- Nguyễn Thanh Sĩ 1 , Nguyễn Thị Hòa 1 , Nguyễn Thị Yến Nhi 2 , Trần Thị Ngọc Thảo 1 , Phạm Thị Bích Thảo 1 và Nguyễn Thành Tiên 1. - Vị trí, năng lượng liên kết và một số chỉ số lượng tử cũng được khảo sát tại cùng mức lý thuyết. - Kết quả tính toán cho thấy các phân tử thuốc có xu hướng neo đậu trên cluster vàng thông qua nguyên tử N với năng lượng liên kết khoảng −18,6 kcal/mol trong pha khí và −18,9 kcal/mol trong nước. - Ngoài ra, năng lượng vùng cấm của Au 6 giảm đáng kể trong các phức hợp Au 6 ∙ROT và có thể được chuyển hóa thành tín hiệu điện giúp phát hiện chọn lọc ROT. - Gần đây, các cluster kim loại quí là chủ đề của vô số nghiên cứu xuất phát từ tính chất quang học vô cùng độc đáo của chúng (Fenwick et al., 2016;. - Chúng được xem là những chất huỳnh quang (fluorophore) cao cấp so với các thuốc nhuộm hữu cơ hiện tại, đồng thời nhỏ hơn và ít độc hơn các chấm lượng tử (Choi et al., 2012. - Wang et al., 2005) nên rất thích hợp cho các ứng dụng trong phát triển các thiết bị dò tìm, cảm biến sinh học và những ứng dụng khác trong y học (Mani et al., 2009. - Với các ứng dụng trên, trước hết chúng ta cần làm sáng tỏ cơ chế tương tác và các tính chất lý hóa liên quan.. - Nhiều kỹ thuật thực nghiệm đã được sử dụng để khảo sát kích thước và cấu trúc của hạt, hình thái bề mặt và sự tồn tại cấu trúc dạng keo. - Các phương pháp sử dụng kính hiển vi như kính hiển vi điện tử truyền qua (transmission electron microscopy), kính hiển vi điện tử quét (scanning electron microscopy) và kính hiển vi lực nguyên tử (atomic force microscopy) có thể được sử dụng để đo kích thước hạt cũng như sự phân bố kích thước, hình dạng và. - Kích thước hạt cũng có thể được quan sát bằng cách sử dụng các kỹ thuật tán xạ ánh sáng như nhiễu xạ laser (laser diffraction) và tán xạ ánh sáng động (dynamic light scattering) (Brar &. - Ngoài ra, kỹ thuật NMR có thể cung cấp nhiều thông tin về trật tự nguyên tử sắp xếp trong phân tử và trong thực tế có thể được sử dụng để xác định các liên kết hóa học và khoảng cách giữa các nguyên tử cụ thể (Sun et al., 2012).. - Bên cạnh những phương pháp thực nghiệm, các kỹ thuật tính toán ngày càng được sử dụng rộng rãi để nghiên cứu sâu hơn các tính chất của các hạt nanocluster và sự tương tác của chúng với các phân tử sinh học (Petty et al., 2014. - Nếu chúng ta cần thông tin chính xác về cấu trúc, năng lượng và. - quang phổ thì tính toán hóa học lượng tử sẽ là sự lựa. - Nếu tương tác tĩnh điện là đóng góp chủ yếu ta có thể dựa vào mô hình CG (coarse grain models). - Trong nghiên cứu này, các phép tính DFT (density functional theory – Lý thuyết phiếm hàm mật độ) sẽ được sử dụng để khảo sát các đặc tính hấp phụ/giải hấp phụ và phản ứng điện tử của quá trình gắn kết rotigotine (ROT) lên bề mặt nanocluster vàng, sử dụng Au 6 làm mô hình phản ứng.. - Rotigotine (Hình 1), còn có tên thương mại Neupro, là một chất chủ vận dopamine thuộc nhóm thuốc không chứa ergoline