次黃嘌呤和別嘌醇的太赫茲光譜弱相互作用研究

張琴　陳濤

摘 要 應(yīng)用太赫茲時(shí)域光譜（THz-TDS）技術(shù)測(cè)量了次黃嘌呤（HPX）和別嘌醇（ALP）兩種同分異構(gòu)體在室溫條件下0.1～2.0 THz范圍的THz吸收光譜。同時(shí)，為進(jìn)一步分析樣品在THz波段的低頻振動(dòng)模式和弱相互作用類型，借助密度泛函理論（DFT）對(duì)兩者結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何優(yōu)化，應(yīng)用勢(shì)能分布（PED）分析對(duì)分子基團(tuán)的振動(dòng)模式進(jìn)行歸屬，并應(yīng)用基于分子力場(chǎng)的能量分解分析（EDA-FF）方法對(duì)光譜色散特性進(jìn)行定性分析。PED分析結(jié)果表明，HPX團(tuán)簇的振動(dòng)方式均為二面角扭轉(zhuǎn)，ALP團(tuán)簇則為鍵角彎曲和二面角扭轉(zhuǎn)兩種振動(dòng)方式。EDA-FF數(shù)據(jù)和原子著色圖表明，兩者弱相互作用類型都是以靜電相互作用為主、色散力為輔，ALP體系內(nèi)氫鍵成鍵數(shù)目為HPX體系的兩倍，并且色散作用都集中體現(xiàn)在與氫鍵直接作用的供體與受體原子上。研究結(jié)果表明，DFT與PED、EDA-FF分析方法相結(jié)合為結(jié)構(gòu)相似的生物分子和分子間非鍵相互作用的深入研究提供了有價(jià)值的參考。

關(guān)鍵詞 次黃嘌呤; 別嘌醇; 太赫茲時(shí)域光譜; 弱相互作用; 基于分子力場(chǎng)的能量分解分析

1 引 言

次黃嘌呤（Hypoxanthine， HPX， C5H4N4O）是肌苷的底物，同時(shí)也是核酸代謝的重要產(chǎn)物和重要的藥物及藥物中間體。別嘌醇（Apllopurinol， ALP， C5H4N4O）是HPX的同分異構(gòu)體，自1966年ALP用于臨床治療以來(lái)，ALP一直是治療各類痛風(fēng)的首選藥品，隨后又發(fā)現(xiàn)了其新的應(yīng)用領(lǐng)域。例如，某些腫瘤如淋巴瘤會(huì)導(dǎo)致高尿酸血癥，因此ALP可用于治療腫瘤溶解綜合征[1，2]， 并且其對(duì)預(yù)防由抗癌藥引起的口腔炎和肌肉炎有益[3，4]; 初步結(jié)果表明，ALP也可以輔助治療阿爾茨海默氏病[5]、躁郁癥[6]和精神分裂癥[7]。由于HPX和ALP獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)和良好的應(yīng)用前景，對(duì)二者的研究一直是相關(guān)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。Hernández等[8]采用半經(jīng)驗(yàn)量子力學(xué)、從頭算量子力學(xué)和密度泛函理論（Density functional theory， DFT）研究了中性HPX和ALP在氣相中的互變異構(gòu)平衡和水溶液中的互變異構(gòu)性。通過(guò)對(duì)最穩(wěn)定的互變異構(gòu)形式的檢驗(yàn)，可以討論互變異構(gòu)對(duì)這些分子與黃嘌呤氧化酶識(shí)別與結(jié)合的功能意義。Ramaekers等[9]采用矩陣分離傅里葉變換紅外光譜（Fourier transform infrared spectrometer， FTIR）技術(shù)、DFT和從頭算方法研究了HPX化合物， 對(duì)比了RHF和DFT/B3LYP兩種理論方法對(duì)振動(dòng)頻率的預(yù)測(cè)情況，并用MP2//DFT等4種方法預(yù)測(cè)互變異構(gòu)體的相對(duì)能量和其與水的氫鍵配合物的相互作用能。Paragid等[10]采用從頭算方法確定HPX對(duì)天然DNA堿基對(duì)的氫鍵偏好選擇，并將選擇性順序與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，其中，用DFT（Becke）計(jì)算出的幾何結(jié)構(gòu)最接近實(shí)驗(yàn)值，并且不需要太多的計(jì)算資源。Fernández-Quejo等[11]采用DFT-B3LYP雜化泛函和6-311++G（d，p）等4種基組，對(duì)溶液中次黃嘌呤兩種主要的互變異構(gòu)體HX/N7H和HX/N9H進(jìn)行了振動(dòng)分析。振動(dòng)光譜為兩種異構(gòu)體在水溶液中共存的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象提供了理論依據(jù)，HX-d2光譜在1537 cm1處的IR吸收是由HX/N7H引起的，而HX溶液在1580 cm1處的Raman峰大致是由HX/N9H的振動(dòng)引起的。Subbiah等[12]通過(guò)FTIR和FT-Raman光譜研究了室溫下多晶樣品HPX的分子振動(dòng)。利用標(biāo)準(zhǔn)B3LYP/6-311+G**方法和基集組合，在全結(jié)構(gòu)優(yōu)化和基于DFT的力場(chǎng)計(jì)算之后，利用正則坐標(biāo)分析解析光譜。Latosińska等[13]用1H-14N NMR-NQR雙共振技術(shù)對(duì)HPX、ALP等進(jìn)行了固態(tài)實(shí)驗(yàn)研究，用原子量子理論和DFT解釋了在室溫條件下測(cè)量的12個(gè)14N共振頻率， 并鑒定了每種化合物中兩類氮位N和NH。

