เคมีซุปราโมเลคิวลาร์,...

วารสารวิจัยมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลศรีวิชัย 6(2) : 82-89 (2557)82

1 สาขาวิชาเคมี คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลอีสาน วิทยาเขตขอนแก่น ตำบลในเมือง อำเภอเมือง

จังหวัดขอนแก่น 40000 1 Department of Chemistry, Faculty of Engineering, Rajamangala University of Technology Isan, Khon Kaen Campus,

Nai-Muang, Muang, Khon Kaen 40000, Thailand.

* ผู้นิพนธ์ประสานงาน ไปรษณีย์อิเล็กทรอนิกส์ (Corresponding author, e-mail): [email protected]

เคมีซุปราโมเลคิวลาร์, เซนเซอร์ทางเคมี

Supramolecular chemistry, Chemical sensors

ยุวพร อุปปะ 1*

Yuwapon Uppa 1*

บทคัดย่อ

เคมีซุปราโมเลคิวลาร์เป็นศาสตร์ที่ใหม่ทางด้านวิทยาศาสตร์ ที่เน้นการศึกษาอันตรกิริยาแบบไม่

มีการสร้างพันธะโคเวเลนท์กับโมเลกุล สามารถประยุกต์ใช้เป็นตัวรับรู้จากการเกิดสารเชิงซ้อนระหว่าง

โฮสต์ซึ่งมีส่วนเป็นตัวจับที่มีความจำเพาะเจาะจงกับเกสต์ที่เป็นสารที่สนใจจะวิเคราะห์แบบไม่สร้าง

พันธะโคเวเลนท์ และเมื่อจับกันแล้วจะเกิดการส่งสัญญาณขึ้น ตัวอย่างเช่น สัญญาณทางสี,

ฟลูออเรสเซนซ์ หรือไฟฟ้า ซึ่งเรียกว่าเซนเซอร์ทางเคมี

คำสำคัญ: เคมีซุปราโมเลคิวลาร์, เซนเซอร์ทางเคม,ี ตัวตรวจวัดแคทไอออน, ตัวตรวจวัดแอนไอออน

ABSTRACT

Supramolecular chemistry is a comparatively young branch of the science which focuses on

the non-covalent interactions of molecules. Sensing applications of supramolecular chemistry

involved in the formation of non-covalent ‘host-guest’ complexes. The ‘host’ molecules, containing

a binding site that is highly specific for an analyte ‘guest’, are used as sensors to register analyte

binding through a variety of mechanisms such as colorimetric, fluorescent or electrochemical signals

which called chemical sensors.

Key words: supramolecular chemistry, chemical sensors, cation sensors, anion sensors.

83วารสารวิจัยมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลศรีวิชัย 6(2) : 82-89 (2557)

บทนำ ปัจจุบันเคมีโคออร์ดิเนชันของแคทไอออน

และแอนไอออน หรือ เคมีซุปราโมเลคิวลาร์

(Supramolecular chemistry) (Beer et al., 1999)

