硬脂酸亞甲基C—H伸縮振動(dòng)紅外光譜研究

胡瑞省，劉會(huì)茹，顧丹丹，劉亞明，王 壯，于宏偉

(石家莊學(xué)院 化工學(xué)院，河北 石家莊 050035)

細(xì)胞膜是生命物質(zhì)中重要的組織結(jié)構(gòu)之一。硬脂酸具有生物膜類似的分子結(jié)構(gòu)，可作為天然生物細(xì)胞膜的模擬體系[1-2]。紅外光譜法由于具有方便、快捷、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)成為此方面最常見的研究方法[3-6]。3000～2800cm-1范圍內(nèi)主要是硬脂酸碳?xì)滏淐—H的伸縮振動(dòng)區(qū)域，這一區(qū)域內(nèi)的譜帶對(duì)溫度變化非常敏感[7-8]。但是常規(guī)的紅外光譜(一維紅外光譜)中的譜峰重疊現(xiàn)象嚴(yán)重，而二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜通常是基于一定的數(shù)學(xué)模型和假設(shè)，二維紅外光譜則是完全客觀地、清晰地顯示了未重疊譜峰的位置，因此可大大地增加原譜圖的分辨率。本文參考文獻(xiàn)[9—13]，通過測(cè)定不同溫度下硬脂酸亞甲基伸縮振動(dòng)模式νCH2的一維紅外光譜、二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜和二維紅外光譜，進(jìn)一步研究溫度對(duì)于硬脂酸νCH2紅外吸收強(qiáng)度變化趨勢(shì)的影響。

1 儀器與試劑

儀器：Spectrum100型紅外光譜儀，美國 PE 公司；SYD TC-01變溫控件，英國 Eurotherm 公司。

試劑：硬脂酸，分析純，上海國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限責(zé)任公司。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 樣品制備方法

采用壓片法:2mg 硬脂酸與200mg 溴化鉀(起稀釋作用)混合，研磨均勻壓片。

2.2 紅外光譜儀操作條件

每次實(shí)驗(yàn)對(duì)信號(hào)進(jìn)行32次掃描累加，測(cè)定范圍為400～4000cm-1,測(cè)溫范圍為293～393K，變溫步長(zhǎng)為5K，控溫精度為±0.1K。

2.3 數(shù)據(jù)獲得及處理

一維紅外光譜數(shù)據(jù)采用美國PE公司 Spectrum v6.3.5操作軟件獲得；二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜數(shù)據(jù)采用美國 PE 公司 Spectrum v6.3.5操作軟件獲得，平滑點(diǎn)數(shù)為13；二維紅外光譜數(shù)據(jù)采用清華大學(xué)編寫的軟件TD Versin4.2獲得，參數(shù)：Interval=2，Contour Number=30；圖形處理采用 Origin8.0。

3 結(jié)果與討論

由于硬脂酸的熔點(diǎn)為343K，所以把紅外光譜儀的變溫范圍分為3個(gè)階段：分別是相變前(293～333K)、相變過程中(338～348K)和相變后(353～393K)。

3.1 相變前硬脂酸亞甲基紅外光譜研究

相變前硬脂酸一維紅外光譜和二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜見圖1(圖中ν為波數(shù)，A為吸光度)，在2914、2848cm-1附近的強(qiáng)紅外吸收譜帶分別歸屬于硬脂酸亞甲基的不對(duì)稱伸縮振動(dòng)模式νasCH2和對(duì)稱伸縮振動(dòng)模式νsCH2。

圖1 相變前硬脂酸亞甲基紅外光譜

二維紅外光譜包括[11-13]：同步二維紅外光譜和異步二維紅外光譜(見圖2，圖中I表示相對(duì)強(qiáng)度，左圖為平面圖)。同步二維紅外光譜的外觀和 COSY 相似，圖形呈正方形，圖中的峰分為對(duì)角線峰和對(duì)角線外峰(見圖2(a))。對(duì)角線峰又稱為自動(dòng)峰，對(duì)角線峰的位置和通常的一維紅外譜峰位相符。對(duì)角線峰總是正峰，代表吸收峰對(duì)一定微擾(例如：光，電，熱和磁)的敏感程度。同步二維紅外光譜的重要信息主要來自對(duì)角線外的峰，稱為交叉峰，任一交叉峰對(duì)應(yīng)著2個(gè)波數(shù)的紅外峰，它表明相應(yīng)于這2個(gè)紅外吸收峰官能團(tuán)之間存在著分子內(nèi)的相互作用或相連關(guān)系。交叉峰有正負(fù)之分，它反映動(dòng)態(tài)光譜響應(yīng)的方向。若2個(gè)譜強(qiáng)度以相同方向變化(同時(shí)增加或減少)，則其交叉峰為正相關(guān)，相關(guān)度Ф (ν1,ν2) >0；若2個(gè)譜峰強(qiáng)度以相反方向變化，則其交叉峰為負(fù)相關(guān)，相關(guān)度Ф (ν1,ν2)<0；當(dāng)2個(gè)光譜峰變化過程完全無關(guān)時(shí)，則Ф(ν1,ν2)=0。