雖然近年來(lái)研究人員借助紅外光譜等技術(shù)和理論計(jì)算對(duì)HPX和ALP的互變異構(gòu)現(xiàn)象和光譜現(xiàn)象開展了相關(guān)的理論與實(shí)驗(yàn)研究，并取得了一些成果， 但是，利用太赫茲時(shí)域光譜（Terahertz time-domain spectroscopy， THz-TDS）技術(shù)結(jié)合DFT等理論研究方法，對(duì)HPX和ALP的分子間相互作用（尤其是弱相互作用）的研究卻鮮有報(bào)道。本研究應(yīng)用THz-TDS技術(shù)測(cè)量了HPX和ALP樣品的THz吸收光譜，并重點(diǎn)考察了HPX和ALP在THz波段的光譜吸收特性和色散特性。應(yīng)用可在電子結(jié)構(gòu)水平上準(zhǔn)確研究分子間弱相互作用的DFT和可獲得每種基團(tuán)特征振動(dòng)模式產(chǎn)生的貢獻(xiàn)的勢(shì)能分布（Potential energy distribution， PED）分析預(yù)測(cè)和解釋THz實(shí)驗(yàn)光譜的吸收特性; 應(yīng)用新穎靈活的基于分子力場(chǎng)的能量分解分析（Energy decomposition analysis based on forcefield， EDA-FF）定性可視化分析兩種物質(zhì)的弱相互作用成分。本研究從不同角度對(duì)HPX和ALP進(jìn)行研究，為指導(dǎo)新藥的設(shè)計(jì)與合成，以及疾病的治療和新功能材料的設(shè)計(jì)提供了參考。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

Z-3THz-TDS系統(tǒng)（美國(guó)Zomega公司），由超快飛秒光纖激光器、THz輻射產(chǎn)生裝置、THz輻射探測(cè)裝置和時(shí)間延遲控制系統(tǒng)四部分組成，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理詳見文獻(xiàn)[14]。此系統(tǒng)信噪比>70 dB，頻譜分辨率>5 GHz。在室溫環(huán)境進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，需將密閉的THz光路充入干燥空氣，使?jié)穸?2%，以降低水分對(duì)THz波吸收的影響。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1 樣品制備 HPX和ALP（白色粉末，純度99%， Sigma-Aldrich公司），使用前未進(jìn)行進(jìn)一步純化處理。將樣品置于YB-1A真空恒溫干燥箱（天津盛達(dá)三合光學(xué)儀器有限公司）中干燥2 h， 去除水分。以3：1的質(zhì)量比稱取樣品與聚乙烯粉末于研缽中，研磨混勻。在實(shí)驗(yàn)樣品中添加聚乙烯，可使壓片凝結(jié)得更牢固，并且聚乙烯在THz頻段不產(chǎn)生吸收，不會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響[15]。FW-4壓片機(jī)（天津天光光學(xué)儀器有限公司）的壓力調(diào)節(jié)為12 MPa左右，將每種樣品研磨的混合物壓制成直徑13 mm、厚度1.2 mm的均勻薄片各3個(gè)。

