聯(lián)苯菊酯分子的拉曼光譜研究

廉 帥，陳 賓，顧一帆，宋 超，雷俊杰，高 勛*

1.長春理工大學(xué)理學(xué)院，吉林 長春 130022 2.長春理工大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，吉林 長春 130022 3.西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065

引 言

在當(dāng)代農(nóng)業(yè)中，農(nóng)藥是保證農(nóng)作物產(chǎn)量的一個必要條件。聯(lián)苯菊酯(Bifenthrin)是一種I型擬除蟲菊酯，其具觸殺，胃毒作用[1]，無內(nèi)吸，熏蒸作用，殺蟲譜廣[2]，作用迅速等特性，同時具有相對良好的光穩(wěn)定性，對哺乳動物或者鳥類等非目標(biāo)生物毒性較小[3]，且容易降解等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用于防治棉鈴蟲、桃小食心蟲、梨小食心蟲、茶尺蠖、茶毛蟲等經(jīng)濟作物蟲害。但是，在農(nóng)作物生長過程中使用的聯(lián)苯菊酯農(nóng)藥的殘留物，對蜜蜂[4]、家蠶等有益昆蟲和水生生物有致死毒性[3]，增加了對人類和生物的健康風(fēng)險。越來越多的報道表明聯(lián)苯菊酯對哺乳動物和人類具有潛在的內(nèi)分泌干擾作用[5]，免疫毒性，而且能夠殘留于肝臟等多種器官中。相關(guān)的研究表明，聯(lián)苯菊酯具有和其他擬除蟲菊酯類似的細胞毒性，神經(jīng)行為損傷能力[3]和雌激素效應(yīng)[6]。

常見的聯(lián)苯菊酯提取檢測方法有：氣相色譜法[7]、串聯(lián)質(zhì)譜法[8]，液相色譜法[9]等化學(xué)方法，這些化學(xué)檢測方法需要相對專業(yè)的技術(shù)人員和相當(dāng)復(fù)雜的樣品處理過程，存在工序復(fù)雜、費時費力和不能原位檢測等問題。因此，需要一種快速、操作便捷、工序簡單、檢測精確的檢測技術(shù)，進而對聯(lián)苯菊酯的農(nóng)藥殘留進行定性和定量檢測。拉曼光譜技術(shù)具有操作簡便，預(yù)處理較少，譜峰尖銳清晰，可以較為精確地定性定量地對分子物質(zhì)進行表征[10]，被廣泛應(yīng)用于多種農(nóng)藥殘留檢測。密度泛函(density functional theory,DFT)理論方法是一種量子化學(xué)計算方法，主要用于理論預(yù)測分子的拉曼光譜[11]。利用密度泛函方法和拉曼光譜來研究分子性質(zhì)是當(dāng)前最有效的物質(zhì)研究手段。María V Castillo采用了密度泛函的6-31G*，6-311++**基組，結(jié)合實驗光譜和B3LYP,WB97X計算，研究了狄試劑在氣相和水溶液中的結(jié)構(gòu)和振動特性[12]；Dong等采用了密度泛函理論對溴氰菊酯的分子結(jié)構(gòu)進行了理論分析，采用了金納米粒子和銀納米粒子作增強試劑獲得了草莓中殘留的的溴氰菊酯拉曼信號[13]；Abdulmujeeb T Onawole等利用密度泛函的B3LYP/6-311++G(d,p)基組計算了克霉唑的拉曼光譜并和用載銀石墨烯作增強基底獲得的表面增強拉曼光譜對比[14]；Han等測得了甲硝唑和羅硝唑的表面增強拉曼光譜，并與使用密度泛函理論的計算光譜進行了比較[15]。因此，拉曼光譜技術(shù)可用來有效地檢測植物表面殘留的聯(lián)苯菊酯。由于聯(lián)苯菊酯農(nóng)藥殘留是近年來關(guān)注的問題，基于拉曼光譜技術(shù)對聯(lián)苯菊酯的農(nóng)藥殘留檢測相關(guān)研究報道較少。

本論文結(jié)合以密度泛函和實驗的方法開展聯(lián)苯菊酯的拉曼光譜特性研究。使用Gaussian09軟件中的GaussView5.0軟件構(gòu)建聯(lián)苯菊酯的分子結(jié)構(gòu)，應(yīng)用B3LYP/6-31G密度泛函基組，對聯(lián)苯菊酯的分子空間結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化并計算了理論拉曼光譜，基于785 nm激光誘導(dǎo)獲得聯(lián)苯菊酯的實驗拉曼光譜，對比分析理論計算和實驗得到的拉曼光譜，對聯(lián)苯菊酯分子振動模式進行了歸屬分析。研究結(jié)果將為農(nóng)作物表面殘留的聯(lián)苯菊酯檢測快速分析提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1 實驗部分

聯(lián)苯菊酯拉曼檢測裝置如圖1所示，拉曼激發(fā)光源采用波長為785 nm、輸出功率為200 mW的半導(dǎo)體激光器(FC-D-785，長春新產(chǎn)業(yè)光電技術(shù)有限公司)，經(jīng)帶有準(zhǔn)直、擴束(擴束倍率×5)和透鏡(焦距7.5 mm)聚焦作用的光纖聚焦到聯(lián)苯菊酯固體樣品表面，產(chǎn)生的自發(fā)拉曼光譜由拉曼探頭(RPB-785-1.5-SS,上海如海光電科技有限公司)收集，瑞利散射光由濾光片(785 nm)濾除，耦合到配有CCD探測器的拉曼光譜儀(GE-Raman 785～1 100 nm，長春新產(chǎn)業(yè)光電技術(shù)有限公司)中進行光譜探測，拉曼光譜測量范圍為100～3 700 cm-1，光譜分辨率為3.6 cm-1，光斑直徑為2 μm。實驗中為了提高拉曼光譜強度和光譜穩(wěn)定，CCD曝光時間為4 s，激光功率穩(wěn)定度<1%。實驗用的聯(lián)苯菊酯為純度99%的分析純標(biāo)準(zhǔn)品(上海阿拉丁生化科技股份有限公司)，當(dāng)光譜測量結(jié)束后，移動聯(lián)苯菊酯固體樣品，選樣品的不同部位進行多次測量，以避免長時間的激光照射樣品導(dǎo)致聯(lián)苯菊酯產(chǎn)生光解作用。將多次測得的拉曼光譜進行平均，減小光譜數(shù)據(jù)誤差。實驗在室溫環(huán)境20 ℃，相對濕度40%和一個大氣壓環(huán)境下開展。