กำลงัเปน็ทีส่นใจเปน็อยา่งมากจากนกัวทิยาศาสตร์

หลากหลายสาขา เนื่องด้วยความรู้ทางด้านเคมี

ซุปราโมเลคิวลาร์ได้ถูกนำมาศึกษาและพัฒนา

ประยุกต์ใช้อย่างกว้างขวางในด้านต่างๆ เช่น นำ

มาใช้ประโยชน์ทางด้านการแพทย์ การพัฒนายา

รักษาโรค การศึกษากระบวนการทางชีววิทยา

และการพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยา และเครื่องมือทาง

ด้านเซนเซอร์ การพัฒนาเป็นการออกแบบและ

สังเคราะห์โมเลกุลทางด้านเทคโนโลยีทางการ

วิเคราะห์เพื่อใช้เป็นเครื่องมือทางด้านเซนเซอร์

ทางเคมี (chemical sensors) สำหรับการตรวจวัด

ทั้งแคทไอออน และแอนไอออน รวมไปถึงคู่

ไอออน หรอื Zwitterion ใหม้ปีระสทิธภิาพดยีิง่ขึน้

โดยหลักการพื้นฐานของเคมีซุปราโมเลคิวลาร์

เป็นการศึกษาถึงปฏิกิริยาระหว่างโมเลกุลผ่าน

อันตรกิริยาแบบไม่สร้างพันธะโควาเลนท์ (non-

covalent) ดังภาพที่ 1 อาทิเช่น พันธะไฮโดรเจน

(hydrogen bonding) อันตรกิริยาอิเล็กโทรสแตติค

(electrostatic interaction) อันตรกิริยาแคทไอออน

–ไพ (cation-π interaction) และอันตรกิริยาไพ-

ไพ (π-π interaction) (Steed and Atwood, 2002;

Lehn, 1995) เป็นต้น ซึ่งแม้ว่าอันตรกิริยาที่เกิดขึ้น

จะเป็นแรงกระทำอย่างอ่อน แต่ถือได้ว่ามีความ

จำเพาะสูงในการเลือกจับกับเกสต์

หลักการทำงานของโมเลกุลตรวจจับ หรือ

ตัวรับ (Receptor) ซึ่งทำหน้าที่เป็นโฮสต์ และ

ไอออนซึ่งเป็นเกสต์นั้น จะอาศัยหลักการเดียวกัน

กับการทำงานของแม่กุญแจและลูกกุญแจ (Lock

and key principle) คือ โมเลกุลที่เป็นโฮสต์นั้น

ต้องมีความจำเพาะเจาะจง (specific) ในการเลือก

ที่จะจับกับเกสต์ชนิดใดชนิดหนึ่ง ดังนั้นจึงอาจ

เรียกเคมีซุปราโมเลคิวลาร์นี้ได้อีกชื่อหนึ่งว่า

Host – Guest Chemistry

ภาพที่ 1 แสดงคำจำกัดความของเคมีซุปราโมเลคิวลาร์


เซนเซอร์ทางเคมี (chemical sensor) การพัฒนาเซนเซอร์ทางเคมี (Chemical

sensor) เป็นเครื่องมือที่สามารถตรวจจับแอน

ไอออน แคทไอออน หรือแม้กระทั่งโมเลกุลของ

สารประกอบอินทรีย์ โดยมีการแสดงผลเป็น

สัญญาณที่อ่านได้ด้วยเครื่องมือทางวิทยาศาสตร์

และสามารถใช้ในการวิ เคราะห์ทั้ งแบบเชิง

ปริมาณวิเคราะห์ (Quantitative) และเชิงคุณภาพ

วิเคราะห์ (Qualitative) โดยเซนเซอร์ทางเคมีจะ

ประกอบไปด้วยส่วนประกอบพื้นฐาน 2 ส่วน ดัง

ภาพที่ 2 คือ

1. ส่วนจับโมเลกุล หรือ Binding site ซึ่ง

ก็คือเป็นส่วนหนึ่งของโมเลกุลโฮสต์ โดยส่วนจับ

นี้จะต้องมีความจำเพาะเจาะจงกับสารที่ เรา

ต้องการวิเคราะห์ หรือมี Selectivity นั่นเอง

2. ส่วนให้สัญญาณ หรือ Signaling unit

ซึ่งจะทำการแปลงสัญญาณการเปลี่ยนแปลงทาง

เคมีของการจับกันระหว่างโฮสต์และเกสต์ ให้เป็น

สัญญาณที่สามารถตรวจวัดด้วยเครื่องมือทาง

วิทยาศาสตร์

ตัวตรวจจับอาจแบ่งได้ตามตัวแปรสัญญาณ ดังนี้

1) อุปกรณ์เชิงแสง (optical devices) ซึ่ง

จะเปลี่ยนสัญญาณที่ได้จากการจับกันของโมเลกุล

ตัวรับกับสารที่ต้องการตรวจวัดให้เป็นสัญญาณ

ทางแสง (เช่น เซนเซอร์ยูวี-วิสิเบิล, เซนเซอร์

ฟลูออเรสเซน) เช่น ตัวอย่างการศึกษาอนุพันธ์

อะมิดีไพลิดินัมตัวใหม่ (novel amidepyridinium)

