可待因及福爾可定的密度泛函理論計(jì)算模擬和表面增強(qiáng)拉曼光譜測(cè)定

吳國(guó)萍,胡辰辰,陸騰,吳元釗

(1.江蘇警官學(xué)院 刑事科學(xué)技術(shù)系,南京 210031;2.江蘇省食品藥品與環(huán)境犯罪檢驗(yàn)技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室,南京 210031;3.中國(guó)科學(xué)院 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心高性能計(jì)算技術(shù)與應(yīng)用發(fā)展部,北京 100049;4.浙江警官學(xué)院 刑事技術(shù)系,浙江省毒品防控技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,杭州 310051)

可待因(C18H21NO3)屬于中樞性鎮(zhèn)咳劑,鎮(zhèn)咳效果顯著,長(zhǎng)期使用會(huì)形成藥物耐受性,使人上癮,國(guó)家藥品監(jiān)督管理局明確禁止18歲以下青少年兒童使用可待因藥物。福爾可定(C23H30N2O4)屬于依賴性鎮(zhèn)咳劑,別名嗎啉嗎啡、?？啥?由嗎啡堿與氯化乙基嗎啡啉合成而來(lái),具有成癮性和麻醉作用,雖國(guó)內(nèi)還沒(méi)有頒布相關(guān)的法律法規(guī),一些西方國(guó)家已經(jīng)禁止2歲以下兒童服用福爾可定鎮(zhèn)咳劑。一些不法分子利欲熏心,私自在非依賴性鎮(zhèn)咳劑中添加可待因和福爾可定以提高鎮(zhèn)咳劑的功效。因此,加強(qiáng)鎮(zhèn)咳劑中可待因和福爾可定的監(jiān)測(cè)具有重要意義。

可待因、福爾可定的測(cè)定以液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法[1]、高效液相色譜法(HPLC)[2-4]、氣相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法(GC-MS/MS)[5]等實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)手段為主,快檢方法還有酶聯(lián)免疫法[6];近些年,拉曼光譜及表面增強(qiáng)拉曼光譜的研究方法發(fā)展迅速[7-26],但未見(jiàn)可待因、福爾可定的拉曼光譜及表面增強(qiáng)拉曼光譜相關(guān)研究報(bào)道。本工作首先通過(guò)密度泛函理論(DFT)方法對(duì)可待因、福爾可定進(jìn)行幾何構(gòu)型優(yōu)化,為標(biāo)準(zhǔn)品粉末的拉曼譜圖及低濃度水平標(biāo)準(zhǔn)溶液的表面增強(qiáng)拉曼譜圖的振動(dòng)模式的指認(rèn)和歸屬提供理論依據(jù),并建立了這兩種管制藥品的表面增強(qiáng)拉曼檢測(cè)方法。

1 試驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

SSR-3010型便攜式拉曼光譜分析儀;RMX 型手持式拉曼光譜儀;85-2 型磁力攪拌器;Vortex 3000型渦旋振蕩器;HG202A-2 型電熱鼓風(fēng)干燥箱;Milli-Q Intergral 5型純水機(jī);Ymnl-P10H 型超聲波清洗器;ME104E 型電子分析天平(感量0.1 mg)。

標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液:1.000 g·L－1,分別將適量的可待因標(biāo)準(zhǔn)品、福爾可定標(biāo)準(zhǔn)品用甲醇溶解,配制成質(zhì)量濃度為1.000 g·L－1的標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液,于－18 ℃保存。使用時(shí)用甲醇稀釋至所需質(zhì)量濃度。

可待因標(biāo)準(zhǔn)品的純度96.9%,福爾可定標(biāo)準(zhǔn)品的純度96.9%;檸檬酸鈉、氯金酸、鹽酸、硝酸、甲醇、氫氧化鈉均為分析純;試驗(yàn)用水為二次去離子水。

1.2 儀器工作條件

1)SSR-3010型便攜式拉曼光譜儀 激光波長(zhǎng)785 nm,功率275 m W,掃描范圍為175～3 200 cm－1,分辨率為4.5 cm－1;激光器的激光發(fā)射功率500 m W,分辨率6 cm－1,積分時(shí)間10 s,積分2次,平滑度為1。

2)RMX 型手持式拉曼光譜儀 激光波長(zhǎng)785 nm,功率350 m W。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 DFT 理論計(jì)算模擬

