基于分子對(duì)接的類二惡英類多氯聯(lián)苯的拉曼光譜增強(qiáng)

辛美玲， 邱尤麗， 張書京， 李 魚*

(1. 華北電力大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 北京 102206；2. 華北電力大學(xué) 資源環(huán)境系統(tǒng)優(yōu)化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 102206)

1 引 言

多氯聯(lián)苯(PCBs)被廣泛用于熱交換劑、潤(rùn)滑劑、變壓器和電容器內(nèi)的絕緣介質(zhì)、增塑劑以及阻燃劑等重要的化工產(chǎn)品[1]，是環(huán)境中存在的一類典型含氯有機(jī)污染物。大量的PCBs副產(chǎn)品被釋放到環(huán)境中將造成嚴(yán)重污染，影響生態(tài)系統(tǒng)[2-3]，因其具有半揮發(fā)性、持久性、生物富集性和高毒性等特點(diǎn)而被聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署列為首批需要削減和控制的12種持久性有機(jī)污染物之一[4]。PCBs單體之間的毒性差別很大，毒性最強(qiáng)的單鄰位或無(wú)鄰位氯代的共平面同族體，稱為類二惡英類PCBs，其生態(tài)環(huán)境毒性是不能忽略的，因此在環(huán)境樣品中對(duì)其分析有很重要的意義[5]。由于PCBs的降解十分緩慢，到目前為止，它們?nèi)匀粡V泛地存在于空氣、水、土壤、沉積物和生物區(qū)，因此對(duì)生態(tài)環(huán)境及人類健康有不可估量的潛在威脅。

常規(guī)PCBs的分析檢測(cè)方法主要有高效液相色譜法、氣相色譜法、分光光度法和色譜質(zhì)譜聯(lián)用法[6-7]。由于PCBs的極性和化學(xué)性質(zhì)相似，209種單體在色譜上的分離是一個(gè)難題[8]。目前國(guó)內(nèi)外通行的標(biāo)準(zhǔn)分析方法主要是總量的分析，土壤、底泥和生物組織中單體的分析方法還處在研究階段，如Huang等[9]的“環(huán)境樣品中毒性單體的測(cè)定”，他們運(yùn)用2-(1-甲基)甲乙基石英柱和高效液相色譜，將中和環(huán)境樣品中的非鄰位取代、單鄰位取代和雙鄰位取代進(jìn)行分離，最后用GS/MS測(cè)定。2002年，Litten、Simon[10]等對(duì)USEPA的改進(jìn)方法進(jìn)行全面的分析和研究，對(duì)水樣中209種單體的分離技術(shù)做了全面的討論。但目前建立的檢測(cè)方法不但復(fù)雜且耗時(shí)，還可能產(chǎn)生二次污染，且現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)適用性差。拉曼光譜是一種散射光譜，它的產(chǎn)生基于光與分子的非彈性碰撞，廣泛用于物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的研究。拉曼光譜具有較寬的測(cè)定范圍，試樣制備處理簡(jiǎn)單，而且拉曼光譜已經(jīng)應(yīng)用于檢測(cè)多環(huán)芳烴、三聚氰胺等物質(zhì)[11-13]。

近年來(lái)，量子化學(xué)中的密度泛函理論(DFT)在分子的拉曼與紅外振動(dòng)光譜上得到了廣泛的應(yīng)用研究，在大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比中顯示了它的可信性[14-15]。本文對(duì)13種類二惡英類PCBs(PCB77、81、105、114、118、123、126、156、157、169、170、180、189)的拉曼光譜進(jìn)行了計(jì)算[16]。分子對(duì)接的原理是源于“鎖-鑰原理”，酶與配體分子會(huì)進(jìn)行識(shí)別，若要達(dá)到最優(yōu)匹配狀態(tài)，就要在對(duì)接過程中相互適應(yīng)，從而引起酶與配體構(gòu)象的改變。因此，本文借助分子對(duì)接技術(shù)會(huì)改變配體結(jié)構(gòu)這一特性，提取13種類二惡英類PCBs經(jīng)分子對(duì)接后的構(gòu)型，計(jì)算其拉曼強(qiáng)度，比較了對(duì)接前后分子結(jié)構(gòu)改變所對(duì)應(yīng)的拉曼振動(dòng)強(qiáng)度的變化趨勢(shì)。

