基于密度泛函理論對(duì)冰毒分子不同構(gòu)象拉曼光譜的研究

高 楠，屠 潛，隋成華, 3

1. 浙江工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310023 2. 浙江工業(yè)大學(xué)理學(xué)院，浙江 杭州 310023 3. 浙江工業(yè)大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)物理信息技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，浙江 杭州 310023

引 言

冰毒，又名甲基安非他明，是一種無(wú)味透明晶體，屬于新型合成毒品，成癮性及對(duì)人體的危害要遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于海洛因，嗎啡等傳統(tǒng)毒品[1]。近年來(lái)，吸食冰毒的人群也越來(lái)越向年輕化，大眾化方向發(fā)展，對(duì)人民健康與社會(huì)發(fā)展造成嚴(yán)重危害[2]。目前，禁毒過程中檢測(cè)冰毒的方法主要有高效液相色譜法、紅外光譜法以及拉曼光譜法等[3-6]。拉曼光譜法較上述方法有實(shí)時(shí)、快速、無(wú)損、非接觸和樣品無(wú)需預(yù)處理等優(yōu)點(diǎn)[7-9]，在冰毒檢測(cè)研究領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。Triplett等采用拉曼光譜對(duì)不同濃度的冰毒和乙醇混合溶液進(jìn)行了檢測(cè)，同時(shí)又與氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用法檢測(cè)得到的結(jié)果進(jìn)行比較分析[10]。Taplin等采用拉曼光譜儀對(duì)苯丙胺類毒品進(jìn)行了檢測(cè)并對(duì)這些毒品拉曼光譜特征峰進(jìn)行了區(qū)分和總結(jié)[11]。

由于冰毒分子存在可以旋轉(zhuǎn)的柔性碳鏈，因此可存在多種不同構(gòu)象，考慮到分子不同的構(gòu)象會(huì)對(duì)其拉曼光譜造成影響[12]，進(jìn)而影響其現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)的快速識(shí)別。本文采用Becke-3-Lee-Yang-Parr (B3LYP)雜化泛函方法在6-31G基組下分別以φ1，φ2和φ3三個(gè)二面角為變量，在0°～360°范圍內(nèi)，以10°為步長(zhǎng)做了勢(shì)能面掃描，選取能量的極小值點(diǎn)從而獲得12個(gè)不同的冰毒分子穩(wěn)定構(gòu)象。在此基礎(chǔ)上采用B3LYP方法，6-31G++(d, p)基組分別對(duì)不同的構(gòu)象做進(jìn)一步優(yōu)化和振動(dòng)頻率計(jì)算，并分析冰毒分子構(gòu)象差異對(duì)其計(jì)算得到的拉曼光譜造成的影響。同時(shí)，又采用簡(jiǎn)正振動(dòng)分析方法計(jì)算各振動(dòng)頻率的勢(shì)能分布(PED)[13]，根據(jù)計(jì)算結(jié)果以及相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)得到的冰毒拉曼光譜特征峰做了詳細(xì)歸屬。這些工作將為今后的毒品實(shí)時(shí)檢測(cè)、毒品拉曼數(shù)據(jù)庫(kù)的建立以及藥物分子拉曼光譜理論計(jì)算研究提供有益的參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

冰毒樣品由浙江省公安廳提供，為現(xiàn)場(chǎng)繳獲所得，純度為88.34%，呈透明晶體狀。實(shí)驗(yàn)采用由上海如海光電科技有限公司生產(chǎn)的SEED3000型拉曼光譜儀，其主要技術(shù)指標(biāo)：光譜采集范圍為200～3 200 cm-1，激發(fā)波長(zhǎng)為785 nm，激光輸出功率最大為500 mW，積分時(shí)間范圍為1 ms～20 s。實(shí)驗(yàn)過程中取質(zhì)量為1.00 g的冰毒樣品各5份進(jìn)行激光拉曼光譜測(cè)試，其中積分時(shí)間均為10 s，激光功率為320 mW。

關(guān)于冰毒分子的不同構(gòu)象，本文采用B3LYP雜化泛函方法在6-31G基組下分別以φ1，φ2和φ3三個(gè)二面角為變量，在0°～360°范圍內(nèi)，以10°為步長(zhǎng)做勢(shì)能面掃描，取能量的極小值從而獲取了12個(gè)不同的穩(wěn)定構(gòu)象。而其理論拉曼光譜則應(yīng)用DFT中的B3LYP雜化泛函，在6-31++G(d, p)基組下進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及頻率計(jì)算，求得能量對(duì)坐標(biāo)的二階導(dǎo)數(shù)再除以原子質(zhì)量，獲得振動(dòng)頻率。