(Gong ang Hiratani, 2008) ที่มีหมู่แอนทราซีน

(antracene) โดยมีหมู่แอนทราซีน (anthracence)

ให้สัญญาณฟลูออเรสเซนซ์ เมื่อตำแหน่งตัวรับที่

มีความยืดหยุ่นและมีความจำเพาะเจาะจงกับ

H2PO4- ได้ดี ดังภาพที่ 3

เมื่อมีแอนไอออนเข้ามาจับบริเวณอนุพันธ์

ไทโอยูเรีย พบว่าหมู่แอนทราซีน (Antracene)

เกิดการเคลื่อนเข้ามาใกล้กันมากขึ้นเกิดเอ็กซิเมอร์

(excimer) ให้ฟลูออเรสเซนซ์ที่ 505 nm สังเกต

การเปลี่ยนสีได้ชัดเจน

2) อุปกรณ์เชิงเคมีไฟฟ้า (electrochemical

devices) เช่น เซนเซอร์ตัวตรวจวัดทางศักย์ไฟฟ้า

(voltammetric sensor) เช่น ตัวอย่างในการศึกษา

เชิงเคมีไฟฟ้าของตัวรับและเซนเซอร์ HBIMANG

และ BIMANQ ดังภาพที่ 4 โดยมีส่วนของ

imidazolde และ anthaquinone (Wannalerse et al.,

2008) จากงานวิจัยนี้พบว่าเมื่อนำเอาตัวรับที่มี

บรเิวณ amide-anthaquinone ไปจบัแอนไอออน F-

ภาพที่ 2 หลักการของเครื่องมือตรวจจับเกสต์


และ AcO- จะเกิดการเปลี่ยนแปลงสีและเกิด

สเปกตรัมใหม่จาก 420 nm เป็น 489 nm เมื่อนำ

ไปทำ CV (cyclic voltammetry) เซนเซอร์

HBIMANG และ BIMANQ ที่จับกับแอนไอออน

ต่างๆ (F-, Cl-, AcO-, BzO- และ H2PO4-) พบว่า

เซนเซอร์ HBIMANG ที่จับกับแอนไอออนต่างๆ

ใหผ้ล CV ดงันี ้F-> AcO- > BzO- > H2PO4-> Cl-,

Br- ส่วนเซนเซอร์ BIMANQ จะมีความจำเพาะ

เจาะจงกับ H2PO4- แล้วให้สัญญาณ CV ที่สูงมาก

3) อุปกรณ์เชิงไฟฟ้า (electrical devices)

เช่น เซนเซอร์ตัวตรวจวัดกึ่งตัวนำทางอินทรีย์

(organic semiconductor sensor) ตัวอย่างเช่น การ

สงัเคราะหฟ์ลิม์บาง ทีไ่ดจ้ากการเชือ่มโยงโมเลกลุ

ตวัตรวจวดัซึง่ประกอบดว้ยวงเอซาคาลกิซ[์3]เอรนี

เป็นรีเซบเตอร์และคาร์บาโซลเข้าด้วยกันโดยใช้

เทคนิคทางเคมีเชิงไฟฟ้า ดังภาพที่ 5 จากการ

ทดลองแสดงให้เห็นความไวและความจำเพาะ

เจาะจงตอ่การตอบสนองกบั Zn2+ (Kaewtong et al.,

2008)

