鄰苯二甲酸二丁酯中紅外吸收光譜的理論分析及檢測

衣玲學(xué)，高 磊，趙麗君，姜 晨, 趙 昆

中國石油大學(xué)(北京)油氣光學(xué)探測技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249

鄰苯二甲酸二丁酯中紅外吸收光譜的理論分析及檢測

衣玲學(xué)，高 磊*，趙麗君，姜 晨, 趙 昆

中國石油大學(xué)(北京)油氣光學(xué)探測技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249

鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)為鄰苯二甲酸酯類(PAEs)，是一種常用的塑化劑。DBP極易轉(zhuǎn)移進(jìn)入大氣、水體、土壤和食品中，對環(huán)境與人體健康造成傷害。應(yīng)用第一性原理，采用密度泛函理論(DFT) B3LYP方法，在6-31G*基組水平上對DBP分子基態(tài)的平衡幾何構(gòu)型和能量進(jìn)行優(yōu)化，利用Gaussesview 5.0軟件得到了DBP的紅外(infrared, IR)振動(dòng)光譜。與實(shí)驗(yàn)得到的DBP溶液的傅里葉變換紅外光譜相比較，在400～4 000 cm-1波段范圍內(nèi)，理論模擬與實(shí)際測得的紅外光譜的特征吸收峰基本保持一致，且實(shí)驗(yàn)測得的基團(tuán)振動(dòng)位置也可與紅外理論基團(tuán)特征峰位置相對應(yīng)?？紤]到實(shí)驗(yàn)條件以及溫度等因素的影響，理論光譜與實(shí)驗(yàn)光譜吻合得較好。通過對實(shí)驗(yàn)光譜相對于理論光譜對應(yīng)峰值的線性擬合發(fā)現(xiàn)，其相關(guān)度≥99%。這為DBP的檢測與分析提供了一定的理論依據(jù)。

密度泛函理論(DFT)；紅外光譜；鄰苯二甲酸二丁酯

引 言

鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)為鄰苯二甲酸酯類(phthalic acid esters，簡稱PAEs), 其主要用作塑料的增塑劑，添加后可讓微粒分子更均勻散布，能增加延展性、彈性及柔軟度。DBP化學(xué)性質(zhì)相對獨(dú)立，極易轉(zhuǎn)移進(jìn)入大氣、水體、土壤和食品中，對環(huán)境與人體健康造成傷害。近年DBP檢測受到國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注，各種檢測技術(shù)也得到廣泛的應(yīng)用。當(dāng)前常用的方法為氣相色譜法[1-2]和液相色譜法[3-4]，這種方法雖然能夠?qū)崿F(xiàn)精確檢測，但是樣品前期處理復(fù)雜，容易引入干擾，并且耗費(fèi)時(shí)間較長。中紅外光譜檢測技術(shù)操作簡單方便，可實(shí)現(xiàn)快速無損檢測，并且分辨率高，能同時(shí)對多組樣品進(jìn)行定性分析。

中紅外光譜吸收屬于分子的基頻振動(dòng)光譜，包含了相應(yīng)的官能團(tuán)的信息，從而推導(dǎo)出分子的結(jié)構(gòu)信息。中紅外光譜分析被廣泛用于物質(zhì)成分種類及含量的定性和定量分析。Cozzolino等[5-6]在2011年和2012年對葡萄汁、酒類進(jìn)行紅外檢測，并結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)對水、糖等主要含量進(jìn)行分析，進(jìn)而能夠辨別出產(chǎn)地。Marchi等[7]利用紅外技術(shù)對瑞士牛的牛奶樣品進(jìn)行分析來預(yù)測脂肪酸的組成及其結(jié)構(gòu)。