thường được dùng để điều trị bệnh Parkinson và hội chứng chân không yên (Chen et al., 2009). - Các biến chứng nghiêm trọng hơn bao gồm rối loạn tâm thần và rối loạn kiểm soát xung động (Wingo et al., 2009). - Vì thế, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để tìm ra phương pháp thích hợp nhằm giảm liều thuốc sử dụng và từ đó có thể hạn chế các phản ứng phụ của thuốc (Bi et al., 2016). - Việc cố định các hợp chất hữu cơ và phân. - Kết quả nghiên cứu cung cấp những hiểu biết sâu hơn về quá trình chức năng hóa các nanocluster kim loại và dự đoán khả năng ứng dụng của chúng trong việc thiết kế các hệ dẫn truyền thuốc nhắm mục tiêu, hỗ trợ thiết kế các vật liệu nano mới với hiệu quả vượt trội hơn.. - Puzzarini, 2005) với thế năng lõi hiệu dụng (effective core potential) được áp dụng cho nguyên tố vàng, trong khi bộ cơ sở đầy đủ electron cc-pVTZ được sử dụng cho các nguyên tố phi kim. - Cấu trúc ban đầu của phức hợp Rotigotine−Au 6 (Au 6 ∙ROT) được xây dựng bằng cách gắn phân tử thuốc vào dạng bền nhất của Au 6. - (Nhat et al., 2017), thông qua những vị trí giàu electron, cụ thể là S, N và O. - Tần số dao động điều hòa cũng được tính tại cùng mức lý thuyết để xác định cấu trúc thu được là những cực tiểu địa phương (local minima) trên bề mặt thế năng và năng lượng dao động điểm không ZPE (zero-point vibrational energy). - Biến thiên năng lượng tự do được tính dựa vào biểu thức:. - ΔE + ΔZPE + ΔTCG (1) Trong đó ΔE là chênh lệch năng lượng electron ở 0 K. - ΔZPE là chênh lệch năng lượng dao động;. - ΔTCG là sự hiệu chỉnh năng lượng Gibbs từ 0 lên 298 K.. - Năng lượng liên kết E b của các phức hợp Au N ∙ROT được xác định như sau:. - E b = (E Au 6 + E ROT. - E Au 6 ∙ROT (2) Trong đó E X là năng lượng tối ưu của cấu tử X.. - Giá trị E b càng dương, ái lực với cluster vàng càng lớn, sự tương tác càng dễ xảy ra. - Sự ảnh hưởng qua lại giữa cấu tử hấp phụ và bị hấp phụ được khảo sát thông qua các tính chất điện tử như năng lượng HOMO, LUMO và năng lượng vùng cấm.. - Các nguyên tử này chứa cặp electron tự do sẵn sàng tạo liên kết với các orbital 5d và 6s của Au.. - Tiểu phân Au 6 còn có thể đóng vai trò là chất nhận proton để hình thành các liên kết H phi truyền thống Au∙∙∙H−O, trong đó điện tích được dịch chuyển từ cặp không liên kết của vàng và orbital phản liên kết σ * (NH) (Pakiari &. - Những tương tác này là những yếu tố bổ sung giúp ổn định phức hợp Au 6 ∙ROT được tạo ra. - Hình dạng và năng lượng tương đối của chúng được thể hiện trên Hình 2. - Các cấu trúc này được ký hiệu là Au 6 ∙ROT_X với X = 1, 2…. - tương ứng với năng lượng tương đối tăng dần. - nguyên tử N, tạo ra dạng bền nhất Au 6 ∙ROT_1 với năng lượng liên kết là 18,6 kcal/mol. - Hơn nữa, phù hợp với phân tích NBO được đề cập ở trên, sự phối trí thông qua nguyên tử Au ở góc, tích điện dương có lợi hơn về mặt năng lượng cho sự hấp phụ ROT.. - Tại mức lý thuyết PBE/cc-pVTZ/cc-pVTZ-PP, Au 6 ∙ROT_2 có năng