2 理論計(jì)算

借助Gaussian09軟件，利用密度泛函理論(DFT)在B3LYP/6-31G(d)水平下對(duì)氣態(tài)環(huán)境中PCBs分子進(jìn)行優(yōu)化，在最優(yōu)結(jié)構(gòu)下計(jì)算其拉曼特征振動(dòng)光譜，并用計(jì)算函數(shù)和基組組合的修正因子(0.9614)進(jìn)行修正[17]。計(jì)算關(guān)鍵字為opt=modredundant，freq=raman。采用美國(guó)Tripos公司的SYBYL-X2.0軟件進(jìn)行分子對(duì)接，選取Tripos力場(chǎng)，采用分子程序Minimize對(duì)每個(gè)分子進(jìn)行能量?jī)?yōu)化，加載MMF94電荷。對(duì)接之前，對(duì)從PDB數(shù)據(jù)庫(kù)中獲得的蛋白質(zhì)受體分子進(jìn)行預(yù)處理，去除自身的配體、金屬離子和水分子，將極性氫與點(diǎn)電荷加入，使結(jié)合口袋暴露出來(lái)。對(duì)接過程中膨脹系數(shù)和臨界系數(shù)分別為指定的默認(rèn)值1和0.5。

3 結(jié)果與討論

3.1 類二惡英類PCBs的理論拉曼振動(dòng)光譜

13種PCBs的拉曼振動(dòng)光譜有共同的振動(dòng)模式，主要?dú)w屬為苯環(huán)變形、C—C 伸縮、C—H搖擺、C—H 伸縮以及各種形式的耦合。觀察其振動(dòng)模式，其中苯環(huán)的變形振動(dòng)為PCBs的特征振動(dòng)，拉曼光譜頻率為1632.77～1652.06cm-1。其振動(dòng)強(qiáng)度以及頻率見表1。

表1 類二惡英類PCBs拉曼振動(dòng)強(qiáng)度及頻率

3.2 基于分子對(duì)接的類二惡英類PCBs拉曼振動(dòng)光譜

3.2.1 PCBs與Bpha酶的分子對(duì)接

環(huán)境中的PCBs可以依靠微生物進(jìn)行緩慢降解，其中好氧生物降解為主要方式。PCBs的生物降解主要由4種降解酶參與，分別是Bpha、Bphb、Bphc、Bphd，其中聯(lián)苯雙加氧酶(Bpha)是4種酶中唯一一個(gè)直接與PCBs接觸的，因此對(duì)其降解起決定性作用[18]。

本文采用SYBYL-X 2.0中的Surflex-Dock模塊對(duì)接模擬PCBs與Bpha(PDBID∶3GZX)的結(jié)合模式。為獲得正確的構(gòu)象分析結(jié)果，應(yīng)確保對(duì)接模擬獲得的化合物與受體結(jié)合的合理性，為此應(yīng)首先驗(yàn)證對(duì)接的可靠性。具體方法為：從蛋白晶體中提取天然配體重新對(duì)接進(jìn)受體內(nèi)，然后將天然配體對(duì)接生成構(gòu)想與蛋白/配體復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比。如果對(duì)接生成的構(gòu)象與晶體結(jié)構(gòu)中重原子(非氫原子)間的均方根偏差(RMSD)值小于0.02 nm，則認(rèn)為對(duì)接是可靠和準(zhǔn)確的。本文提取3GZX中的聯(lián)苯(BNL)，重復(fù)對(duì)接到3GZX結(jié)合位點(diǎn)。結(jié)果表明，對(duì)接后BNL的位置幾乎和3GZX晶體中原本的BNL在相同的位置，對(duì)接后的BPY和晶體結(jié)構(gòu)中BNL的RSMD的平均值為0.002 4 nm，說(shuō)明Surflex-Dock在重現(xiàn)配體的結(jié)合模式上是可靠的，對(duì)接過程所采用的參數(shù)設(shè)置是合適的，可用來(lái)預(yù)測(cè)PCBs與Bpha酶的結(jié)合構(gòu)象。其對(duì)接打分函數(shù)見表1。