4) อุปกรณ์ที่ไวต่อการเปลี่ยนแปลงมวล

(mass sensitive devices) เช่น อุปกรณ์ที่จับการ

เปลี่ยนแปลงทางไฟฟ้าของการสั่นของผลึกแร่

(piezoelectric devices) โดยการใช้อนุพันธุ์ของ

โพลีไทโอฟีน P3HHT และ P3OTBT (Ng et al.,

1998) เคลือบบนผลึกแร่ทอง (QCM) เพื่อศึกษา

ความสามารถในการเกิดสารประกอบเชิงซ้อนกับ

ภาพที่ 3 การเกิดฟลูออเรสเซนซ์แบบเอ็กซิเมอร์เมื่อเติม H2PO4- ลงไป

ภาพที่ 4 เซนเซอร์ HBIMANG และ BIMANQ

O

O

O

NH

HN

HN

NN

N

O

O

O

NH

HN

HN

NN

N

HH

H

N NO

NH

O

OBIMANQ

N NO

NH

O

O

PF6-

HBIMANQ


โลหะในน้ำ จากการพบว่าตัวตรวจวัดจะมีความ

จำเพาะเจาะจงกับ Hg2+ โดยสามารถตรวจวัดได้

ในช่วงความเข้มข้น 0.1-100 ppm ดังภาพที่ 6

5) อปุกรณเ์ชงิแมเ่หลก็ (magnetic devices)

เช่น การตรวจโพแทสเซียมอาศัยหลักการ

พาราแมกเนติก (paramagnetic) ตัวอย่างเช่น การ

ใช้อนุพันธุ์ของกวาโนซีน (guanosine) ซึ่งมีหมู่

ไนโทรซิล (nitroxyl) เป็นองค์ประกอบเป็นตัว

ตรวจวัด (Graziano et al., 2008) เมื่อเติม

โพแทสเซียมลงไปจะเกิดโครงสร้างที่เป็นไดเมอร์

ทำให้อนุมูลอิสระ (radicle) ของหมู่ไนโทรซิล

เกิดอันตรกิริยาแบบ สปิน-สปิน เกิดเป็นโมเลกุล

ที่มีสมบัติเป็นพาราแมกเนติกซึ่งสามารถตรวจวัด

ได้ด้วยเทคนิคทางสเปกโทรสโกปี ปรากฏการณ์

จะไม่เกิดขึ้นเมื่อใช้โลหะตัวอื่น ดังภาพที่ 7

6) อุปกรณ์เชิงอุณหภูมิ (thermometric

devices) โดยวัดความร้อนที่เกิดขึ้น ตัวอย่างเช่น

การใชอ้นพุนัธโ์พลไีดอะเซทลินี (Polydiacetylenes)

เพื่อใช้เป็นตัวตรวจวัดอุณหภูมิ จากการทดลอง

พบว่าอนุพันธ์โพลีไดอะเซทิลีนสามารถใช้เป็นตัว

ตรวจวัดอุณหภูมิได้ในโดยแสดงการเปลี่ยนแปลง

สีในช่วงอุณหภูมิ 20°C ถึง 90°C ดังภาพที่ 8 อีก

ทั้งยังเป็นตัวตรวจวัดที่สามารถนำกลับมาใช้ใหม่

ได้อีก (reversible sensor) (Wacharasindhu et al.,

2010)

ภาพที่ 5 การประยุกต์อนุพันธุ์เอซาคาลิกซ์[3]เอรีน เพื่อใช้เป็นเครื่องมือระดับโมเลกุล

ภาพที่ 6 อนุพันธุ์ของโพลีไทโอฟีนเคลือบบนผลึกแร่ทองสำหรับเป็นตัวตรวจวัด Hg2+

Hg2+


ภาพที่ 8 การเปลี่ยนสีของอนุพันธุ์โพลีไดอะเซทิลีนเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลงไป

ภาพที่ 7 อนุพันธุ์ของกวาโนซีนและการเกิดการซ้อนกัน (stacking) เมื่อจับกับ K+

NH

N

N

O

NH2N

O

OO

RO

1 R =

O

NO

2 R =

O


7) การเปลี่ยนแปลงทางกายภาพอื่นๆ ที่

เกิดขึ้น เช่น การเปล่งรังสี (luminescence device)

