三種不飽和脂肪酸的拉曼光譜及DFT計(jì)算快速鑒別方法的研究

彭 恒，候華毅，陳相柏

武漢工程大學(xué)光電信息與能源工程學(xué)院，湖北 武漢 430205

食用油中含有的脂肪酸可以分為飽和脂肪酸和不飽和脂肪酸。不飽和脂肪酸至少含有1個(gè)C=C雙鍵；只有1個(gè)C=C雙鍵的為單不飽和脂肪酸，2個(gè)及2個(gè)以上的為多不飽和脂肪酸。油酸（oleic acid，OA），亞油酸（linoleic acid，LA）和亞麻酸（α-linolenic acid，ALA）是3種重要的并對(duì)健康有益的不飽和脂肪酸［1-3］。油酸是最常見(jiàn)的單不飽和脂肪酸，LA和ALA是分別含有2個(gè)和3個(gè)C=C雙鍵的常見(jiàn)的多不飽和脂肪酸。在各種食用油中，油酸，亞油酸和亞麻酸的含量不同。本文的目的是找到一種快速區(qū)分三種不同脂肪酸而且能初步定量分析食用油的方法。

拉曼光譜已經(jīng)廣泛運(yùn)用于研究各種各樣類(lèi)型的食用油［4-8］。在拉曼研究中，通常情況下是分析絕對(duì)散射強(qiáng)度。但是和絕對(duì)散射強(qiáng)度相比較，分析特征振動(dòng)模式的相對(duì)強(qiáng)度相對(duì)容易并且能提供更多的詳細(xì)信息［9-13］。所以在本次研究中，分析油酸，亞油酸和亞麻酸的特征振動(dòng)模式的相對(duì)拉曼強(qiáng)度。

密度泛函理論（destiny functional theory，DFT）是一種研究多電子體系的量子力學(xué)方法，廣泛運(yùn)用于解釋分子的物理化學(xué)性質(zhì)［14-16］。本文采用B3LYP泛函和6-311G+（d，p）基組，對(duì)三種不飽和脂肪酸的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了幾何優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上得到了三種不飽和脂肪酸的理論拉曼光譜。再將理論計(jì)算的相對(duì)拉曼強(qiáng)度和實(shí)驗(yàn)所得的相對(duì)拉曼強(qiáng)度進(jìn)行比較。二者的結(jié)果顯示分析相對(duì)拉曼強(qiáng)度可以區(qū)分不同類(lèi)型的不飽和脂肪酸，并有助于初步定量區(qū)分食用油。

1 實(shí)驗(yàn)部分

OA（上海伊卡生物技術(shù)有限公司），LA（上海伊卡生物技術(shù)有限公司）和ALA（研峰科技）（樣品純度分別為98.5%，97%和97%）；XperRam200顯微共聚焦拉曼光譜儀（NANOBASE公司，激光波長(zhǎng)為532 nm）；便攜式光譜儀（Ideaoptics公司，激光波長(zhǎng)為785 nm）。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的光譜都經(jīng)過(guò)硅片校正。

在 DFT 理論計(jì)算中，使用的是 B3LYP［17-21］泛函和6-311+G（d，p）基組，幾何優(yōu)化和振動(dòng)頻率計(jì)算都在同一泛函和基組下進(jìn)行。DFT計(jì)算所用的程序?yàn)镺RCA［22］。計(jì)算所得的數(shù)據(jù)分析和繪圖使用的是 Multiwfn_3，4，1程序［23］。

2 結(jié)果與討論

圖1（a）展示的是由Nanobase公司的顯微共聚焦拉曼光譜儀在532 nm激發(fā)波長(zhǎng)下測(cè)得的OA，LA和ALA的拉曼光譜。OA，LA和ALA的分子式分別為 C18H34O2，C18H32O2和 C18H30O2，3 種酸所含的C=C雙鍵數(shù)目不同。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，圖1中位于1 660 cm-1的振動(dòng)模式與C=C伸縮振動(dòng)直接相關(guān)，1 440 cm-1的振動(dòng)模式主要與C-H彎曲振動(dòng)相關(guān)。這2處的振動(dòng)模式很強(qiáng)并且受到附近振動(dòng)模式的干擾較小。因此，選用這2處的特征振動(dòng)模式來(lái)區(qū)分OA，LA和ALA光譜。

圖1 油酸，亞油酸和亞麻酸的拉曼光譜：（a）532 nm，（b）785 nm，（c）DFT計(jì)算Fig.1 Raman spectra of OA，LA and ALA ：（a）532 nm，（b）785 nm，（c）DFT calculation

在圖1（a）中，將1 440 cm-1處的振動(dòng)模式的強(qiáng)度作為參考點(diǎn)對(duì)光譜進(jìn)行歸一化處理。OA，LA和ALA位于1 660 cm-1和1 440 cm-1峰強(qiáng)度的比值分別為1.1，1.8和3.1。并且，OA，LA和ALA分別有1個(gè)，2個(gè)和3個(gè)C=C雙鍵。這些結(jié)果表明1 660 cm-1和1 440 cm-1相對(duì)強(qiáng)度的比值與C=C雙鍵的個(gè)數(shù)有關(guān)。因此，相對(duì)拉曼強(qiáng)度分析可以區(qū)分不同種類(lèi)不飽和脂肪酸。