3.2.2 分子對(duì)接后的拉曼振動(dòng)光譜

13種類二惡英類PCBs與BPha酶經(jīng)分子對(duì)接后，提取其對(duì)接后分子結(jié)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行拉曼振動(dòng)光譜計(jì)算，結(jié)果見表2。比較分子對(duì)接前后的拉曼振動(dòng)強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)，PCB-81、PCB-105、PCB-114、PCB-118、PCB-156、PCB-170、PCB-180的拉曼振動(dòng)均有所增強(qiáng)，其增強(qiáng)幅度在2.9%～213.98%之間，其中PCB-170的增強(qiáng)幅度最大。對(duì)接前后的拉曼光譜頻率在1 631.57～1 651.94 cm-1之間，與對(duì)接前的拉曼光譜頻率相比，整體發(fā)生藍(lán)移。拉曼強(qiáng)度提升，其對(duì)應(yīng)的頻率值降低，發(fā)生一定程度的藍(lán)移；拉曼強(qiáng)度下降，其對(duì)應(yīng)的頻率值升高，發(fā)生一定程度的紅移。PCB-77的拉曼振動(dòng)強(qiáng)度降低幅度最大(-76.20%)，說(shuō)明PCB-77與Bpha酶的對(duì)接效果最好。觀察其打分函數(shù)為最高(3.95)，即低氯取代(一至四氯)的PCBs好氧生物降解效果較好，這與Nabavi等的研究結(jié)果一致[19]。上文觀察其特征振動(dòng)為苯環(huán)變形，因此本文選取二面角為結(jié)構(gòu)變量進(jìn)行分析。觀察對(duì)接前后的二面角變化發(fā)現(xiàn)，PCB-81、PCB-105、PCB-114、PCB-118、PCB-156、PCB-170、PCB-180經(jīng)分子對(duì)接之后，其二面角均減小，其中PCB-170的二面角減小49°，減小幅度最大，其拉曼振動(dòng)強(qiáng)度增強(qiáng)最大；PCB-114、PCB-123、PCB-126、PCB-157對(duì)接后的拉曼振動(dòng)強(qiáng)度增降幅較小，變化不明顯，其主要原因?yàn)镻CB-114、PCB-123、PCB-126、PCB-157對(duì)接后的二面角變化程度較小，導(dǎo)致拉曼振動(dòng)強(qiáng)度增降幅不明顯。因此推斷，二面角的變化程度越大，其拉曼振動(dòng)強(qiáng)度增降幅越大，且隨二面角逐漸減小，拉曼強(qiáng)度逐漸增大。PCB-105、PCB-114、PCB-118、PCB-156、PCB-170、 PCB-180的苯環(huán)上鄰位均有氯原子取代，鄰位的C—Cl鍵對(duì)PCBs的二面角有很大影響，分子對(duì)接后會(huì)較大程度地改變其空間構(gòu)型，導(dǎo)致其拉曼振動(dòng)強(qiáng)度增大。

表2 分子對(duì)接后13種類二惡英類PCBs拉曼振動(dòng)強(qiáng)度及其頻率

3.2.3 PCBs分子二面角大小與拉曼強(qiáng)度變化

上文推斷發(fā)現(xiàn)，隨二面角逐漸減小，拉曼強(qiáng)度逐漸增大。為研究PCBs分子二面角與拉曼振動(dòng)強(qiáng)度之間的關(guān)系，對(duì)13種PCBs對(duì)接前后的二面角變化范圍進(jìn)行劃分，選取其中只改變二面角大小、保證其他結(jié)構(gòu)與最優(yōu)結(jié)構(gòu)保持不變的10個(gè)結(jié)構(gòu)計(jì)算其拉曼振動(dòng)強(qiáng)度。其函數(shù)變化關(guān)系見表3，在顯著性水平p=0.01的情況下，PCBs的拉曼振動(dòng)強(qiáng)度與二面角變化均呈線性關(guān)系，rmin=0.765 7>r0=0.764 6，符合統(tǒng)計(jì)學(xué)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。其中PCB-81、PCB-105、PCB-114、PCB-118、PCB-170、PCB-180的二面角逐漸減小，拉曼振動(dòng)強(qiáng)度不斷增大；PCB-77、PCB-123、PCB-126、PCB-157、PCB-169、PCB-189的二面角逐漸增大，拉曼振動(dòng)強(qiáng)度不斷減小。