2.2.2 數(shù)據(jù)處理 應(yīng)用THz-TDS系統(tǒng)直接測(cè)得參考信號(hào)和樣品信號(hào)的THz時(shí)域波形，經(jīng)快速傅里葉變換后，獲得其對(duì)應(yīng)的頻域譜; 根據(jù)文獻(xiàn)[16，17]提出的Fresnel公式，提取頻域譜中的吸收系數(shù)等光學(xué)參數(shù)，樣品的吸光度可由公式（1）獲得：

式中， ω是角頻率， Es（ω）是樣本信號(hào)的THz振幅，Εr（ω）是參考信號(hào)的THz振幅。最后，將吸光度數(shù)據(jù)從Matlab中導(dǎo)出制圖，得到樣品的THz吸收光譜。

3 理論計(jì)算和分析方法

3.1 密度泛函理論

HPX和ALP的構(gòu)型搜索結(jié)果，均來(lái)自于英國(guó)劍橋大學(xué)的晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)（The Cambridge Crystallographic Data Centre， CCDC）[18]。為了構(gòu)造與物質(zhì)晶體環(huán)境相符合的模型，并且適當(dāng)描述分子間的相互作用，本研究依據(jù)Wright等[19]提出的模型，選取了單個(gè)分子由鄰近6個(gè)分子圍繞的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)，分子文件均取自于已知的HPX和ALP晶體結(jié)構(gòu)[20，21]。需要說(shuō)明的是，這里使用團(tuán)簇結(jié)構(gòu)，而不是直接選用晶胞分析，主要是考慮到當(dāng)前是對(duì)孤立體系進(jìn)行模擬計(jì)算，如果僅用單個(gè)晶胞進(jìn)行模擬，當(dāng)分析某個(gè)分子與周圍分子的相互作用能時(shí)，很可能該分子未被其它分子包圍，造成與實(shí)際晶體環(huán)境不符。選定構(gòu)型后，再結(jié)合適當(dāng)?shù)睦碚撚?jì)算方法對(duì)HPX和ALP團(tuán)簇進(jìn)行光譜模擬，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論模擬的吻合程度判斷并分析THz光譜的吸收特性。本研究選用對(duì)靜電相互作用和交換互斥作用可定性描述的DFT方法，在雜化泛函B3LYP/6-311G**級(jí)別下，添加Grimme等[22]提出的D3色散矯正，以合理描述色散作用，對(duì)HPX和ALP體系進(jìn)行幾何構(gòu)型優(yōu)化，以尋找勢(shì)能面上的能量最低點(diǎn)。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，對(duì)穩(wěn)定的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行頻率計(jì)算，并乘上基頻校正因子以消除系統(tǒng)誤差，結(jié)果無(wú)虛頻，最后將光譜數(shù)據(jù)導(dǎo)出，在Origin軟件中繪制出理論光譜圖。

3.2 基于分子力場(chǎng)的能量分解分析

能量分解分析（EDA）是研究弱相互作用的重要方法，EDA可將片段間總相互作用能分解為多種有實(shí)際物理意義的成分，以便進(jìn)一步考察體系內(nèi)弱相互作用的本質(zhì)。EDA-FF[23]相比于Morokuma、SAPT等其它主流基于波函數(shù)的能量分解方法，可以更靈活、便捷地考察分子內(nèi)相互作用，并能通過(guò)VMD原子著色將弱相互作用的類型可視化。該方法的分子力場(chǎng)基本原理是根據(jù)靜電作用和范德華作用（包括有排斥作用的交換互斥項(xiàng)和有吸引作用的色散項(xiàng)）定義，表達(dá)式如下：

