乙二胺四乙酸二鈉的太赫茲及拉曼光譜研究

逯美紅， 龔 鵬， 張 凡， 王志軍， 馮 鐸， 孟田華

1. 長(zhǎng)治學(xué)院電子信息與物理系， 山西 長(zhǎng)治 046011 2. 上海理工大學(xué)理學(xué)院， 上海 200093 3. 山西大同大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院， 山西 大同 037009

引 言

乙二胺四乙酸二鈉又名EDTA-2Na， 是化學(xué)中一種重要的螯合劑， 它有六個(gè)配位原子， 與金屬離子配位后， 就可以生成極為穩(wěn)定的絡(luò)合物。 EDTA-2Na作為抗氧化劑、 穩(wěn)定劑、 防腐劑和凝固劑在染料、 食品添加、 醫(yī)藥等工業(yè)上有廣泛的用途。 中國(guó)《食品添加劑使用衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB-2760—2001)規(guī)定： 乙二胺四乙酸二鈉在果醬、 蔬菜泥(醬)類食品中的添加限量為0.07 g·kg-1， 在地瓜果脯、 蔬菜罐頭等食品中的添加限量為0.25 g·kg-1， 在復(fù)合調(diào)味料中的添加限量為0.075 g·kg-1， 在飲料類食品中的添加限量為0.03 g·kg-1。 然而， 過(guò)量或是不按規(guī)定使用就會(huì)影響人的身體健康， 不僅會(huì)導(dǎo)致人體中所需微量元素的流失， 引起嘔吐、 腹瀉等癥狀， 甚至導(dǎo)致暫時(shí)性的腎臟功能障礙和血壓的降低[1]。 所以， 基于食品質(zhì)量安全和質(zhì)量監(jiān)管考慮， 對(duì)EDTA-2Na的檢測(cè)研究是非常重要的。

目前， 利用高效液相色譜法[2]、 UPLC-MS-MS法[3]和固相萃取-高效液相色譜法[4]等方法檢測(cè)EDTA-2Na有靈敏性高和準(zhǔn)確性高的優(yōu)點(diǎn)， 但是操作過(guò)程相對(duì)復(fù)雜、 成本費(fèi)用較高。 太赫茲光譜和拉曼光譜技術(shù)由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)， 是研究分子結(jié)構(gòu)和振動(dòng)的有效手段， 但是因其產(chǎn)生機(jī)理不同， 二者在分子結(jié)構(gòu)研究方面具有較好的互補(bǔ)性[5-7]。 考慮到食品中組成成分的復(fù)雜性， 對(duì)其檢測(cè)并做成分分析就會(huì)很困難。 目前， 利用太赫茲光譜技術(shù)和拉曼光譜技術(shù)對(duì)EDTA-2Na的檢測(cè)研究還未見(jiàn)報(bào)道。 所以研究其太赫茲光譜和拉曼光譜振動(dòng)特性及振動(dòng)機(jī)理， 對(duì)其及衍生物進(jìn)一步檢測(cè)有很重要的意義。

利用太赫茲光譜技術(shù)和拉曼光譜技術(shù)對(duì)抗氧化劑EDTA-2Na進(jìn)行光譜檢測(cè)， 并基于密度泛函理論對(duì)EDTA-2Na分子的振動(dòng)模式和光譜特性的理論機(jī)理進(jìn)行歸屬和分析， 與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比， 為快速安全檢測(cè)EDTA-2Na提供實(shí)驗(yàn)方法和依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 樣品制備

實(shí)驗(yàn)樣品購(gòu)自山東青島優(yōu)索化學(xué)科技有限公司， 白色粉末， 其純度大于99%， 分子式為C10H14N2Na2O8。 THz光譜測(cè)試中， 將EDTA-2Na粉末與聚乙烯粉末以1∶1(50 mg∶50 mg)的量進(jìn)行混合均勻， 制備成厚度為2 mm、 半徑為6.5 mm的圓形薄片。 同時(shí)， 制備純聚乙烯樣品薄片作為背景參考(與測(cè)試樣品中的聚乙烯含量相同)。 拉曼光譜測(cè)試中， 將少量的EDTA-2Na粉末置于載玻片上， 放入共聚焦顯微拉曼光譜儀載物臺(tái)上的物鏡視野區(qū)域， 用532 nm的激光進(jìn)行掃描檢測(cè)。

