莧菜紅表面增強(qiáng)拉曼光譜的密度泛函理論研究

逯美紅，賈 娟，雷海英，王志軍，張竺立，程旭麗，吳艷波

1.長治學(xué)院電子信息與物理系，山西 長治 046011 2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)理學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000 3.長治學(xué)院生物科學(xué)與技術(shù)系，山西 長治 046011 4.山西大學(xué)分子科學(xué)研究所，教育部化學(xué)生物學(xué)與分子工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030006

引 言

莧菜紅又稱為雞冠花紅、萘酚紅，屬于偶氮類磺酸型水溶性人工合成色素，可以用于食品、藥品、化妝品等的著色。而人工合成食品色素多由煤焦油、苯、萘等芳香化合物為原料制成，若過量添加會導(dǎo)致基因突變甚至致癌，威脅人類健康[1]，所以對莧菜紅的檢測顯得尤為重要。

目前，常用的檢測方法有高效液相色譜法[2]、示波極譜法[3]、光譜掃描法[4]，這些方法大都具有操作繁雜、實(shí)驗(yàn)條件苛刻、樣品制備復(fù)雜、對樣品損害性高等不利因素。因此，亟需一種操作簡單、準(zhǔn)確性很高的技術(shù)來檢測人工合成色素。拉曼光譜技術(shù)通過指認(rèn)分子的特征峰識別與鑒定分子結(jié)構(gòu)，已在化學(xué)、農(nóng)學(xué)和醫(yī)療方面得到廣泛的應(yīng)用[5-7]，但對于低濃度痕量色素檢測通常需要進(jìn)行表面增強(qiáng)，這就是表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)。莊志萍等對除草劑西瑪津表面增強(qiáng)拉曼光譜的密度泛函理論進(jìn)行了研究[8]，鄒喬等對菲分子結(jié)構(gòu)與光譜進(jìn)行了密度泛函理論研究[9]，陳玉鋒等對殺菌劑三環(huán)唑的表面增強(qiáng)拉曼光譜進(jìn)行了研究[10]，但對人工合成色素莧菜紅分子的表面增強(qiáng)拉曼光譜的實(shí)驗(yàn)和理論研究還未見報道。

從實(shí)驗(yàn)與理論兩個方面對莧菜紅分子的常規(guī)拉曼光譜與表面增強(qiáng)拉曼光譜進(jìn)行研究，通過對莧菜紅分子的前線軌道、靜電勢與極化率的計(jì)算和分析，探究該分子與Ag原子配位的合適位置。并在此基礎(chǔ)上分別對莧菜紅分子與1個Ag配位的復(fù)合物(Ag1-Amaranth)及與3個銀原子團(tuán)簇配位的復(fù)合物(Ag3-Amaranth)的表面增強(qiáng)拉曼光譜進(jìn)行研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 方法

實(shí)驗(yàn)中所用樣品購自生工生物(上海)股份有限公司，粉末狀。分子式為C20H11N2Na3O10S3，分子量為604.3。實(shí)驗(yàn)測試所用儀器為顯微共聚焦拉曼光譜儀(德國Bruker)。實(shí)驗(yàn)測試的條件為：激發(fā)波長為532 nm，激光功率為20 mW，分辨率為2～3 cm-1，在室溫下對莧菜紅粉末進(jìn)行檢測。

1.2 計(jì)算方法

采用GaussView 5.0和Gaussian09軟件[11-12]，在密度泛函理論B3LYP/6-31++G(d，p)基組水平上搭建分子結(jié)構(gòu)優(yōu)化并進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算了莧菜紅分子的前線軌道、靜電勢及極化率，探究莧菜紅分子與基底Ag原子的最佳配位位置。并且對莧菜紅分子配位1個Ag原子及3個Ag原子團(tuán)簇形成的復(fù)合物在B3LYP方法下使用6-31++G(d，p)(C，H，O，N，S，Na)基組以及Sdd(Ag)基組進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化及表面增強(qiáng)拉曼光譜的計(jì)算。

2 結(jié)果與討論

2.1 莧菜紅分子結(jié)構(gòu)優(yōu)化

基于密度泛函理論，優(yōu)化分子結(jié)構(gòu)并進(jìn)行振動頻率計(jì)算，所得振動頻率均大于0，結(jié)果無虛頻，說明優(yōu)化后的分子結(jié)構(gòu)為穩(wěn)定構(gòu)型，優(yōu)化后的最小能量為-3 312.06 eV，其優(yōu)化后的分子結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 優(yōu)化后的Amaranth分子結(jié)構(gòu)Fig.1 Optimized molecular structure of Amaranth