本文借助分子對(duì)接，提取對(duì)接后的分子結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)對(duì)接后的分子二面角減小，其拉曼振動(dòng)增強(qiáng)，因此在實(shí)際光譜檢測(cè)應(yīng)用中，可針對(duì)PCBs的二面角進(jìn)行改變，其拉曼振動(dòng)是否增強(qiáng)以便于識(shí)別。研究發(fā)現(xiàn)，Stille偶聯(lián)反應(yīng)和Scholl反應(yīng)在生成新物質(zhì)過程中能夠調(diào)控化合物的結(jié)構(gòu)。石鑫等[20]以5,6-二溴苯并噻二唑?yàn)楹诵模許tille偶聯(lián)反應(yīng)和Scholl反應(yīng)為主要手段合成了16a和16b兩個(gè)螺烯類高度扭曲的共軛分子，控制二面角從26.7°達(dá)到了44.8°。龔炎彬等[21]利用Scholl反應(yīng)合成芘并茈酰亞胺；南光明等[22]對(duì)Lewis酸誘導(dǎo)芳三氮烯為底物的Stille偶聯(lián)反應(yīng)進(jìn)行研究，均對(duì)其合成的物質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有效的調(diào)控。同時(shí)新型分子設(shè)計(jì)中可設(shè)計(jì)二面角減小的新型PCBs分子，從而達(dá)到增強(qiáng)拉曼振動(dòng)的目的，便于其檢測(cè)識(shí)別。

表3 PCBs分子二面角大小與拉曼振動(dòng)強(qiáng)度函數(shù)關(guān)系(p=0.01，n=10)

4 結(jié) 論

本文利用密度泛函理論計(jì)算出13種類二惡英類PCBs拉曼光譜的振動(dòng)強(qiáng)度及頻率，并借助分子對(duì)接技術(shù)，計(jì)算對(duì)接后PCBs分子結(jié)構(gòu)的拉曼振動(dòng)強(qiáng)度以及頻率。對(duì)接后，拉曼振動(dòng)強(qiáng)度增大2.9%～213.98%。改變二面角可以不同程度地影響拉曼振動(dòng)強(qiáng)度，隨二面角的減小，拉曼振動(dòng)強(qiáng)度呈一定線性增大趨勢(shì)，可為實(shí)際中提高PCBs的檢測(cè)靈敏度提供一定的理論依據(jù)。

[1] ACHOUR A, DEROUICHE A, BARHOUMI B,etal.. Organochlorine pesticides and polychlorinated biphenyls in human adipose tissue from northern Tunisia: current extent of contamination and contributions of socio-demographic characteristics and dietary habits [J].Environment.Res., 2017, 156:635.

[2] KLINCIC D, ROMANIC S H. Chemical methods for determination of hydroxylated metabolites of polycyclic aromatic hydrocarbons and polychlorinated biphenyls in Biological material [J].Archiv.Indust.Hyg.Toxicol., 2011, 62(1):77.

[3] HITES R A.PersistentOrganicPollutantsinTheGreatLakes[M]. Berlin: Springer, 2006.

[4] LAMMEL G, GHIM Y S, GRADOS A,etal.. Levels of persistent organic pollutants in air in China and over the Yellow Sea [J].Atmosph.Environm., 2007, 41(3):452-464.

[5] MCKINNEY J D, GOTTSCHALK K E, PEDERSEN L. A theoretical investigation of the conformation of polychlorinated biphenyls (PCBs) [J].J.Mol.Struct.TheoryChem., 1983, 104(3-4):445-450.

[6] YAO M D, WANG Y P, WANG D M. Determination of polychlorinated biphenyls in drinking water by automatic solid phase extraction-gas chromatography/quadrupole mass spectrometry [J].Occup.Health, 2015, 31(19):2634-2636.

[7] 杜瑞雪, 范仲學(xué), 蔡利娟. 環(huán)境樣品中多氯聯(lián)苯的分析技術(shù) [J]. 環(huán)境科學(xué)與管理, 2008, 33(4):149-152.

DU R X, FAN Z X, CAI L J. Analytical techniques for polychlorinated biphenyls in environmental samples [J].Environment.Sci.Manag., 2008, 33(4):149-152. (in Chinese)

[8] 任曼, 彭平安, 張素坤， 等. 氣相色譜/高分辨質(zhì)譜聯(lián)用測(cè)定環(huán)境樣品中的二惡英和類二惡英多氯聯(lián)苯 [J]. 分析化學(xué), 2007, 35(2):176-180.