2 結(jié)果與討論

2.1 冰毒分子構(gòu)象計(jì)算結(jié)果

圖1給出了冰毒分子的初始結(jié)構(gòu)，由苯環(huán)上的一個(gè)氫原子被異丙基和甲胺基構(gòu)成的支鏈取代，形成單取代苯類化合物。而冰毒分子的構(gòu)象受到C12—C15鍵周圍內(nèi)部旋轉(zhuǎn)的影響，這種自由度將徹底改變分子的形狀[12]。因此，本文在圖1冰毒分子初始結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，分別對(duì)φ1，φ2和φ3這三個(gè)二面角做了勢(shì)能面掃描，得到冰毒分子的能量與其分子構(gòu)象變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并從中選取能量的極小值點(diǎn)，從而得到如圖2所示12個(gè)不同的構(gòu)象。

圖1 冰毒分子初始結(jié)構(gòu)

表1對(duì)12種構(gòu)象的能量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，其中Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ和Ⅻ這4種構(gòu)象中由于兩個(gè)甲基之間，甲基與乙基以及甲基與苯環(huán)之間距離較近，基團(tuán)上的H原子相互之間產(chǎn)生排斥作用，因而使能量升高，導(dǎo)致分子穩(wěn)定性下降。而Ⅲ，Ⅶ，Ⅸ和Ⅹ這4種冰毒構(gòu)象兩個(gè)甲基均成直線型排布，并且均與苯環(huán)距離較遠(yuǎn)，因此能量較低均為-444.735 Hartree。

圖2 B3LYP/6-31G水平下勢(shì)能面掃描得到的12種不同的冰毒分子結(jié)構(gòu)

Fig.212differentmolecularstructuresofmethamphetamineobtainedfrompotentialenergysurfacescanningatB3LYP/6-31Glevel

表1 冰毒分子12種不同構(gòu)象能量統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 1 Energies of 12 different methamphetamine molecule conformations

2.2 冰毒分子構(gòu)象對(duì)其計(jì)算拉曼光譜的影響

圖3給出了Ⅲ，Ⅶ，Ⅸ和Ⅹ，4種能量相對(duì)較低的冰毒構(gòu)象在B3LYP/6-31++G(d, p)水平下通過幾何優(yōu)化及頻率計(jì)算得到的理論計(jì)算拉曼光譜與實(shí)驗(yàn)拉曼光譜的對(duì)比，其中實(shí)驗(yàn)拉曼光譜為5份冰毒樣品檢測(cè)結(jié)果的平均值，其離散度小于1%。而在優(yōu)化結(jié)構(gòu)下計(jì)算得到振動(dòng)頻率都沒有虛頻存在，表明各分子幾何結(jié)構(gòu)(c1點(diǎn)群)是穩(wěn)定的。

圖3中計(jì)算得到的Ⅲ，Ⅶ，Ⅸ和Ⅹ這4種冰毒構(gòu)象的理論拉曼光譜與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，實(shí)驗(yàn)拉曼光譜上837 cm-1位置的特征峰在Ⅲ，Ⅶ，Ⅸ，Ⅹ，4種構(gòu)象的理論拉曼光譜上分別表現(xiàn)為840，800，824和848 cm-1；同時(shí)，746和1 356 cm-1處的特征峰也是如此，彼此之間存在較大偏差。因此，通過理論計(jì)算得到的拉曼特征峰與實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果相比，雖然大致相似，但是由于分子構(gòu)象不同，導(dǎo)致有的特征峰位置存在明顯偏移。其中，746，837和1 356 cm-1位置與623，1 003，1 180和1 312 cm-1相比明顯受構(gòu)象的影響更大。同時(shí)本文又對(duì)由上述四種構(gòu)象計(jì)算得到的拉曼特征峰峰位和冰毒實(shí)驗(yàn)拉曼特征峰峰位進(jìn)行了線性擬合，結(jié)果如圖4所示，確定系數(shù)R2分別為0.997 261 88，0.997 181 99，0.998 800 36，0.998 660 45。與其他三種構(gòu)象相比，構(gòu)象Ⅸ的計(jì)算拉曼特征峰與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的特征峰擬合程度更高，與實(shí)際測(cè)試結(jié)果也更接近。

圖3 通過構(gòu)象Ⅲ，Ⅶ，Ⅸ和Ⅹ計(jì)算得到的拉曼光譜與實(shí)驗(yàn)檢測(cè)得到的冰毒拉曼光譜對(duì)比

Fig.3ComparisonofRamanspectracalculatedbyconformationⅢ，Ⅶ，ⅨandⅩwithexperimentalresult

圖4 通過冰毒分子Ⅲ(a)，Ⅶ(b)，Ⅸ(c)，Ⅹ(d)四種構(gòu)象計(jì)算得到的拉曼特征峰分別與冰毒實(shí)驗(yàn)拉曼特征峰線性擬合結(jié)果