1.2 裝置

實(shí)驗(yàn)使用的太赫茲光譜系統(tǒng)是德國(guó)Batop公司的THz-TDS1008型太赫茲時(shí)域光譜儀， 激光輸出中心波長(zhǎng)為780 nm， 脈沖寬度小于100 fs， 檢測(cè)范圍為0.05～3.5 THz。 實(shí)驗(yàn)過(guò)程在室溫氮?dú)猸h(huán)境中完成， 濕度小于4.0%。 實(shí)驗(yàn)使用的拉曼光譜儀是德國(guó)Bruker公司的SENTERRA型共聚焦拉曼顯微光譜儀， 激光波長(zhǎng)為532 nm， 分辨率為9～15 cm-1， 光譜掃描范圍為47～4 450 cm-1， 光闌為25×1 000 μm， 物鏡為50倍長(zhǎng)焦， 檢測(cè)過(guò)程在室溫下(22 ℃)完成。

1.3 計(jì)算方法

采用GaussView 5.0和Gaussian09軟件[8-9]， 在密度泛函理論B3LYP/6-31G*基組水平上優(yōu)化了EDTA-2Na幾何結(jié)構(gòu)， 并以相同基組計(jì)算拉曼光譜和太赫茲光譜。

2 結(jié)果與討論

2.1 EDTA-2Na分子的幾何構(gòu)型

基于密度泛函理論， 優(yōu)化EDTA-2Na分子結(jié)構(gòu)， 并計(jì)算振動(dòng)頻率， 結(jié)果無(wú)虛頻， 證實(shí)得到了分子在勢(shì)能面上的局域極小點(diǎn)， 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。 結(jié)合自然鍵軌道(NBO)分析， 圖1和表1分別給出了優(yōu)化后的EDTA-2Na分子結(jié)構(gòu)及部分結(jié)構(gòu)參數(shù)。

圖1 優(yōu)化后的EDTA-2Na的分子結(jié)構(gòu)

表1 結(jié)構(gòu)中部分原子之間的鍵長(zhǎng)R(?)以及Wiberg鍵級(jí)(WBI)

EDTA-2Na分子中分別由四個(gè)乙酸(CH3COOH)取代了兩個(gè)氨基上的四個(gè)氫原子(—H)， 就一個(gè)氨基而言， 一邊連接了兩個(gè)α-取代乙酸， 另一邊與兩個(gè)α-取代乙酸的氨基相連。 通過(guò)α-取代乙酸的取代之后， 由于乙酸的體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氫離子， 空間位阻比取代之前大得多。 C—C之間的鍵長(zhǎng)范圍為1.504～1.534 ?， 小于標(biāo)準(zhǔn)C—C單鍵的鍵長(zhǎng)1.54 ?， 大于標(biāo)準(zhǔn)C—C雙鍵鍵長(zhǎng)1.34 ?， C—N之間的鍵長(zhǎng)在1.443～1.478 ?之間， 小于標(biāo)準(zhǔn)C—N單鍵的鍵長(zhǎng)1.47 ?， 大于標(biāo)準(zhǔn)C—N雙鍵的鍵長(zhǎng)1.28 ?， 而WBIC—C和WBIC—N的值均大于0.94， 證明該結(jié)構(gòu)中C—C， C—N之間均為單鍵。 而對(duì)于結(jié)構(gòu)中的羧基—COOH， C—O之間的距離分別為1.199/1.222 ?和1.350/1.365 ?， 是典型的C—O雙鍵和單鍵， 這也可以從WBIC—O(Na)值得到證明； 對(duì)于含有Na原子的COONa基團(tuán)來(lái)說(shuō)， C—O之間的距離均在1.265 ?左右， WBIC—O(Na)值大約為1.44， 說(shuō)明C—O之間的相互作用介于單雙鍵之間； O—Na之間的距離范圍為2.141～2.176 ?， 那么Na原子與兩個(gè)O原子之間均有靜電相互作用， 這也可以由WBIO—Na值得到驗(yàn)證。

2.2 EDTA-2Na的太赫茲光譜與分析

圖2和圖3分別是EDTA-2Na樣品的時(shí)域光譜、 折射率和太赫茲吸收光譜對(duì)比圖。 可以看出， 由于樣品對(duì)太赫茲信號(hào)的吸收， 所以樣品信號(hào)脈沖相對(duì)于參考信號(hào)脈沖有時(shí)間延遲及振幅衰減。 EDTA-2Na的折射率范圍在1.3～1.55之間， 折射率的平均值為1.4， 在1.6 THz附近有明顯的反常色散。 另外， 對(duì)應(yīng)于每一個(gè)吸收峰， 折射率譜有明顯的變化， 且與吸收光譜中吸收峰位置基本對(duì)應(yīng)， 說(shuō)明異常色散總是伴隨著明顯的吸收。 吸收峰位置為0.88， 1.40， 1.73， 1.98和2.32 THz處， 由于樣品的散射， 吸收系數(shù)也隨著頻率的增加而增大。