lượng cao hơn Au 6 ∙ROT_1 ~2,5 kcal/mol. - Cấu trúc còn lại Au 6 ∙ROT_3 được xây dựng bằng cách gắn trực tiếp nguyên tử O vào Au 6 , được xác định nằm trên Au 6 ∙ROT_1 ~21 kcal/mol. - Nhìn chung, sản phẩm với liên kết N−Au 6 vẫn là dạng ổn định nhất trong dung môi nước.. - Au 6 ∙ROT_2 (2,53) Au 6 ∙ROT_3 (20,8). - Giá trị trong ngoặc đơn là năng lượng tương đối (kcal/mol) so với dạng bền nhất Au 6 ∙ROT_1, tính tại mức lý. - Để đánh giá độ bền nhiệt động của các phức hợp Au 6 ∙ROT, chúng tôi khảo sát năng lượng liên kết, biến thiên enthalpy và năng lượng Gibbs. - Trong pha khí, năng lượng liên kết (E b ) giữa Au 6. - và ROT thay đổi từ 18,6 (Au 6 ∙ROT_1) đến 7,70 kcal/mol (Au 6 ∙ROT_3). - Tuy nhiên, biến thiên năng lượng. - Phức bền nhất Au 6 ∙ROT_1 có giá trị ∆G kcal/mol, so với giá trị ∆H 298 tương ứng là 17,5 kcal/mol. - Điều này được giải thích là do entropy của các quá trình hấp phụ có xu hướng giảm. - Trong dung môi nước, các giá trị E b , ∆H 298 và ∆G 298 nhìn chung vẫn thể hiện xu hướng giống như trong pha khí. - Ví dụ, năng lượng liên kết, biến thiên enthalpy và năng lượng Gibbs của Au 6 ∙ROT_1 trong nước là. - 17,0 và 4,18 kcal/mol, so với các giá trị tương ứng trong pha khí là 18,6. - 17,5 và 2,33 kcal/mol.. - Năng lượng liên kết 𝐄 𝐛 , biến thiên enthalpy ∆H 298 và năng lượng Gibbs ∆G 298 (kcal/mol) của sự hấp phụ ROT lên Au 6 cluster, cùng với độ dài liên kết Au–X (Å) trong Au 6 ∙ROT. - Au 6 ∙ROT . - Theo đó, giữa thời gian hồi phục 𝜏 và năng lượng liên kết E b liên hệ với nhau qua biểu thức:. - Trong đó, T là nhiệt độ của hệ. - 𝑘 là hằng số Boltzman. - 𝜈 là tần số thử. - Với năng lượng liên kết E b ≈ 18,6 kcal/mol, thời gian hồi phục của Au 6 ∙ROT_1 trong pha khí là 0,1 giây nếu sử dụng ánh sáng có bước sóng 𝜆 = 700 nm, tại nhiệt độ T = 298 K. - Trong nước, năng lượng liên kết E b ≈ 18,9 kcal/mol và thời gian hồi phục là khoảng 0,2 giây (đối với Au 6 ∙ROT_1). - Do đó, cluster vàng Au 6 là vật liệu rất tiềm năng để phát triển thiết bị cảm biến trong phát hiện chọn lọc ROT.. - Ngoài ra, để đánh giá độ nhạy của Au 6 với sự hiện diện của các phân tử ROT, chúng tôi khảo sát sự thay đổi của năng lượng vùng cấm (ΔE g. - Trong đó E g 1 và E g 2 là năng lượng vùng cấm (chênh lệch năng lượng HOMO – LUMO) của. - cluster Au 6 và của các phức hợp Au 6 ∙ROT. - Các mức năng lượng biên (E HOMO , E LUMO ) và năng lượng vùng cấm (E g ) tính tại mức lý thuyết PBE/cc-pVTZ /cc-pVTZ-PP được liệt kê trong Bảng 2. - Giá trị E g thực nghiệm của Au 6 được xác định từ phổ quang electron (photoelectron spectroscopy) là 2,30 eV (Zhai et al., 2005), so với kết quả tính toán bằng phiếm hàm PBE là 2,09 eV trong pha khí và 2,28 eV trong nước. - Năng lượng vùng cấm E g là một chỉ số quan trọng để xác định hoạt tính động học của các vật liệu (Hadipour et al., 2015). - Sự thay đổi năng lượng vùng cấm (∆E g ) thể hiện độ nhạy của chất hấp phụ đối với chất bị hấp phụ. - Trong dung môi nước, sự