采用B3LYP/6-31G(d,p)混合基組對(duì)可待因、福爾可定體系進(jìn)行幾何構(gòu)型優(yōu)化,計(jì)算了體系的結(jié)構(gòu)參數(shù)和拉曼光譜。使用VEDA4軟件對(duì)拉曼譜圖中特征峰的振動(dòng)模式進(jìn)行分析,將拉曼光譜的數(shù)據(jù)與VEDA4軟件分析的簡(jiǎn)振模式數(shù)據(jù)結(jié)合,歸屬不同拉曼峰對(duì)應(yīng)的振動(dòng)模式,找出不同拉曼峰的產(chǎn)生原因。上述所有計(jì)算運(yùn)用Gaussian09軟件包完成。

1.3.2 拉曼光譜檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)品粉末

將可待因及福爾可定標(biāo)準(zhǔn)品粉末置于潔凈載物臺(tái)上,調(diào)節(jié)測(cè)試點(diǎn),用RMX 型手持式拉曼光譜儀分別掃描可待因及福爾可定標(biāo)準(zhǔn)品粉末,獲取拉曼譜圖及相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1.3.3 表面增強(qiáng)拉曼光譜檢測(cè)低濃度水平的標(biāo)準(zhǔn)溶液

采用檸檬酸鈉加熱還原的方法[27-29]制得納米金表面增強(qiáng)試劑,方法如下:移取1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))氯金酸溶液2.00 mL,置于裝有100 mL磁石和水的燒杯中,將溶液加熱至沸騰,在磁力攪拌下于100℃加入1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))檸檬酸鈉溶液4 mL,溶液開(kāi)始變黑,約1 min 變藍(lán),之后再加熱,出現(xiàn)紅色。煮沸2～3 min,溶液呈透明的酒紅色,繼續(xù)加熱攪拌5 min左右,關(guān)閉磁力攪拌器,冷卻至室溫。將溶液放入棕色瓶中避光保存,得膠體金溶液,即為納米金表面增強(qiáng)試劑。

調(diào)節(jié)被測(cè)溶液與納米金表面增強(qiáng)試劑體積比、助劑種類(鹽酸、硝酸)與用量、混合時(shí)間等檢測(cè)條件,用SSR-3010型便攜式拉曼光譜儀檢測(cè),確定最佳表面增強(qiáng)拉曼光譜檢測(cè)條件:被測(cè)溶液100μL、納米金表面增強(qiáng)試劑200μL、助劑16.7%(體積分?jǐn)?shù))硝酸溶液(即硝酸與水的體積比為1∶5)20μL、均勻混合10 s。

1.3.4 表面增強(qiáng)拉曼光譜定量檢測(cè)方法摸索

以100 mg·L－1可待因、福爾可定標(biāo)準(zhǔn)溶液為母液,配制質(zhì)量濃度均為10,20,30,40,50,60,70,80,90,100 mg·L－1的可待因、福爾可定標(biāo)準(zhǔn)溶液系列,按1.3.3節(jié)中確定的最佳條件進(jìn)行系列表面增強(qiáng)拉曼光譜檢測(cè),以探討其定量分析的可行性。

2 結(jié)果與討論

2.1 分子的幾何構(gòu)型

可待因、福爾可定的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。應(yīng)用B3LYP/6-31G(d,p)混合基組對(duì)可待因、福爾可定進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和頻率計(jì)算,優(yōu)化后的分子構(gòu)型如圖2所示,在結(jié)果中未發(fā)現(xiàn)虛頻的存在,說(shuō)明優(yōu)化得到的分子結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的。為了能詳細(xì)表達(dá)分子的振動(dòng)頻率,對(duì)分子中每個(gè)原子前面加數(shù)字編號(hào),如1C表示1號(hào)碳原子,8H 表示8號(hào)氫原子。

圖1 可待因和福爾可定的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structures of codeine and pholcodine

圖2 優(yōu)化后的分子構(gòu)型Fig.2 Optimized molecular configurations

2.2 可待因與福爾可定拉曼譜圖解析

由圖1和圖2可知,可待因和福爾可定的結(jié)構(gòu)大體相似,均為嗎啡類似物,都具有左旋光性,福爾可定比可待因多一個(gè)1,4-氧氮六環(huán)(嗎啡啉)。圖3(a)從上而下分別是可待因DFT 理論計(jì)算模擬拉曼光譜圖(簡(jiǎn)稱DFT)、標(biāo)準(zhǔn)品粉末實(shí)測(cè)所得拉曼光譜圖(簡(jiǎn)稱EXP)及低濃度水平標(biāo)準(zhǔn)溶液的表面增強(qiáng)拉曼光譜圖(簡(jiǎn)稱SERS);圖3(b)從上而下分別是福爾可定的DFT、EXP和SERS圖。