圖2 EDTA-2Na的太赫茲時(shí)域譜

圖3 EDTA-2Na的折射率及太赫茲吸收光譜

采用密度泛函(DFT)理論, 對(duì)EDTA-2Na分子的振動(dòng)譜進(jìn)行了計(jì)算， 理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖4所示。 由圖可知， 在低頻波段0.2～2.6 THz之間， 計(jì)算出5個(gè)特征振動(dòng)頻率， 均具有較強(qiáng)的紅外強(qiáng)度， 由于分子之間的弱相互作用或者晶格的振動(dòng)導(dǎo)致吸收峰稍有頻移， 但吸收峰的吸收系數(shù)、 形狀及位置都與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似。 模擬計(jì)算結(jié)果中的吸收峰主要位于1.16， 1.37， 1.61和2.27THz處， 與實(shí)驗(yàn)結(jié)果中的1.40， 1.73和2.32 THz處的特征峰對(duì)應(yīng)。 EDTA-2Na在THz波段的吸收峰均顯示為較寬的吸收峰包絡(luò)面， 該吸收峰包絡(luò)面與分子內(nèi)原子的振動(dòng)吸收有很大的區(qū)別， 主要原因是該波段吸收振動(dòng)大多源于分子的集體振動(dòng)， 這一結(jié)果可以借助于GaussView5.0軟件對(duì)振動(dòng)模式進(jìn)行分析而得到驗(yàn)證。 圖5給出了1.16， 1.37， 1.61和2.27 THz處特征峰對(duì)應(yīng)的振動(dòng)圖像， 主要由COO—基團(tuán)搖擺、 O—H鍵搖擺帶動(dòng)亞甲基鏈及整個(gè)分子骨架擺動(dòng)導(dǎo)致， 表2列出對(duì)應(yīng)振動(dòng)峰的模式歸屬。 實(shí)驗(yàn)中0.29和1.98 THz處的吸收峰在計(jì)算結(jié)果中沒(méi)有出現(xiàn)， 其原因可能是分子之間的相互作用或聲子模式造成或是由于固態(tài)效應(yīng)能使晶體中單個(gè)分子的簡(jiǎn)振模式劈裂成具有不同對(duì)稱性的幾個(gè)模式， 導(dǎo)致產(chǎn)生1.73和1.98 THz處的肩膀峰(弱)。 另外， 而理論結(jié)果中0.58 THz處的小吸收峰， 在實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有檢測(cè)得到， 其原因可能是該吸收峰的相對(duì)強(qiáng)度太弱， 在實(shí)驗(yàn)時(shí)被淹沒(méi)在背景噪聲中了[11]。

圖4 EDTA-2Na太赫茲吸收光譜計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

圖5 EDTA-2Na太赫茲特征峰的振動(dòng)圖像

表2 EDTA-2Na太赫茲光譜的振動(dòng)頻率及模式歸屬

2.3 EDTA-2Na的低頻拉曼光譜與太赫茲光譜的對(duì)比分析

拉曼光譜波峰豐富， 可以反映分子的振動(dòng)、 轉(zhuǎn)動(dòng)等信息， 常被用于物質(zhì)的鑒定和結(jié)構(gòu)分析。 圖6顯示了EDTA-2Na在200～1 800 cm-1光譜范圍內(nèi)拉曼光譜的實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比。 可以看出， EDTA-2Na的實(shí)驗(yàn)與理論結(jié)果均存在比較豐富和明顯的拉曼特征峰， 而且在1 000～1 800 cm-1范圍內(nèi)拉曼特征峰吻合較好。 理論光譜中342， 717， 925， 969， 991， 1 077， 1 134， 1 428和1 633 cm-1處的拉曼特征峰與實(shí)驗(yàn)拉曼光譜中345， 713， 921， 963， 990， 1 081， 1 136， 1 428和1 614 cm-1處的拉曼特征峰較一致， 偏差范圍在0～10 cm-1(圖中只標(biāo)記了部分拉曼特征峰位)。 EDTA-2Na分子共有36個(gè)原子， 102個(gè)簡(jiǎn)正振動(dòng)模式。 低頻拉曼峰主要來(lái)自聲子振動(dòng)模式， 而高頻拉曼散射峰來(lái)自分子的內(nèi)振動(dòng)模式(為簡(jiǎn)單計(jì)， 文中只標(biāo)記部分特征峰并做討論)。 借助于GaussView5.0可視化軟件對(duì)其振動(dòng)模式進(jìn)行歸屬可知， 342， 925和991 cm-1處的特征峰分別歸屬為O—Na扭擺振動(dòng)、 C—C的搖擺振動(dòng)， 969和1 077 cm-1處的特征峰歸屬為鏈上亞甲基的搖擺振動(dòng)， 717和1 633 cm-1處的特征峰歸屬為O—C—O及H—C—H的剪切振動(dòng)。 表3列出了EDTA-2Na分子在300～2 000 cm-1光譜范圍內(nèi)部分拉曼特征峰及對(duì)應(yīng)振動(dòng)模式。