2.2 前線軌道計(jì)算

前線軌道即最高占據(jù)分子軌道(highest occupied molecular orbital，HOMO)和最低未占分子軌道(lowest unoccupied molecular orbital，LUMO)是量子化學(xué)的一個重要參數(shù)。HOMO軌道是能量最高的電子填充軌道，所受束縛最小，最易失去電子；LUMO軌道是能量最低的未填充電子的空軌道，易接受電子。因此前線軌道決定著分子的電子得失和轉(zhuǎn)移能力，決定著分子間反應(yīng)的取向等重要化學(xué)性質(zhì)，其能量及能級差對研究分子的化學(xué)性質(zhì)有重要意義[13]。計(jì)算結(jié)果表明，第153號分子軌道為HOMO軌道，E153=-5.972 95 eV，第154號分子軌道為LUMO軌道，E154=-3.057 23 eV，能隙ΔE=E154-E153=-2.915 72 eV，能隙很小。表明電子容易從HOMO躍遷到LUMO。為了全面進(jìn)行分析電荷密度分布情況，選擇對152軌道，153軌道，154軌道，155軌道分別計(jì)算電子云及分布見圖2。由圖2可以看出，莧菜紅分子的HOMO，LUMO及鄰近軌道上的電子云多數(shù)呈局域分布。HOMO與LUMO軌道電子云主要分布在偶氮基團(tuán)與兩側(cè)的萘環(huán)結(jié)構(gòu)上，在磺酸鈉基團(tuán)(—SO3Na)處都沒有電子云分布，電荷密度低，說明—SO3Na基團(tuán)對莧菜紅分子的拉曼光譜特性影響較小，反應(yīng)活性主要集中于莧菜紅分子偶氮基團(tuán)結(jié)構(gòu)處。

2.3 靜電勢計(jì)算

分子靜電勢是判斷分子反應(yīng)活性和識別分子的有效途徑。其不同顏色部位代表分子靜電勢定性大小，由此可以判斷分子結(jié)構(gòu)與基底或其他金屬原子的配位或吸附情況。利用Gaussian09軟件計(jì)算得到莧菜紅分子的靜電勢如圖3所示。紅色區(qū)域表示為負(fù)電荷或親電區(qū)域(電子的密集區(qū)域)，容易受到親電試劑的進(jìn)攻；藍(lán)色區(qū)域表示為正電荷或親核區(qū)域，容易受到親核試劑的進(jìn)攻。從圖中可以看出，若金屬Ag原子與莧菜紅分子配位，Ag原子應(yīng)該選擇藍(lán)色區(qū)域處—SO3Na基團(tuán)附近配位，但由于該基團(tuán)變形性小，理論上形成穩(wěn)定的包絡(luò)面不宜配位，所以，莧菜紅分子配位最佳位置是比—SO3Na基團(tuán)附近電負(fù)性稍弱的區(qū)域。莧菜紅分子的萘環(huán)結(jié)構(gòu)與偶氮基團(tuán)為一共軛體系，電子在整個體系上進(jìn)行平均化分布，從而在偶氮基團(tuán)處觀察到靜電勢為淺藍(lán)色，相對權(quán)衡之下，選擇在電子密度較大，電負(fù)性強(qiáng)且電子流動性較大的偶氮基團(tuán)處進(jìn)行配位。

圖2 莧菜紅軌道電子云分布圖Fig.2 Molecular orbital densities of Amaranth

圖3 莧菜紅分子表面靜電勢Fig.3 The surface electrostatic potential of amaranth molecular

2.4 極化率及自然鍵軌道布局分析計(jì)算

極化率及自然鍵軌道布局分析可以表征分子中的電子受約束及電荷轉(zhuǎn)移情況，也是基于電荷轉(zhuǎn)移模型表面增強(qiáng)效應(yīng)中化學(xué)增強(qiáng)的的有力證明?；谝陨锨熬€軌道、靜電勢的計(jì)算與分析，選擇莧菜紅分子中距離偶氮基團(tuán)2.33 ?附近處分別配位1個Ag原子及3個Ag原子團(tuán)簇形成復(fù)合物。分別計(jì)算其極化率及自然鍵軌道局部分析，結(jié)果分別如表1和表2所示。從表1可以清楚的看出，分子極化率三個分量αxx，αyy，αzz逐漸增加，說明電子在金屬Ag原子和莧菜紅分子之間發(fā)生了轉(zhuǎn)移，從而改變了分子極化率，發(fā)生了拉曼增強(qiáng)效應(yīng)。從表2中也可以看到，隨著莧菜紅分子配位Ag原子個數(shù)的增多，配位處N原子的電荷數(shù)由-0.060增加到-0.459，與其直接配位的Ag原子電荷數(shù)由0.013 4增加到1.842，說明該N原子的電負(fù)性增加，更易與Ag發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移而導(dǎo)致化學(xué)增強(qiáng)。