其中，A和B為原子標(biāo)號(hào)， r為原子間距離， q為原子電荷， ε為范德華作用勢(shì)阱深度， R0為原子間非鍵距離，ε和R0是在分子力場(chǎng)內(nèi)根據(jù)原子所處化學(xué)環(huán)境的類型定義的。靜電作用僅通過(guò)原子電荷體現(xiàn)，當(dāng)r=R0時(shí)，原子間范德華作用等于勢(shì)阱深度。本研究利用Multiwfn支持的Amber力場(chǎng)，原子間范德華作用由各原子的范德華參數(shù)通過(guò)一定的規(guī)則計(jì)算得出，對(duì)每個(gè)原子定義非鍵半徑參數(shù)R*， 原子間的非鍵距離R0也可由相應(yīng)原子的非鍵半徑加和得到，具體計(jì)算公式如下：

4 結(jié)果與討論

4.1 實(shí)驗(yàn)與理論模擬結(jié)果分析

傅里葉變換紅外光譜技術(shù)和拉曼光譜技術(shù)可提供分子骨架的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)信息，X射線衍射技術(shù)能探測(cè)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)信息，而THz-TDS技術(shù)可將以上三者的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，有效地對(duì)樣品組成的細(xì)微變化做出分析和鑒別，并準(zhǔn)確捕捉THz低頻段分子基團(tuán)內(nèi)在的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)信息。圖1為HPX在THz頻段的實(shí)驗(yàn)光譜和理論模擬光譜圖。由圖1可見，理論模擬光譜的吸收峰出現(xiàn)在0.96、1.45和1.77 THz處，分別對(duì)應(yīng)于THz-TDS實(shí)驗(yàn)吸收峰1.00、1.50和1.79 THz。圖2為ALP的THz實(shí)驗(yàn)光譜與理論模擬光譜圖。由圖2可見，理論模擬光譜的吸收峰出現(xiàn)在0.75、1.01、1.38和1.78 THz處，依次對(duì)應(yīng)THz-TDS實(shí)驗(yàn)吸收峰0.71、1.06、1.42和1.77 THz，其中，

0.71 THz處的吸收峰與文獻(xiàn)[24，25]報(bào)道的一致。對(duì)比HPX和ALP的THz-TDS譜線可知，雖然兩者互為同分異構(gòu)體，但均具有各自特定的特征吸收峰，并且特征吸收峰的數(shù)目和整體走向大致相同。 同時(shí)， 圖1和圖2的理論計(jì)算吸收峰與 THz-TDS吸收峰之

間都存在偏移， 這是由于理論計(jì)算條件為0 K，而實(shí)驗(yàn)測(cè)量條件為室溫（298 K）。另外，在HPX和ALP的THz-TDS光譜曲線中，有一些峰在理論模擬光譜中并未出現(xiàn)，這可能是由于理論計(jì)算是采用團(tuán)簇結(jié)構(gòu)模擬復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)環(huán)境，并且這兩種物質(zhì)均為有機(jī)物，分子間的相互作用對(duì)THz-TDS光譜曲線的吸收現(xiàn)象也產(chǎn)生了影響?？傊?，理論模擬計(jì)算的吸收峰都能與實(shí)驗(yàn)吸收峰吻合，表明本研究所選用的理論模型、基組和方法，可在當(dāng)前的條件下很好地預(yù)測(cè)HPX和ALP的吸收特性。

