong dung môi hữu cơ tốt hơn HCP-1.
Polymer liên hợp P-1, P-2, P-3 (HCP-1) và P-4 (HCP-2) có độ bền nhiệt trên 200oC. Độ hấp thụ quang phổ của P-1, P-2 lần lượt là 345nm, 328nm. Độ hấp thu quang phổ của P-3 và P-4 là 343nm. Tính chất phát huỳnh quang (fluorescent) của polymer liên hợp mạch thẳng P-1 và P-2 có bước sóng phát quang mạnh trong khoảng từ 500 - 800nm. Tính chất phát huỳnh quang (fluorescent) của polymer liên hợp mạch nhánh P-3 và P-4 có bước sóng phát quang mạnh từ 550 - 900nm.
Tổng hợp thành công hợp chất oligomer tris(4-(3-hexyl-5-(pyren-1-yl)thiophen-2-yl)phenyl)amine (T3HTP) có tính hấp thụ quang phổ nhìn thấy 300 - 350nm (trong dung dịch) phát huỳnh quang tại bước sóng cực đại 530nm.
Kết quả ứng dụng vật liệu polymer liên hợp mạch thẳng, mạch nhánh và oligomer trong chế tạo cảm biến thuốc nổ nitro aromatic (TNT) cho thấy, vật liệu oligomer cấu trúc hình sao T3HTP có khả năng phát hiện thuốc nổ ở nồng độ rõ ràng (bằng mắt thường) 10mmol/l trong dung dịch. Giới hạn nhận biết chất nổ TNT là 50μmol/l bằng phép đo phổ PL. Vật liệu polymer cấu trúc mạch thẳng liên hợp P-1 có khả năng nhận biết TNT khi nồng độ của TNT trong dung dịch là 30mmol. Vật liệu polymer cấu trúc mạch thẳng liên hợp P-2 có khả năng nhận biết TNT khi nồng độ của TNT trong dung dịch là 10mmol.
Bộ kit kiểm tra thuốc nổ cũng được chế tạo thành công trong dung dịch (khả năng nhận biết TNT ở nồng độ 50mmol/l) và trên màng cellulose (khả năng nhận biết TNT dạng rắn ở khối lượng 1mg). Kết quả nghiên cứu đã chứng minh được các oligomer/polymer tổng hợp có tính phát huỳnh quang để phát hiện hợp chất nổ nitro aromatic ở nồng độ thấp một cách hiệu quả (thông qua cơ chế dập tắt huỳnh quang của oligomer/polymer).
Như vậy, đề tài đã tạo ra những sản phẩm khoa học góp phần phục vụ cho công tác an ninh quốc phòng, phòng chống tội phạm. Cụ thể là công cuộc trấn áp tội phạm buôn lậu (vật liệu gây cháy nổ gây nhiều nguy hiểm trực tiếp đến tính mạng con người); hỗ trợ cho các cán bộ hải quân, quân nhân vùng biên trang bị những công cụ khoa học nhằm khẳng định và phát hiện nhanh các vật liệu gây cháy nổ nguy hại.
Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu đề tài tại Trung tâm Thông tin và Thống kê Khoa học và Công nghệ (CESTI).
Lam Vân (CESTI)