ของทอง (Au(I)) (He and Yam, 2010) โดย

ลิแกนด์ที่สัง เคราะห์ที่มีความสามารถจับทั้ง

แคทไอออน (ใช้คราวน์อีเธอร์จับ) และแอนไออน

(ใช้หมู่ยูเรียจับ) หรือเรียกว่าตัวตรวจวัดไดทอปิก

บน Au(I) ดังภาพที่ 9 ซึ่งพบว่าสามารถจับกับ

Na+ และ Cl- ได้ดี และตรวจสอบผลได้จาก 1H-NMR และ ESI-MS

สรุป บทความซุปราโมเลคิวลาร์ ให้ความสนใจ

กับการพัฒนาตัวตรวจจับเพื่อใช้ในการตรวจ

วัดไอออนหรือโมเลกุลต่างๆ โดยอาศัยหลักการ

ทำงานของตวัแปรสญัญาณตา่งๆ จากการสงัเคราะห์

หรือสร้างตัวตรวจวัดที่เหมาะสม งานวิจัยด้านนี้

นั้นมีศักยภาพในการพัฒนาไปสู่อุตสาหกรรมโดย

สามารถนำไปสูก่ารสรา้งเทคโนโลยนีาโนเซนเซอร์

ได้ ซึ่งเป็นเทคโนโลยีที่มีความว่องไวและความ

จำเพาะเจาะจงสูงในการตรวจวัดโดยไม่จำเป็น

ต้องอาศัยเครื่องมือที่มีราคาแพง เช่น ICP หรือ

AA

ภาพที่ 9 ตัวตรวจวัดไดทอปิกที่เกาะอยู่บน Au(I)

Ph2P Au S

O

OO

O O NN

O

HH

Cation

Anion

เอกสารอ้างอิง Beer, P.D., Gale, P.A. and Smith, D.K. 1999.

Supramolecular Chemistry. Oxford

University Press, New York.

Gong, W. and Hiratani, K. 2008. A novel

amidepyridinium-based tripodal fluorescent

chemosensor for phosphate ion via

binding-induced excimer formation.

Tetrahedron Letters 49: 5655-5657.

Graziano, C., Masiero, S., Pieraccini, S.,

Lucarini, M. and Spada, G.P. 2008. A

cation-directed switch of intermolecular

spin−spin interaction of guanosine

derivatives functionalized with open-shell

units. Organic Letter 10: 1739-1742.

He, X. and Yam, V.W. 2010. Design, synthesis,

photophysics, and ion-binding studies of a

ditopic receptor based on Gold(I)

phosphine thiolate complex functionalized

with crown ether and urea binding units.

Inorganic Chemistry 49: 2273–2279.


Kaewtong, C., Jiang, G., Park, Y., Baba, A.,

Fulghum, T., Pulpoka, B. and Advincula,

R. 2008. Azacalix[3]arene-Carbazole

Conjugated Polymer Network Ultrathin

Films for Specific Cation Sensing.

Chemistry of Materials 20: 4915-4924.

Lehn, J.M. 1995. Supramolecular Chemistry:

Concepts and Perspective. VCH

publisher, Weinheim.

Ng, S.C., Zhou, X.C., Chen, Z.K., Miao, P.,

Chan, H.S.O., Li, S.F.-Y. and Fu, P. 1998.

Quartz crystal microbalance sensor

deposited with Langmuir−blodgett films

of functionalized polythiophenes and

application to heavy metal ions analysis.

Langmuir 14: 1748-1752.

Steed, J.W. and Atwood, J.L. 2002.

Supramolecular Chemistry. John

Wiley & Sons Ltd., England.

Wacharasindhu, S., Montha, S., Boonyiseng, J.,

Potisatityuenyong, A., Phollookin, C.,

Tumcharern, G. and Sukwattanasinitt, M.

2010. Tuning of thermochromic properties

of polydiacetylene toward universal

temperature sensing materials through

amido hydrogen bonding. Macromolecules

43: 716-724.

Wannalerse, B., Tuntulani, T. and Tomapatanaget,

B. 2008. Synthesis, optical and

electrochemical properties of new receptors

and sensors containing anthraquinone and

benzimidazole units. Tetrahedron 64:

10619-10624.

เคมีซุปราโมเลคิวลาร์,...

Documents