基于表面增強拉曼光譜及密度泛函理論的農(nóng)藥毒死蜱檢測研究

談愛玲，趙 榮，孫嘉林，王鑫蕊，趙 勇

1.燕山大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北省特種光纖與光纖傳感重點實驗室，河北 秦皇島 066004 2.燕山大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北省測試計量技術(shù)及儀器重點實驗室，河北 秦皇島 066004

引 言

毒死蜱英文通用名稱chlorpyrifos，又稱為氯吡硫磷，樂斯本，白蟻清，化學(xué)名稱為O,O-二乙基-O-3，5，6-三氯-2-吡啶基硫逐磷酸酯，分子量350.59，是乙酰膽堿酯酶抑制劑，屬硫代磷酸酯類殺蟲劑[1]。其分子式為C9H11C13NO3PS，結(jié)構(gòu)式如圖1所示。

圖1 毒死蜱的分子結(jié)構(gòu)式

殺蟲劑毒死蜱被廣泛應(yīng)用于防治水稻、果蔬、茶等作物害蟲，提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量，但過量使用殺蟲劑會造成許多潛在的危害[2]，濫用農(nóng)藥污染環(huán)境，且危害人類健康。因此，建立高效、快速、準(zhǔn)確地檢測農(nóng)副產(chǎn)品中農(nóng)藥殘留的方法迫在眉睫。目前國內(nèi)外農(nóng)藥殘留檢測方法主要包括免疫分析法[3-4]，理化檢測法[5-6]，生物測定法[7]等，這些常規(guī)檢測方法通常具有儀器設(shè)備昂貴，操作繁瑣，分析時間長等缺點[8]。拉曼光譜是一種基于拉曼散射原理的振動光譜，拉曼特征譜線對應(yīng)唯一的分子特征結(jié)構(gòu)，一個拉曼光譜圖上存在多組特征峰，這些特征峰含有的信息為研究分子之間相互作用、分子結(jié)構(gòu)等提供了理論依據(jù)。一般情況下，物質(zhì)的拉曼光譜信號比較微弱。表面增強拉曼光譜(surface enhanced Raman spectroscopy，SERS)技術(shù)采用表面經(jīng)粗糙化處理的金、銀、銅等金屬作為活性基底，使得拉曼散射信號顯著增強，具有不需要樣品制備，測量時間短，靈敏度和準(zhǔn)確度高等優(yōu)點，適用于快速和在線檢測[9]。

密度泛函理論(density functional theory，DFT)是研究多電子系統(tǒng)電子結(jié)構(gòu)的一種量子力學(xué)方法，被廣泛用于固體物理學(xué)的計算、分子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的理論模擬計算及光譜分析[10]。Birke等利用DFT方法的B3LYP/6-31+G(d)基組對ZnSe納米團簇上4-巰基吡啶進行了計算，研究了ZnnSem納米晶體的最佳幾何構(gòu)型，實驗測量了普通拉曼光譜和共振拉曼光譜[11]。Zajac等利用DFT方法對植酸銅配合物單體進行了分子結(jié)構(gòu)的幾何優(yōu)化，計算了紅外和拉曼光譜，實驗結(jié)果和理論模擬具有很好的一致性[12]。豐傲然等利用密度泛函理論中的三參數(shù)雜化泛函B3LYP以及Hartree-Fock(HF)兩種算法，選用6-311G++(d, p)基組，對乙草胺分子進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及拉曼光譜計算，得到乙草胺分子的振動信息，并對500～3 300 cm-1區(qū)間的振動光譜進行了指認(rèn)[13]。

本文基于表面增強拉曼光譜和密度泛函理論，研究毒死蜱分子的拉曼光譜及特征峰歸屬，并選用金屬銀團簇，研究金屬銀團簇大小對分子拉曼信號的影響。具體來說，模擬優(yōu)化毒死蜱分子的空間結(jié)構(gòu)，基于密度泛函理論計算其拉曼光譜，并確定譜峰歸屬；改變復(fù)合物銀團簇中銀原子的個數(shù)，模擬計算毒死蜱分子與Ag2和Ag3團簇結(jié)合的拉曼光譜，并確定其振動模式，研究拉曼信號增強效果和頻移量大小。為表面增強拉曼光譜技術(shù)在農(nóng)藥殘留檢測中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 密度泛函理論