對(duì)不同品質(zhì)的食用油來(lái)說(shuō)，其主要的不同在于食用油中不飽和脂肪酸的含量。近年以來(lái)，便攜式和手持拉曼光譜儀迅速發(fā)展。使用便攜式拉曼光譜儀結(jié)合相對(duì)拉曼強(qiáng)度分析的方法，將會(huì)有助于就地區(qū)分不同種類(lèi)的食用油。圖1（b）顯示的是由Ideaoptics公司的便攜式拉曼光譜儀在785 nm激發(fā)波長(zhǎng)下測(cè)得的油酸，亞油酸和亞麻酸的拉曼光譜。在圖1（b）中，這3種不飽和脂肪酸位于1 660 cm-1和1 440 cm-1峰強(qiáng)度的比值依次為1.0，1.5和2.8。和圖1（a）中顯微共聚焦拉曼光譜儀在532 nm激發(fā)波長(zhǎng)下獲得的值相比，這些數(shù)值偏小。這些區(qū)別可能與1 660 cm-1和1 440 cm-1的振動(dòng)模式在532 nm和785 nm激發(fā)波長(zhǎng)下產(chǎn)生的共振效應(yīng)不同有關(guān)，或者是便攜式拉曼光譜儀產(chǎn)生了實(shí)驗(yàn)誤差。盡管圖1（a）和圖1（b）中相對(duì)強(qiáng)度的比值不同，兩者的結(jié)果都可以說(shuō)明分析相對(duì)拉曼強(qiáng)度可以區(qū)分不同種類(lèi)的不飽和脂肪酸。

為了更進(jìn)一步分析位于1 660 cm-1和1 440 cm-1兩處峰的相對(duì)強(qiáng)度的比值和C=C雙鍵的數(shù)目之間的關(guān)系。運(yùn)用DFT計(jì)算來(lái)研究OA，LA和ALA的振動(dòng)特性。圖1（c）顯示DFT計(jì)算所得的OA，LA和ALA在1 200 cm-1～1 750 cm-1范圍內(nèi)的拉曼光譜。

在DFT計(jì)算中，使用B3LYP泛函和6-311+G（d，p）基組對(duì)OA，LA和ALA進(jìn)行幾何優(yōu)化和頻率計(jì)算。表1展示了OA，LA和ALA的振動(dòng)模式。

表1 油酸，亞油酸和亞麻酸振動(dòng)模式的歸屬Tab.1 Assignment of vibrational modes of OA，LA，and ALA molecules cm-1

DFT計(jì)算的結(jié)果顯示OA，LA和ALA位于1 660 cm-1和1 440 cm-1處峰的相對(duì)強(qiáng)度的比值分別為1.2，1.8和3.6。計(jì)算獲得的比值與圖 1（a），圖1（b）獲得的比值相近。實(shí)驗(yàn)拉曼光譜和DFT計(jì)算光譜都顯示OA，LA和ALA位于1 660 cm-1和1 440 cm-1處峰的相對(duì)強(qiáng)度比值和C=C雙鍵的數(shù)目有關(guān)；然而其相對(duì)強(qiáng)度的比值和C=C雙鍵的數(shù)目并不是成比例的。表1中的振動(dòng)模式歸屬可得，OA，LA和ALA在1 660 cm-1處峰的振動(dòng)模式相同，然而在1 440 cm-1處的振動(dòng)模式卻不完全相同。OA，LA和ALA位于1 440 cm-1處振動(dòng)模式的差別可能是造成1 660 cm-1與1 440 cm-1處峰的相對(duì)強(qiáng)度比值與C=C雙鍵數(shù)目不成比例的主要原因。因此，1 660 cm-1和1 440 cm-1處峰的相對(duì)強(qiáng)度分析可以區(qū)分不同種類(lèi)的不飽和脂肪酸，僅有助于初步定量分析食用油。如果需要進(jìn)一步快速定量分析食用油還需要更加系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文運(yùn)用拉曼實(shí)驗(yàn)和DFT計(jì)算分析了OA，LA和ALA的特征振動(dòng)模式的相對(duì)拉曼強(qiáng)度。結(jié)果顯示OA，LA和ALA位于1 660 cm-1和1 440 cm-1處峰的相對(duì)強(qiáng)度比值隨著其C=C雙鍵的數(shù)目增加而增加，而且位于1 440 cm-1處振動(dòng)模式的差別可能是造成1 660 cm-1與1 440 cm-1處峰的相對(duì)強(qiáng)度比值與C=C雙鍵數(shù)目不成比例的主要原因，因此，1 660 cm-1和1 440 cm-1處峰的相對(duì)強(qiáng)度比值可以區(qū)分不同類(lèi)型的不飽和脂肪酸，有助于初步定量區(qū)分食用油。