圖6 EDTA-2Na的拉曼光譜實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果對(duì)比圖

圖7 EDTA-2Na的太赫茲吸收譜(有效范圍0.2～2.6 THz)與拉曼散射譜(有效范圍6.7～85.8 cm-1)

表4 EDTA-2Na太赫茲吸收與低頻拉曼散射的分子振動(dòng)模式歸屬

3 結(jié) 論

基于密度泛函理論， 通過(guò)自然鍵軌道(NBO)和振動(dòng)頻率計(jì)算分析了優(yōu)化后EDTA-2Na分子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和合理性。 測(cè)試了食品添加劑EDTA-2Na在0.26～2.6 THz范圍內(nèi)的太赫茲光譜和10～4 000 cm-1范圍內(nèi)的拉曼光譜， 并結(jié)合密度泛函理論計(jì)算結(jié)果對(duì)其振動(dòng)光譜進(jìn)行了計(jì)算和分析， 得到了所有特征峰位置及其對(duì)應(yīng)的振動(dòng)模式。 結(jié)果表明， EDTA-2Na分子在太赫茲波段0.88， 1.40， 1.73和2.32 THz處有四個(gè)明顯的振動(dòng)吸收， 對(duì)應(yīng)太赫茲吸收峰位折射率圖譜中也有明顯的反常色散， 且實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果基本一致， 故可以作為食品添加劑EDTA-2Na的特征吸收峰。 另外， EDTA-2Na分子在200～2 000 cm-1光譜范圍內(nèi)有豐富、 清晰的拉曼特征峰， 且345， 713， 921， 963， 990， 1 081， 1 136， 1 428和1 614 cm-1處特征峰與理論計(jì)算342， 717， 925， 969， 991， 1 077， 1 134， 1 428和1 633 cm-1特征峰吻合較好。 特別是， 對(duì)低頻拉曼光譜和太赫茲光譜進(jìn)行了對(duì)比和分析。 結(jié)果顯示在0.2～2.6 THz(6.7～85.8 cm-1)波段的THz吸收與拉曼散射符合的比較好， 既同時(shí)具有拉曼和紅外活性的振動(dòng)， 也有紅外活性無(wú)拉曼活性的振動(dòng)， 也有拉曼活性無(wú)紅外活性的振動(dòng)。 0.2～2.6 THz(6.7～85.8 cm-1)范圍內(nèi)的特征峰振動(dòng)模式一般來(lái)源于分子內(nèi)C—H、 O—H、 COO—基團(tuán)、 亞甲基鏈牽動(dòng)的所有原子或大部分原子參與的分子骨架振動(dòng)， 隨著振動(dòng)頻率的增加， 振動(dòng)模式由分子的集體振動(dòng)向單一的原子基團(tuán)的剪切和伸縮振動(dòng)過(guò)渡， 這與300～2 000 cm-1范圍內(nèi)觀測(cè)到的拉曼結(jié)果一致。 說(shuō)明太赫茲光譜和低頻拉曼光譜在物質(zhì)鑒定和檢測(cè)方面有很強(qiáng)的一致性和互補(bǔ)性。 結(jié)合物質(zhì)成分分析方法， 以上拉曼峰和太赫茲吸收峰可以有潛力作為通過(guò)光譜手段進(jìn)行限量認(rèn)定的依據(jù)。 該研究將太赫茲光譜技術(shù)、 拉曼光譜技術(shù)與密度泛函量子化學(xué)計(jì)算方法相結(jié)合， 確定了食品添加劑EDTA-2Na的太赫茲吸收和拉曼散射特征峰， 為其檢測(cè)提供了可靠的依據(jù)和借鑒。