hấp phụ các phân tử ROT đã làm thay đổi đáng kể năng lượng vùng cấm của Au 6 . - Sự suy giảm năng lượng vùng cấm E g làm gia tăng khả năng dẫn điện của Au 6 , gây ra tín hiệu điện và nhờ đó có thể giúp phát hiện ROT.. - Năng lượng (eV) của các orbital biên (HOMO, LUMO), năng lượng vùng cấm 𝐄 𝐠 , sự thay đổi năng lượng vùng cấm 𝚫𝐄 𝐠. - Quá trình phóng thích thuốc từ chất mang trong các tế bào đích là một giai đoạn quan trọng trong dẫn truyền thuốc. - Chính vì vậy, nghiên cứu xem xét độ bền của các phức hợp Au 6 ∙ROT với sự hiện diện và vắng mặt của proton. - Do đó, chúng tôi chỉ khảo sát sự ảnh hưởng của các ion hydrogen lên độ bền liên kết do sự proton hóa nguyên tử N và thực hiện tối ưu hóa cho phức hợp tương ứng Au 6 ∙ROTH. - cluster vàng trở nên mong manh hơn rất nhiều. - Năng lượng liên kết của ROT với Au 6. - sự gắn kết giữa ROT với chất mang dễ dàng bị phá vỡ và nhanh chóng được phóng thích khỏi bề mặt vàng.. - Một yếu tố quan trong khác có thể gây ra sự phóng thích thuốc là sự kích thích bên trong liên quan đến các amino acid trong các protein. - Các hợp phần chứa S như cysteine và methionine được dự đoán là những vị trí liên kết được ưa thích đối với kim loại quý (Eckhardt et al., 2013. - Hằng số acid của cysteine là pK 1 = 1,7 và pK 2. - Để đánh giá khả năng phóng thích thuốc từ bề mặt vàng, chúng tôi xem xét quá trình trao đổi phối tử theo phương trình sau:. - Nghiên cứu gần đây về sự tương tác của Au 6 với cystein cho thấy cysteine liên kết với cluster vàng thông qua nguyên tử S của nhóm thiol trong pha khí và nhóm thiolate trong nước (Nhat et al., 2020). - Trong dung dịch acid, năng lượng liên kết cysteine-Au 6 được xác định là khoảng −20 kcal/mol. - Trong nước, năng lượng liên kết của rotigitine với Au 6 là −19 kcal/mol. - Như vậy, sự phóng thích thuốc từ bề mặt vàng trong các tế bào đích chắc chắn sẽ xảy ra do sự tương tác với các protein. - Thật vậy, năng lượng Gibbs cho phản ứng trao đổi phối tử được tính là khoảng −10 kcal/mol đối với rotigotine. - Biến thiên năng lượng tự do âm cho thấy đây là quá trình tự diễn biến.. - Phiếm hàm GGA thuần túy (PBE) được sử dụng kết với với bộ cơ sở cc-pVTZ-PP cho vàng và cc-pVTZ cho các phi kim. - Năng lượng liên kết vào khoảng −18,6 kcal/mol trong pha khí và −18,9 kcal/mol trong môi trường nước. - Quá trình hấp phụ có biến thiên năng lượng tự do Gibbs âm nên được dự đoán là có thể tự diễn biến. - Nhìn chung, cấu trúc nguyên tử của cả cluster vàng và. - Tuy nhiên, năng lượng vùng cấm của Au 6. - tự do, năng lượng vùng cấm E g của Au 6 ∙ROT giảm đến 18% trong pha khí và 22% và trong nước. - Các kết quả tính toán này cung cấp cho chúng ta những hiểu biết sâu sắc hơn về các yếu tố thúc đẩy sự gắn kết các phân tử thuốc/phân tử sinh học lên bề mặt các hạt nano vàng và khả năng ứng dụng của các vật liệu nano vàng để thiết kế hệ thống dẫn truyền thuốc nhắm mục tiêu, cảm biến sinh học chọn lọc cực nhỏ với hiệu quả vượt trội.