4.2 簡(jiǎn)正振動(dòng)分析

物質(zhì)基團(tuán)頻率和特征吸收峰的紅外光譜是其分子結(jié)構(gòu)的反映，譜圖中的吸收峰與分子中各基團(tuán)的振動(dòng)形式對(duì)應(yīng)。當(dāng)提交計(jì)算任務(wù)時(shí)，在Gaussian關(guān)鍵詞中添加freq=intmodes。其次，借助GaussView軟件對(duì)理論模擬結(jié)果的振動(dòng)模式進(jìn)行驗(yàn)證，分別截取了各吸收峰的分子簇集體振動(dòng)模式（圖3和圖4）。為了更加完整地分析這些振動(dòng)模式的屬性，選擇了可便捷地進(jìn)行定性分析的振動(dòng)分析軟件PED，并將其與freq=intmodes結(jié)果進(jìn)行綜合，得出各吸收峰振動(dòng)模式的歸屬結(jié)果，如表1所示。

由表1和圖3可知，HPX團(tuán)簇在0.96 THz處的振動(dòng)模式表現(xiàn)為C76H19N86C94所在分子的二面角扭轉(zhuǎn); 1.45 THz處表現(xiàn)為H96O36C26C34所在分子的二面角扭轉(zhuǎn); 1.77 THz處表現(xiàn)為H43N49C45N47所在分子的二面角扭轉(zhuǎn)。HPX團(tuán)簇的振動(dòng)方式均為二面扭轉(zhuǎn)，這與團(tuán)簇優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)近似為平面密切相關(guān)。由表1和圖4可知，ALP團(tuán)簇在0.75 THz處的振動(dòng)模式為N40H67N61所在平面的鍵角彎曲，以及N48N50H56N71和C72N71H56N50所在平面的二面角扭轉(zhuǎn); 1.01 THz處的振動(dòng)模式為H47N48N50C55分子和H79N85N87C90所在平面的二面角扭轉(zhuǎn); 1.38 THz處的振動(dòng)模式為N4H9N15所在分子、N17H21N38所在分子和H21N38C43所在分子的平面鍵角彎曲; 1.77 THz處的振動(dòng)模式為N4H9N15N17分子和C2N4H9N15分子所在平面的二面角扭轉(zhuǎn)。

4.3 弱相互作用分析與可視化

THz頻段包含了豐富的光譜信息，尤其是有機(jī)分子，由于其轉(zhuǎn)動(dòng)和分子集體振動(dòng)的躍遷，在這一頻段表現(xiàn)出強(qiáng)烈的吸收和色散特性。盡管以上用PED分析方法對(duì)HPX和ALP的THz光譜吸收特性、分子官能團(tuán)的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)模式進(jìn)行了分析，但要完整理解THz光譜信息，還須進(jìn)一步鑒別體系內(nèi)的弱相互作用成分。NCIpolt[26]程序在研究非共價(jià)相互作用（包含弱相互作用）方面取得了巨大成功，但其使用不便， 速度慢， 功能弱。因此，本研究選用便捷靈活、功能強(qiáng)大的波函數(shù)分析軟件Multiwfn[27]， 結(jié)合極具潛在應(yīng)用價(jià)值的EDA-FF方法，對(duì)HPX和ALP的分子間弱相互作用進(jìn)行分析。EDA-FF方法能夠?qū)Ⅲw系內(nèi)的弱相互作用分解為色散、靜電和交換互斥作用，并以數(shù)據(jù)定性呈現(xiàn)其比例，再結(jié)合VMD軟件，可將這些相互作用類型的本質(zhì)以原子著色的方式展現(xiàn)各片段間的氫鍵和色散相互作用。