圖1 實驗裝置圖Fig.1 Schematic diagram of the experiment

2 結(jié)果與討論

2.1 聯(lián)苯菊酯分子的幾何結(jié)構(gòu)

圖2 聯(lián)苯菊酯結(jié)構(gòu)式Fig.2 Chemical structural formula of Bifenthrin

圖3 優(yōu)化的聯(lián)苯菊酯空間結(jié)構(gòu)Fig.3 Optimized structure of Bifenthrin

2.2 聯(lián)苯菊酯拉曼光譜振動分析

基于密度泛函理論計算的聯(lián)苯菊酯的拉曼光譜如圖4所示(強度歸一化處理)，聯(lián)苯菊酯分子拉曼活性較強，主要集中500～1 500 cm-1頻移范圍。聯(lián)苯菊酯分子振動模式較多，拉曼峰位復(fù)雜。

理論計算聯(lián)苯菊酯分子在820,1 118,1 291,1 354和1 410 cm-1頻移處有較強的拉曼活性，但在頻移1 354 cm-1處拉曼活性最強。在820 cm-1處的振動由1C,2C,3C的伸縮振動及—CH3基團(18C及35H,36H,37H組成)的變形振動產(chǎn)生；1 118 cm-1處的振動由—C—O—C—(7C,10O,14C組成)基團的伸縮振動及30H，31H的扭式振動引起；1 291 cm-1處的振動比較強烈，由30H,31H的剪式振動、5C,6C,1C,18C的伸縮振動以及1C上的—CH3基團(19C及38H,39H,40H組成)的變形振動共同產(chǎn)生；拉曼活性最強的峰1 354 cm-1是由苯環(huán)及苯環(huán)間的—C—C—鍵(9C,13C構(gòu)成)的伸縮振動、苯環(huán)上的41H,47H,49H的面內(nèi)搖擺振動的產(chǎn)生；1 410 cm-1處則是由14C上的33H和34H的面外搖擺振動產(chǎn)生的；其他拉曼譜峰的歸屬見表1所示。

圖4 聯(lián)苯菊酯理論計算光譜Fig.4 Bifenthrin theoretical calculation spectrum

表1 聯(lián)苯菊酯理論計算和固體粉末振動頻率的對比與歸屬Table 1 Comparison of the theoretical and solid vibration frequencies of Bifenthrin and its assignment

注：ξ伸縮振動；ω變形振動；γ面外搖擺振動；μ面內(nèi)搖擺振動；δ剪式振動；θ扭式振動；w:弱；m:中；s:強；BR:苯環(huán)

實驗采用785 nm連續(xù)激光輻照聯(lián)苯菊酯固體得到的拉曼光譜如圖5所示。

圖5 聯(lián)苯菊酯實驗光譜Fig.5 Bifenthrin experimental spectrum

實驗結(jié)果表明聯(lián)苯菊酯分子的實驗光譜和理論計算光譜存在著微小的頻移差，這是由于理論計算光譜是針對氣態(tài)單分子，而實驗測得光譜是針對固相而進行的。固相條件粉末相比氣態(tài)單分子多了復(fù)雜的分子間相互作用和基團之間的作用。計算值和實驗值之間的不一致可能是量子化學(xué)方法存在精確平衡幾何條件下高估力常熟的不協(xié)調(diào)和普遍趨勢導(dǎo)致的。另外，在實驗光譜采集過程中，儀器產(chǎn)生的噪聲和處理實驗光譜的過程也會對光譜偏移產(chǎn)生一定程度的影響。

對比理論計算和實驗測量的聯(lián)苯菊酯分子拉曼光譜(如圖4和圖5所示)，發(fā)現(xiàn)二者具有較好的匹配性，實驗和理論上的拉曼光譜在頻移上相差較小。頻移為659，948,993和1 292 cm-1處拉曼峰形清晰，強度相對較高。因此可以將這幾處頻移的拉曼峰作為聯(lián)苯菊酯定性定量分析的依據(jù)。

3 結(jié) 論

運用Gauss View5.0軟件構(gòu)造出聯(lián)苯菊酯分子初步空間構(gòu)型，應(yīng)用密度泛函(DFT)方法B3LYP/6-31G基組，在Gaussian09軟件中優(yōu)化聯(lián)苯菊酯分子的空間結(jié)構(gòu)并計算了其理論拉曼光譜。通過和聯(lián)苯菊酯農(nóng)藥分子的實驗所測得的拉曼光譜進行比較，發(fā)現(xiàn)具有較好的匹配性。并以此為基礎(chǔ)，對500～1 500 cm-1區(qū)間內(nèi)的拉曼光譜進行了全面的歸屬，比較了聯(lián)苯菊酯農(nóng)藥分子的理論和實驗所測得的拉曼光譜。找到了聯(lián)苯菊酯分子的特征峰，并分析了理論和實驗光譜中存在微小差異的原因。