基于分子結(jié)構(gòu)和模型的需要 應(yīng)用第一性原理與密度泛函理論。Jalbout等[8]以SDD為基函數(shù)，采用密度泛函理論方法得到了SnO基態(tài)分子的解析勢能函數(shù)和理論光譜數(shù)據(jù)，正確地反映出平衡構(gòu)型特征。鄧春梅等[9]在運(yùn)用振動(dòng)關(guān)聯(lián)函數(shù)公式結(jié)合DFT計(jì)算了硅、鍺的電子結(jié)構(gòu)和光譜性質(zhì)。楊玉平等[10]運(yùn)用太赫茲時(shí)域光譜(THz-TDS)技術(shù)與密度泛函理論(DFT)6-31G*基組計(jì)算模擬相結(jié)合的方法研究了鷹嘴豆芽素A在太赫茲(THz)波段的光譜特性，得到0.5～2.4 THz波段內(nèi)的共振吸收峰主要源于分子的集體振動(dòng)，其理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠相互指認(rèn)。

使用Gaussesview 5.0進(jìn)行分子優(yōu)化，并結(jié)合第一性原理與密度泛函理論推導(dǎo)了DBP理論吸收光譜。利用中紅外吸收光譜對推導(dǎo)的理論光譜進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本工作可以為利用中紅外吸收光譜分析DBP提供一定的理論依據(jù)與技術(shù)指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)樣品純度99%，購于北京百靈威有限責(zé)任公司。紅外檢測儀為德國布魯克光學(xué)儀器公司(Bruker Optics Inc.)VERTEX 80v傅里葉變換紅外光譜儀，光譜分辨率≥0.06 cm-1，信噪比大于30 000∶1，光譜范圍5～50 000 cm-1。

2 結(jié)果與討論

2.1 DBP分子結(jié)構(gòu)

通過Gaussesview 5.0軟件對DBP進(jìn)行第一性原理計(jì)算，采用密度泛函理論(DFT)的從頭計(jì)算方法，在6-31G*基組水平上，對DBP分子基態(tài)的平衡幾何構(gòu)型和能量進(jìn)行優(yōu)化；并用B3LYP方法(即將包含梯度修正的Becke交換泛函和包含梯度修正的Lee，Yang和Parr相關(guān)泛函聯(lián)系在一起)研究了DBP的紅外光譜強(qiáng)度。圖1為DBP分子結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 DBP分子結(jié)構(gòu)模型

2.2 DFT理論吸收譜與紅外光譜

將理論計(jì)算光譜結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。如圖2所示，實(shí)驗(yàn)光譜相對于理論光譜，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的吸收峰位置和強(qiáng)度均存在差異。這是由于中紅外光譜實(shí)驗(yàn)是在室溫下進(jìn)行，而且測量的是液體狀態(tài)下的樣品。而密度泛函理論計(jì)算沒有考慮熱效應(yīng)，也沒有考慮分子間的相互作用所致。圖3為實(shí)驗(yàn)光譜相對于理論光譜對應(yīng)峰值的線性擬合，相關(guān)度≥99%。

圖2 DFT預(yù)測振動(dòng)頻率和紅外吸收頻率

將圖2分為三個(gè)波段進(jìn)行分析，分別為400～1 200 cm-1(圖4)，1 200～1 900 cm-1(圖5)以及2 500～4 000 cm-1(圖6)。

圖3 理論峰位與實(shí)驗(yàn)峰位的相關(guān)性擬合

圖4 400～1 200 cm-1波段內(nèi)的DFT預(yù)測振動(dòng)頻率和紅外吸收頻率

圖5 1 200～1 900 cm-1波段內(nèi)的DFT預(yù)測振動(dòng)頻率和紅外吸收頻率

圖6中在2 500～4 000 cm-1波段可以分辨出特征吸收峰的理論峰位與實(shí)測峰位有明顯的差距，這與模擬條件與實(shí)驗(yàn)條件不同等因素有關(guān)。理論模擬沒有考慮熱力學(xué)因素，且是單分子狀態(tài)，未考慮分子間的相互作用，以及環(huán)境因素等，這些都會(huì)導(dǎo)致漂移。2 873，2 928，2 961 cm-1都為兩條直鏈上C—H的伸縮振動(dòng)。2 873 cm-1為直鏈的CH3的伸縮振動(dòng)，2 928 cm-1為鏈上連接O的CH2的對稱伸縮振動(dòng)，2 961 cm-1為CH3的不對稱伸縮振動(dòng)。3 073 cm-1為CH2不對稱伸縮振動(dòng)，3 436 cm-1為苯環(huán)C—H的面內(nèi)伸縮振動(dòng)。