異步二維紅外光譜仍呈正方形，但圖中無對(duì)角線峰，僅有對(duì)角線以外的峰，即交叉峰(見圖2(b))。異步二維紅外光譜中的交叉峰說明與這2個(gè)吸收所對(duì)應(yīng)的官能團(tuán)沒有相互連接、相互作用的相關(guān)。異步二維紅外光譜的峰也有正(相關(guān)度ψ(ν1,ν2)>0)和負(fù)(ψ(ν1,ν2)<0之分。當(dāng)Ф(ν1,ν2)和ψ(ν1,ν2)同號(hào)時(shí)，ν1處光譜峰的變化早于ν2處光譜峰的變化；當(dāng) Ф (ν1,ν2) 和ψ(ν1,ν2)異號(hào)時(shí)，ν1處光譜峰的變化晚于ν2處光譜峰的變化；Ф(ν1,ν2)=0時(shí)，ν1和ν2處光譜峰變化次序不能以Ф(ν1,ν2)符號(hào)簡(jiǎn)單判斷。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：相變前硬脂酸在2914cm-1處的紅外吸收峰νasCH2強(qiáng)度變化早于2848cm-1處的紅外吸收峰νsCH2。

3.2 相變過程中硬脂酸亞甲基紅外光譜研究

相變過程中硬脂酸一維紅外光譜和二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜見圖3。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：隨著測(cè)定溫度的升高，2914cm-1附近的紅外吸收峰νasCH2向高頻方向移動(dòng)，發(fā)生明顯的藍(lán)移現(xiàn)象。這主要是因?yàn)橛仓幡蚢sCH2紅外吸收頻率對(duì)其脂肪鏈構(gòu)象的變化非常敏感。室溫下硬脂酸νasCH2的紅外吸收頻率位置在2914cm-1，這時(shí)硬脂酸脂肪鏈的構(gòu)象處于全反式有序構(gòu)象[7-8]；當(dāng)測(cè)定溫度達(dá)到348K時(shí)，νasCH2的紅外吸收頻率移到2917cm-1。這是因?yàn)楫?dāng)測(cè)定溫度達(dá)到348K 時(shí)，硬脂酸熔化，破壞了其晶體結(jié)構(gòu)，硬脂酸脂肪鏈從全反式有序構(gòu)象轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序構(gòu)象，而338～348K的溫度范圍則是硬脂酸脂肪鏈全反式有序構(gòu)象改變的臨界溫度。

圖2 相變前硬脂酸亞甲基二維紅外光譜

圖3 相變過程中硬脂酸亞甲基紅外光譜

相變過程中硬脂酸亞甲基的二維紅外光譜見圖4。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：隨著測(cè)定溫度的升高，硬脂酸2848cm-1峰νsCH2吸收強(qiáng)度變化早于2917cm-1峰νasCH2。

3.3 相變后硬脂酸亞甲基紅外光譜研究

相變后硬脂酸亞甲基一維紅外光譜和二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜見圖5。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：2919cm-1和2850cm-1附近的強(qiáng)紅外吸收峰分別歸屬于硬脂酸νasCH2和νsCH2，但隨著溫度的升高，該處紅外吸收峰的頻率并沒有發(fā)生明顯改變。

圖4 相變過程中硬脂酸亞甲基二維紅外光譜

圖5 相變后硬脂酸亞甲基紅外光譜

相變后硬脂酸亞甲基的二維紅外光譜見圖6。研究發(fā)現(xiàn)：隨著測(cè)定溫度的升高，硬脂酸2919cm-1(νasCH2)峰吸收強(qiáng)度變化早于2850cm-1(νsCH2)峰。

4 結(jié)論

在293～393K溫度范圍內(nèi)，分別采用一維紅外光譜、二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜測(cè)定硬脂酸亞甲基伸縮振動(dòng)模式。研究發(fā)現(xiàn)：隨著測(cè)定溫度的升高，硬脂酸νasCH2和νsCH2均發(fā)生明顯的藍(lán)移現(xiàn)象；而338～348K的溫度范圍則是硬脂酸脂肪鏈全反式有序構(gòu)象改變的臨界溫度范圍。開展了硬脂酸νCH2二維紅外光譜研究，研究發(fā)現(xiàn)：相變前，硬脂酸νasCH2峰強(qiáng)度變化早于νsCH2；相變過程中，硬脂酸νsCH2峰強(qiáng)度變化早于νasCH2;相變后，硬脂酸νasCH2峰強(qiáng)度變化早于νsCH2。此項(xiàng)研究，拓展了二維紅外光譜的研究領(lǐng)域，具有重要的理論研究?jī)r(jià)值。

圖6 相變后硬脂酸亞甲基二維紅外光譜

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