上述分析表明，在現(xiàn)場(chǎng)、實(shí)時(shí)、快速檢測(cè)疑似冰毒樣品時(shí)，將632，1 003，1 180和1 312 cm-1處的特征峰用于匹配顯然更加適合。同時(shí)，在計(jì)算的所有構(gòu)象中Ⅸ與實(shí)驗(yàn)值更吻合，也說(shuō)明在冰毒分子中這種構(gòu)象存在的可能性更大。由于分子構(gòu)象上的差異會(huì)對(duì)計(jì)算得到的拉曼光譜造成不同程度的影響。因此，在做理論計(jì)算并且需要根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)實(shí)驗(yàn)拉曼特征峰進(jìn)行歸屬時(shí)，往往需要選擇合適的，存在可能性更大的分子構(gòu)象從而確保結(jié)果的可靠性。

2.3 冰毒拉曼光譜特征峰的歸屬

由于構(gòu)象Ⅸ計(jì)算得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值在所有研究的構(gòu)象中最為吻合，因此本文結(jié)合該結(jié)果，冰毒分子各振動(dòng)頻率的勢(shì)能分布及相關(guān)文獻(xiàn)[10-11]，對(duì)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)得到的特征峰做了歸屬。圖3表明冰毒樣品實(shí)驗(yàn)拉曼光譜中存在4個(gè)明顯振動(dòng)峰：837，1 003，1 180和1 312 cm-1。其中，1 003 cm-1為最強(qiáng)特征峰，圖3構(gòu)象Ⅸ理論拉曼光譜中與之對(duì)應(yīng)的最強(qiáng)特征峰位于1 016 cm-1左右，PEDs為54%，歸屬為苯環(huán)的環(huán)呼吸振動(dòng)；構(gòu)象Ⅸ理論拉曼光譜中特征峰824 cm-1與實(shí)驗(yàn)拉曼光譜中特征峰837 cm-1非常接近，計(jì)算得到的PEDs為25%，歸屬為NH搖擺振動(dòng)；此外，1 180 cm-1處的實(shí)驗(yàn)特征峰相對(duì)較弱，歸屬為C—N伸縮振動(dòng)，理論計(jì)算得到的特征峰位于1 184 cm-1與實(shí)驗(yàn)特征峰同樣非常接近，PEDs為31%；1 312 cm-1處則歸屬為CH2搖擺振動(dòng)，PEDs為47%，表2提供了冰毒樣品實(shí)驗(yàn)拉曼特征峰的詳細(xì)歸屬。

表2 冰毒實(shí)驗(yàn)拉曼特征峰的歸屬

aν：stretching;δ：in-plane deformation;γ：out-of-plane deformation;ρ：rocking;ω：wagging;τ：torsion;χ：scissoring; as：asymmetric vibration; s：symmetric vibration; Cm1：methyl group C19H20H21H22; Cm2：methyl group C23H24H25H26; RA：Raman Activity in ?4/AMU

上述結(jié)果顯示，冰毒分子具有明顯的拉曼特征峰，同時(shí)理論計(jì)算結(jié)果同實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果較為吻合，從而表明這種通過實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)合DFT理論計(jì)算的方法可以對(duì)冰毒實(shí)驗(yàn)拉曼特征峰做有效的歸屬。同時(shí)，面對(duì)新型毒品更新速度快、種類繁多的現(xiàn)狀，這一拉曼光譜的理論計(jì)算方法或?qū)榻窈蠖酒窓z測(cè)以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)分析所需的毒品拉曼光譜數(shù)據(jù)庫(kù)的建立和完善起到重要的作用。

3 結(jié) 論

采用拉曼光譜儀對(duì)冰毒樣品進(jìn)行了檢測(cè)，并利用密度泛函理論計(jì)算了其不同分子構(gòu)象的拉曼光譜，得到的結(jié)果表明：746，837和1 356 cm-1處的特征峰往往會(huì)因冰毒分子構(gòu)象的變化而產(chǎn)生明顯的偏移。而632，1 003，1 180和1 312 cm-1處的特征峰基本不受構(gòu)象影響，因此在對(duì)可疑樣品進(jìn)行鑒別時(shí)，可以作為冰毒的主要拉曼特征峰來(lái)進(jìn)行快速匹配，而這種通過特征峰進(jìn)行匹配的方法相比于傳統(tǒng)的相關(guān)系數(shù)匹配算法更加快捷，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)檢測(cè)冰毒時(shí)具有較好的應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)，由構(gòu)象Ⅸ計(jì)算的得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)最相符，結(jié)合該結(jié)果與相關(guān)文獻(xiàn)本文對(duì)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)到的冰毒拉曼特征峰進(jìn)行了詳細(xì)的歸屬。這些研究結(jié)果將有助于我們未來(lái)對(duì)于毒品拉曼數(shù)據(jù)庫(kù)的建立以及進(jìn)一步展開新型手持、非接觸、快速與無(wú)損型拉曼光譜毒品檢測(cè)儀的研制工作。