表1 莧菜紅、莧菜紅-Ag1和莧菜紅-Ag3復(fù)合物極化率Table 1 Polarizability of Amaranth,Amaranth-Ag1 and Amaranth-Ag3 compounds

表2 莧菜紅、莧菜紅-Ag1和莧菜紅-Ag3復(fù)合物N和Ag的NBO電荷分析Table 2 NBO charge analysis of Amaranth,Amaranth-Ag1 and Amaranth-Ag3 compounds

2.5 莧菜紅分子表面增強(qiáng)拉曼光譜的計(jì)算

在密度泛函理論下，對C，H，O，N，S，Na原子用基組6-31/G++(d，p)以及對Ag原子用基組Sdd進(jìn)行拉曼光譜計(jì)算，優(yōu)化后的分子結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 優(yōu)化分子結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Optimal molecular structure diagram

圖5 表面增強(qiáng)拉曼光譜對比圖Fig.5 Comparison of surface ehanced Ranman spectra(a)：Experiment result；(b)：Amaranth； (c)：Amaranth-Ag1；(d)：Amaranth-Ag3

圖5a和b分別代表莧菜紅分子的實(shí)驗(yàn)拉曼光譜圖與理論拉曼光譜圖。由圖5a可以看出，在1 232，1 348，1 467和1 511 cm-1處有明顯的拉曼特征峰，與理論拉曼的特征峰1 228，1 329，1 467和1 529 cm-1相對應(yīng)，實(shí)驗(yàn)與理論結(jié)果整體吻合較好，可以作為鑒定和識別這種物質(zhì)的拉曼特征指認(rèn)峰。圖5b，c和d分別為Amaranth，Amaranth-Ag1，Amaranth-Ag3的拉曼光譜圖?？梢钥闯?，隨著加入的配位Ag原子數(shù)目的增多，拉曼特征峰有兩種變化情況，一方面拉曼特征峰個數(shù)有增多；另一方面拉曼特征峰對應(yīng)的強(qiáng)度有加強(qiáng)。且隨著偶氮基團(tuán)處配位Ag原子的個數(shù)增多，對應(yīng)拉曼光譜的峰位強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。振動模式歸屬見表3。

表3 莧菜紅的實(shí)驗(yàn)拉曼特征峰與理論計(jì)算值及其歸屬Table 3 Experimental Raman characteristic peak and theoretical calculation value of Amaranth and its assignment

3 結(jié) 論

用顯微共聚焦拉曼光譜儀對莧菜紅(Amaranth)分子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢測，得到莧菜紅分子的實(shí)驗(yàn)拉曼光譜圖?；诿芏确汉碚?，對莧菜紅分子搭建分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，得到其穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。用Gaussian 09量子化學(xué)程序包計(jì)算莧菜紅分子的前線軌道、靜電勢及極化率，推斷出莧菜紅分子在偶氮基團(tuán)處容易發(fā)生取代。在此基礎(chǔ)上，對Ag1-Amaranth，Ag3-Amaranth所有的復(fù)合物在B3LYP方法下使用6-31++G(d，p)(C，H，O，N，S，Na)基組以及Sdd(Ag)基組進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和振動光譜的計(jì)算。結(jié)果說明，Ag原子對莧菜紅分子起到了增強(qiáng)作用。最后，將實(shí)驗(yàn)與計(jì)算所得拉曼光譜圖進(jìn)行對比并歸屬，發(fā)現(xiàn)兩者吻合效果較好，預(yù)測該理論的可靠性。該結(jié)果對莧菜紅分子和Ag增強(qiáng)基底的吸附方式，解釋表面增強(qiáng)機(jī)理具有重要意義，進(jìn)而為日后用表面增強(qiáng)拉曼光譜法檢測合成色素莧菜紅提供系統(tǒng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撘罁?jù)。