密度泛函理論的概念起源于Thomas-Fermi模型，它是通過研究特定位置的平均電子數(shù)而不計算多粒子系統(tǒng)的波函數(shù)求解薛定諤方程的理論模型。在此之前，許多量子理論計算都使用波函數(shù)作為基本物理量來計算激發(fā)態(tài)和基態(tài)的特性。密度泛函理論不同于傳統(tǒng)的計算方法，它使用粒子的電子密度作為基本量來計算系統(tǒng)的物理和化學(xué)性質(zhì)[14]，由于電子密度是粒子空間坐標(biāo)的函數(shù)，因此系統(tǒng)電子密度方程式中只有三個變量表示空間坐標(biāo)，并且計算量僅隨電子數(shù)量的立方增加。特別是對于大規(guī)模系統(tǒng)計算，優(yōu)勢更加明顯。對于不需要高計算精度的系統(tǒng)，DFT是非常有利的方法。

經(jīng)DFT計算后，Multiwfn繪制的拉曼光譜圖是用洛倫茲函數(shù)來展寬，洛倫茲函數(shù)衰減得比較緩慢，展寬拉曼光譜的洛倫茲函數(shù)式，如式(1)所示。

(1)

式(1)中：FWHM為半高全寬，決定展寬出的峰在高度為一半的位置的峰的寬度；w為光譜的橫坐標(biāo)；wi為第i個躍遷的能量。

在給定了躍遷能量wi和FWHM之后，根據(jù)躍遷對應(yīng)的吸收曲線的表達式，便可得到相對應(yīng)的拉曼光譜圖。在w=wi處函數(shù)值最高，而隨著w偏離wi函數(shù)值逐漸衰減。

量子化學(xué)程序直接算出來的是每個振動模式的拉曼活性，拉曼活性是每個振動模式自身的特征，和入射光頻率及溫度無關(guān)，根據(jù)每個振動模式的拉曼活性轉(zhuǎn)換為其拉曼強度，其中拉曼強度是依賴于入射光頻率和溫度的。轉(zhuǎn)換關(guān)系如式(2)所示。

(2)

式(2)中：Ii為拉曼強度；Si為第i個振動模式的拉曼活性；νi為振動頻率；C為常數(shù)。

其中，式(2)中

(3)

式(3)中：k為玻爾茲曼常數(shù)；T為溫度；νi為振動頻率；c為光速。

基于密度泛函理論，對毒死蜱分子進行拉曼光譜和SERS光譜的理論計算并進行對比分析。主要研究B3LYP雜化泛函對殺蟲劑毒死蜱分子及其復(fù)合物的化學(xué)構(gòu)型優(yōu)化和拉曼光譜的模擬計算，采用了6-31G基組，對于在第二周期以上的原子采用了d極化函數(shù)。Gussian09是用于計算分子能量和結(jié)構(gòu)、分子軌道、振動頻率和拉曼光譜等的量子化學(xué)計算軟件[15]，其計算結(jié)果已得到大量實驗的檢驗和認(rèn)證。本文利用GaussView5.0軟件構(gòu)造研究的分子結(jié)構(gòu)，研究銀團簇Ag2和Ag3對毒死蜱拉曼光譜增強效應(yīng)時，選取入侵概率較高的硫原子處進行入侵，利用Gussian09軟件進行拉曼光譜和SERS理論計算來研究此兩種銀團簇的SERS增強效應(yīng)，進而得到毒死蜱分子的頻移和光譜增強結(jié)果，并利用Multiwfn軟件繪制拉曼光譜和SERS光譜并對峰值歸屬進行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 毒死蜱拉曼光譜理論仿真結(jié)果與分析

毒死蜱的分子構(gòu)型用GaussView 5.0構(gòu)造，理論計算采用Gaussian09量子化學(xué)軟件，優(yōu)化計算時采用DFT的B3LYP/6-31G+G(d, p)方法。用DFT方法對其進行了空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化后的空間結(jié)構(gòu)如圖2所示(圖中給出了各原子的名稱)。運用密度泛函理論計算優(yōu)化后的毒死蜱分子，其拉曼光譜如圖3所示。