REN M, PENG P A, ZHANG S K,etal.. Determination of dioxin and dioxin like polychlorinated biphenyls in environmental samples by gas chromatography/high resolution mass spectrometry [J].Anal.Chem., 2007, 35(2):176-180. (in Chinese)

[9] HUANG E B, POOLE G, CHIU C. Isolation and determination of toxic congeners of polychlorinated biphenyls in environmental samples [J].J.HighResolut.Chromatograph., 1997, 20(1):1-9.

[10] LITTEN S, FOWKER B, LUSZNIAK D. Identification of a novel PCB source through analysis of 209 PCB congeners by US EPA modified method 1668 [J].Chemosphere, 2002, 46(9-10):1457-1459.

[11] NET S, SEMPERE R, DELMONT A. Occurrence, fate, behavior and ecotoxicological state of phthalates in different environmental matrices [J].Environment.Sci.Technol., 2015, 49(7):4019.

[12] ZHANG H, CHEN X Q, JIANG X Y. Determination of phthalate esters in water samples by ionic liquid cold-induced aggrega-tion dispersive liquid-liquidmicroextraction coupled with high-performance liquid chromatography [J].Anal.Chim.Acta, 2011, 689:137-142.

[13] 邱尤麗, 曾婭玲, 姜龍. 基于苯溶劑化效應(yīng)的多種鄰苯二甲酸酯(PAEs)拉曼特征振動(dòng)光譜辨識(shí) [J]. 發(fā)光學(xué)報(bào), 2015, 36(8):976-982.

QIU Y L, ZENG Y L, JIANG L. Identification of the Raman characteristic spectrum vibrations for various PAEs based on benzene solvent effect [J].Chin.J.Lumin., 2015, 36(8):976-982. (in Chinese)

[14] NIE S M, EMORY S R. Single-molecule detection and spectroscopy by surface-enhanced Raman scattering [J].Science, 1997, 275:1102-1106.

[15] MAITI N, THOMAS S, JACOB J A. DFT and surface-enhanced Raman scattering study of tryptophan-silver complex [J].J.ColloidInterfaceSci., 2012, 380(1):141.

[16] ROSS C. The public healthy implications of polychlorinated biphenyls(PCBs) in the environment [J].Eco-toxicol.Enviroment.Safety, 2004, 59:275-291.

[17] YOUNG D C.ComputationalChemistry:APracticalGuideforApplyingTechniquestoRealWorldProblems[M]. New York: John Wiley & Sons Inc., 2001.

[18] SUENAGA H, NONAKA K, FUJIHARA H. Hybrid pseudomonads engineered by two-step homologous recombination acquire novel degradation abilities toward aromatics and polychlorinated biphenyls [J].Appl.Microbiol.Biotechnol., 2010, 88(4):915.

[19] NABAVI B F, NIKAEEN M, AMIN M M. Biological treatment of polychlorinated biphenyls (PCBs) contaminated transformer oil by anaerobic-aerobic sequencing batch biofilm reactors [J].Int.Biodeteriorat.Biodegradat., 2013, 85(7):451-457.

[20] 石鑫. 基于苯并噻二唑的二維多環(huán)芳烴共軛分子的設(shè)計(jì)、合成及應(yīng)用 [D]. 南京：南京郵電大學(xué)， 2016.

SHI X.Design,SynthesisandApplicationofTwo-dimensionalPolycyclicAromaticHydrocarbonConjugatedMoleculesBasedonBenzothiadiazole[D]. Nanjing: Nanjing University of Posts and Telecommunications, 2016. (in Chinese)

[21] 龔炎彬. Scholl反應(yīng)合成芘并苝酰亞胺及其在場(chǎng)效應(yīng)晶體管中的應(yīng)用 [C]. 中國(guó)化學(xué)會(huì)第30屆學(xué)術(shù)年會(huì)， 中國(guó)， 大連， 2016:59-60.

ZHAN X J. Synthesis of pyrene and perylene Imide by scholl reaction and Its application in field-effect transistor [C].TheThirteenthAnnualConferenceofTheChineseChemicalAssociation,Dalian,China, 2016:59-60. (in Chinese)

[22] 南光明, 周均. Lewis酸誘導(dǎo)芳基三氮烯為底物的Stille偶聯(lián)反應(yīng)研究 [J]. 有機(jī)化學(xué), 2012, 32(9):1695-1699.

NAN G M, ZHOU J. Stry coupling reaction of lewis acid-induced aryl triazene as substrate [J].Org.Chem., 2012, 32(9):1695-1699. (in Chinese)