由EDA-FF分析結(jié)果（表2）可知，靜電相互作用對(duì)HPX團(tuán)簇的總結(jié)合能具有重要貢獻(xiàn)，色散作用僅有少部分貢獻(xiàn)，而交換互斥在數(shù)值上抵消了部分靜電相互作用和色散作用。將結(jié)果數(shù)據(jù)導(dǎo)入VMD中，根據(jù)電荷屬性及藍(lán)-白-紅（BWR）色彩變化方式著色，在氫鍵判據(jù)的范圍內(nèi)，繪制原子著色圖（圖5）。此著色方式表示原子電荷從最小值增加到最大值，因此顏色越藍(lán)的原子具有越強(qiáng)的吸引力（其對(duì)總的結(jié)合能貢獻(xiàn)值越負(fù)）; 反之，越紅的原子則有越顯著的排斥作用，白色原子基本沒有貢獻(xiàn)。表2的數(shù)據(jù)表明，HPX是以靜電作用為主導(dǎo)的弱相互作用體系，這歸因于HPX體系內(nèi)，氫鍵受體原子和與之作用的氫原子間形成了8對(duì)氫鍵，依次為：Frag 3的O37和Frag 4的H50、Frag 3的H41和Frag 4的O43、Frag 1的O13和Frag 2的H22、Frag 1的H14和Frag 2的O15、Frag 3的H39和Frag 5的O57、Frag 5的H69和Frag 6的N71、Frag 1的N6和Frag 6的H78、Frag 2的H27和Frag 3的N29。其中，兩對(duì)靜電高達(dá)70 kJ/mol的片段形成了兩對(duì)氫鍵，分別為Frag 3和Frag 4，以及Frag 1和Frag 2。每條氫鍵的受體原子和與之作用的氫原子都是藍(lán)色，表明其對(duì)結(jié)合的穩(wěn)定性貢獻(xiàn)極大。氫鍵供體原子顏色是紅色，表明其不利于結(jié)合，這是因?yàn)闅滏I同時(shí)給供體原子和受體原子較大的相同符號(hào)的電荷，所以它們之間仍然存在明顯的靜電互斥作用。

表2的數(shù)據(jù)也表明，HPX體系總的色散作用在每個(gè)片段上的分布比較均衡。將色散數(shù)據(jù)導(dǎo)入VMD對(duì)原子進(jìn)行著色，結(jié)果如圖6所示。圖6中， 顏色越藍(lán)的原子，表示對(duì)片段間色散的吸引力越大，其中氫鍵供體原子和受體原子都是藍(lán)色，如Frag 1的O13，F(xiàn)rag 2的O15、N20和N23，F(xiàn)rag 3的N34、N29和O37，F(xiàn)rag 4的O43，F(xiàn)rag 5的O57、N67和N59，F(xiàn)rag 6的N74和N71，F(xiàn)rag 7的N86等。色散貢獻(xiàn)主要體現(xiàn)在氧原子和氮原子上，這是因?yàn)樾纬擅繉?duì)氫鍵的供體和受體原子之間的距離相近，并且所帶電子數(shù)也相似。

有ALP的EDA-FF結(jié)果（表3）可知，此團(tuán)簇的弱相互作用也是以靜電主導(dǎo)，ALP團(tuán)簇內(nèi)氫鍵受體和與之作用的氫原子之間形成了16對(duì)氫鍵，如圖7所示，依次為：Frag 1的H8和Frag 2的N15、Frag 1的O13和Frag 3的H35、Frag 1的O13和Frag 5的H61、Frag 1的H14和Frag 5的O67、Frag 2的N23和Frag 3的H39、Frag 2的H21和Frag 3的N29、Frag 2的H28和Frag 4的O48、Frag 3的N38和Frag 4的H43、Frag 3的H40和Frag 5的N57、Frag 3的O42和Frag 6的H75、Frag 3的H41和Frag 7的O95、Frag 3的O42和Frag 7的H89、Frag 4的H50和Frag 7的O95、Frag 5的N65和Frag 6的H82、Frag 5的H63和Frag 6的N71、Frag 6的H79和Frag 7的N85。其中Frag 1和Frag 5、Frag 2和Frag 3、Frag 5和Frag 6、Frag 3和Frag 7之間也形成了兩對(duì)氫鍵。對(duì)比HPX的EDA-FF結(jié)論也知，HPX和ALP互為同分異構(gòu)體，由于分子結(jié)構(gòu)方面存在細(xì)微差別，導(dǎo)致幾何優(yōu)化后團(tuán)簇的穩(wěn)定構(gòu)象和各體系內(nèi)氫鍵的成鍵也有很大的差異。