圖2 優(yōu)化后的毒死蜱分子構(gòu)型

圖3 毒死蜱分子的拉曼光譜圖

由圖3可以看出，在736，1 305，1 449和1 605 cm-1等位置處拉曼特征峰強度較高。毒死蜱的Raman光譜特征峰的歸屬認(rèn)定如表1所示。

表1 毒死蜱Raman光譜特征峰歸屬及其振動形式

2.2 毒死蜱銀團簇表面增強拉曼光譜的理論仿真結(jié)果與分析

圖4 銀團簇入侵后優(yōu)化的分子結(jié)構(gòu)圖

將銀團簇入侵后的毒死蜱分子進行理論計算，得到Ag2和Ag3銀團簇作用下的復(fù)合物的拉曼光譜分別如圖5和圖6所示。

圖5 毒死蜱-Ag2的SERS光譜

圖6 毒死蜱-Ag3的SERS光譜

表2給出了在Ag2與Ag3兩種銀團簇下，毒死蜱分子的SERS光譜特征峰及其對應(yīng)的結(jié)構(gòu)歸屬。由于其同一歸屬結(jié)構(gòu)的振動方式比較相近，對于振動的描述同時適用于兩種金屬團簇增強光譜對應(yīng)的特征峰。

表2 毒死蜱SERS光譜特征峰歸屬及其歸屬結(jié)構(gòu)

為了便于觀察，將理論計算后的拉曼和表面增強拉曼光譜進行對比，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可以看出，在銀團簇作用下，拉曼光譜在326，463，741，781，1 068，1 294，1 435和1 602 cm-1波數(shù)處的特征峰強度有著明顯的增強，且隨著銀團簇Ag原子個數(shù)的增多，對應(yīng)的拉曼光譜增強效果越明顯。增強產(chǎn)生的原因可能是在金屬粗糙過程中產(chǎn)生的表面粒子形狀各不相同，一些粒子或粒子的某些部位曲率半徑變得非常小，這些顆粒的尖端處具有很強的局部表面電磁場，從而引起拉曼散射強度的增強。且曲率半徑越小，其表面電場強度越大，增強效果越顯著。

圖7 毒死蜱拉曼和SERS光譜的比較

2.3 拉曼頻移結(jié)果分析

在特征峰頻移方面，增強后拉曼光譜頻移量如圖8所示。由圖8可以看出，光譜在463，741～781 cm-1波數(shù)處均產(chǎn)生了較大的頻移，其余特征峰波數(shù)處頻移較小，均在20 cm-1以下，產(chǎn)生頻移可能是由于納米銀基底的加入導(dǎo)致毒死蜱分子中一些基團中連接原子鍵之間的電荷密度改變而造成的，此外，靠近銀團簇表面的原子或者基團比該分子中其他原子基團所受應(yīng)力要小，所以引起一些特征峰發(fā)生頻移。

圖8 銀團簇Ag2和Ag3作用下SERS光譜頻移量對比分析

3 結(jié) 論

基于密度泛函理論，首先研究得到毒死蜱分子拉曼光譜，發(fā)現(xiàn)在736，1 305，1 449和1 605 cm-1等位置有較強的拉曼特征峰強度。然后研究了在不同銀團簇結(jié)構(gòu)作用下的表面增強拉曼光譜。結(jié)果表明在Ag2和Ag3作用下，在326，463，741，781，1 068，1 294，1 435和1 602 cm-1波數(shù)處的增強效果較為明顯，且銀團簇尺寸越大，增效越顯著。同時，在463，741～781 cm-1波數(shù)處頻移量較大。產(chǎn)生頻移的原因可能是銀團簇與殺蟲劑分子的相互吸附作用，導(dǎo)致分子中一些基團中連接原子鍵之間的電荷密度改變，從而改變了對應(yīng)結(jié)構(gòu)的振動模式與振動幅度等。此外，靠近銀團簇表面的原子或者基團比該分子中其他原子基團所受應(yīng)力要小，所以引起一些特征峰發(fā)生頻移。本文研究為表面增強拉曼光譜技術(shù)應(yīng)用于土壤農(nóng)殘檢測，尤其是通過銀團簇進行表面增強拉曼光譜信號放大，提供了理論借鑒依據(jù)。