理論紅外吸收譜與實(shí)驗(yàn)紅外光譜比較有些不規(guī)則差別，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)是在室溫下進(jìn)行的，而密度泛函理論計(jì)算時(shí)是沒有將熱效應(yīng)考慮在內(nèi)。DFT計(jì)算是將DBF分子單獨(dú)計(jì)算，未考慮分子間作用力，并且實(shí)驗(yàn)結(jié)果也會(huì)受環(huán)境等因素的影響從而導(dǎo)致的差別[11]。

圖6 2 500～4 000 cm-1波段內(nèi)的DFT預(yù)測振動(dòng)頻率和紅外吸收頻率

3 結(jié) 論

利用Gaussesview 5.0軟件對DBP分子進(jìn)行了模擬并優(yōu)化，并采用密度泛函理論DFT進(jìn)行理論計(jì)算得出振動(dòng)吸收紅外譜。與傅里葉變換紅外光譜數(shù)據(jù)相比較，理論模擬得到的DBP分子振動(dòng)譜與實(shí)際測得的紅外光譜的特征吸收峰可以很好地對應(yīng)，理論光譜與實(shí)驗(yàn)光譜吻合得較好。本文為利用中紅外吸收譜法對DBP進(jìn)行檢測和分析提供了一定的理論依據(jù)。

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(Received Apr.22, 2015; accepted Aug.10, 2015)

*Corresponding author

Dibutyl Phthalate Theoretical Analysis and Detection in Infrared

YI Ling-xue, GAO Lei*, ZHAO Li-jun, JIANG Chen, ZHAO Kun

Beijing Key Laboratory of Optical Detection Technology for Oil and Gas, China University of Petroleum, Beijing 102249, China

Di-n-butyl phthalate ( DBP ) is one kind of Phthalate esters ( PEs ) widely employed as plasticizers in the production of polymeric materials.PEs are dialkyl and alkyl aryl esters of 1,2-Benzenedi-carboxylic acid, which comprise a wide group of compounds.Since these compounds are not linked to the polymeric matrix, they can migrate from their original containers to the surrounding environment, resulting in ubiquitous environmental pollutants.The infrared vibration spectra of isolated DBP was assigned according to DFT calculations by Gaussesview 5.0 software with First Principles.The method of B3LYP of the density functional theory ( DFT ) at 6-31G*level has been used to calculate its geometrical parameters and convergence criteria.Compared with the Fourier transform infrared spectrum of DBP in 400～4 000 cm-1band, the characteristic absorption peaks of the simulation spectrum were broadly in agreement, and the position of the peaks were almost corresponding to each other.Considering the influence of the experimental conditions and temperature, theoretical calculations were in good agreement with experimental data.According to the linear fitting of the peak position of the experimental spectra with respect to the theoretical spectra, the correlation degree is more than 99%.This research provides a theoretical basis to the detection and analysis of DBP.

Dity functional theory(DFT); Infrared; Dibutyl phthalate

2015-04-22，

2015-08-10

教育部留學(xué)回國人員科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目和中國石油大學(xué)(北京)優(yōu)秀青年教師研究項(xiàng)目(2462015YQ0603)資助

衣玲學(xué), 1991年生，中國石油大學(xué)(北京)油氣光學(xué)探測技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室碩士研究生 e-mail: lingxueyi@gmail.com *通訊聯(lián)系人 e-mail: leigao@cup.edu.cn

O433.4

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)09-2789-04