表3的數(shù)據(jù)表明，ALP體系總的色散作用在每個(gè)片段上基本都有體現(xiàn)，如圖8中顏色最藍(lán)的原子：Frag 1的O13，F(xiàn)rag 2的N15、N17和N23，F(xiàn)rag 3的N29、N33、N38和O42，F(xiàn)rag 5的N57和N59，F(xiàn)rag 7的N85和O95等。由于氫原子所帶的電子數(shù)很少，并且電負(fù)性小，在實(shí)際分子結(jié)構(gòu)中容易失電子，所以產(chǎn)生的色散作用很小。將HPX和ALP體系內(nèi)的色散作用對(duì)比可知，在相同的約束條件下，對(duì)色散作用起主要貢獻(xiàn)的都體現(xiàn)在氫鍵的供體原子和受體原子上。

5 結(jié) 論

采用THz-TDS技術(shù)測(cè)量了HPX和ALP在室溫環(huán)境下0.1～2.0 THz范圍的THz吸收光譜，同時(shí)，應(yīng)用DFT方法對(duì)THz實(shí)驗(yàn)光譜進(jìn)行了理論模擬，并應(yīng)用PED分析方法和EDA-FF方法分析了THz光譜的吸收特性和色散特性。理論模擬光譜能夠較好地預(yù)測(cè)THz實(shí)驗(yàn)光譜中各吸收峰。分析結(jié)果表明，HPX團(tuán)簇的振動(dòng)方式均為二面角扭轉(zhuǎn)， 而ALP體系則分為鍵角彎曲和二面角扭轉(zhuǎn)兩種振動(dòng)方式。EDA-FF數(shù)據(jù)表明，靜電相互作用為HPX和ALP體系的結(jié)合能提供了最主要的貢獻(xiàn)，ALP較HPX體系各分子間的距離更近，因此形成了更多的氫鍵，但兩者主導(dǎo)色散的原子類型相一致。研究結(jié)果表明，THz-TDS技術(shù)結(jié)合上述3種分析方法為研究結(jié)構(gòu)相似的生物分子和分子間弱相互作用提供了一種有效的分析方法。

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Study on Weak Interaction of Terahertz Spectra for

Crystalline Hypoxanthine and Allopurinol

ZHANG Qin， CHEN Tao*

（School of Electronic Engineering and Automation， Guilin University of Electronic Technology，

Guangxi Key Laboratory of Automatic Detecting Technology and Instruments， Guilin 541004， China）

Abstract The terahertz （THz） spectra of hypoxanthine and allopurinol samples were measured by THz time-domain spectroscopy （THz-TDS） in the range of 0.1-2 THz at room temperature. The geometry structures of these two samples were optimized using density functional theory （DFT）. The low frequency vibrations of molecular group for these two samples were assigned using the potential energy distribution （PED） analysis. The spectral dispersion characteristics of samples were qualitatively analyzed by the energy decomposition analysis based on molecular forcefield （EDA-FF） method. PED analysis results showed that the vibration modes of the hypoxanthine cluster were all dihedral angle torsion， while allopurinol cluster were bond angle bending and dihedral angle torsion. EDA-FF data and atomic coloring diagrams indicated that the weak interaction types of the two clusters were dominated by electrostatic， while the amount of hydrogen bonds in allopurinol system were double compared with hypoxanthine， and the dispersion was mainly reflected on the donor and acceptor atoms that directly interacted with hydrogen bonds. The combination of DFT， PED and EDA-FF methods provided a valuable reference for the further study of intermolecular non-bonded interaction and biomolecules with structural similarities.

Keywords Hypoxanthine; Allopurinol; Terahertz time-domain spectroscopy; Weak interaction; Energy decomposition analysis based on forcefield

（Received 12 December 2019; accepted 19 May 2020）

This work was supported by the Natural Science Foundation of Guangxi Zhuang Autonomous Region， China （Nos. 2018GXNSFAA281167， 2018GXNSFAA138093） and the National Natural Science Foundation of China （No. 61841502）.

2019-12-12收稿; 2020-05-19接受

本文系廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目（Nos. 2018GXNSFAA281167， 2018GXNSFAA138093）和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（No. 61841502）資助

* E-mail： tchen@guet.edu.cn