由圖3(a)和圖3(b)中DFT 圖可知:可待因DFT理論模擬主要特征峰位于288.00,376.00,424.00,496.00,624.00,656.00,688.00,888.00,1 072.00,1 136.00,1 192.00,1 240.00,1 280.00,1 304.00,1 360.00,1 400.00,1 496.00,1 536.00,1 632.00,1 664.00,1 688.00 cm－1等處;福爾可定比可待因多了1,4-氧氮六環(huán)(嗎啡啉)結(jié)構(gòu),但可待因分子結(jié)構(gòu)中也包含C－O、C－C 和C－N 等表征1,4-氧氮六環(huán)(嗎啡啉)結(jié)構(gòu)的主要鍵,因此福爾可定DFT 理論模擬拉曼光譜主要特征峰與可待因基本一致,主要特征峰位于280.00,322.00,344.00,432.00,632.00,784.00,864.00,952.00,1 032.00,1 080.00,1 120.00,1 168.00,1 184.00,1 232.00,1 248.00,1 304.00,1 336.00,1 376.00,1 488.00,1 520.00,1 632.00,1 672.00,1 688.00,1 696.00 cm－1等處,福爾可定在784.00,1 032.00 cm－1處的特征峰比可待因明顯。

圖3 典型拉曼光譜圖Fig.3 Typical Raman spectra

由圖3(a)和圖3(b)中EXP 圖可知:可待因和福爾可定標(biāo)準(zhǔn)品粉末實(shí)際檢測(cè)的拉曼光譜圖特征峰也是基本一致,但福爾可定特征峰的拉曼強(qiáng)度整體上大于可待因;可待因在911.10 cm－1處的特征峰拉曼強(qiáng)度明顯高于福爾可定,福爾可定在775.78 cm－1和1 042.88 cm－1處的特征峰拉曼強(qiáng)度明顯不同于可待因,這可能是由于它們具體化學(xué)環(huán)境不同產(chǎn)生的。

由圖3(a)和圖3(b)中SERS圖可知:可待因和福爾可定直接進(jìn)行拉曼檢測(cè)時(shí),拉曼效應(yīng)非常弱,加入納米金表面增強(qiáng)試劑后,400～1 800 cm－1附近分子整體的各種振動(dòng)強(qiáng)度增強(qiáng)數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí),這可以理解為物理增強(qiáng)占主導(dǎo)的表面增強(qiáng)試劑對(duì)基底附近分子有增強(qiáng)的表現(xiàn)?？纱蛟?55.50,530.13,596.00,814.00,936.67,1 263.02,1 435.18,1 595.26 cm－1等處的特征峰拉曼增強(qiáng)效果明顯;福爾可定在355.50,530.13,628.58,816.60,1 251.41,1 444.02,1 601.59 cm－1等處的特征峰拉曼增強(qiáng)效果明顯。

根據(jù)圖3對(duì)可待因和福爾可定分子的拉曼光譜圖進(jìn)行振動(dòng)模式與振動(dòng)峰歸屬分析,結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 可待因、福爾可定理論計(jì)算與實(shí)測(cè)拉曼光譜的特征峰波數(shù)與歸屬Tab.1 Theoretical and experimental wavenumbers of characteristic peaks and their assignments of codeine and pholcodine

由表1可知,實(shí)測(cè)的拉曼光譜吸收峰和表面增強(qiáng)拉曼光譜吸收峰主要集中在300～2 000 cm－1內(nèi),而2 000 cm－1之后的理論計(jì)算值中出現(xiàn)的峰都被較大的削弱了,如O－H、N－H 極性鍵在3 000 cm－1以上的特征峰幾乎均消失。由圖3和表1可知,大部分特征峰(如苯環(huán)的振動(dòng)等)拉曼位移理論計(jì)算值、標(biāo)準(zhǔn)品實(shí)測(cè)值、表面增強(qiáng)實(shí)測(cè)值三者基本是一致的,但會(huì)有一定程度的藍(lán)移和紅移;可待因標(biāo)準(zhǔn)品粉末直接拉曼檢測(cè)在1630.06,1 451.67,1 349.39,1 065.11,976.69 cm－1等處產(chǎn)生的特征吸收峰,在表面增強(qiáng)拉曼檢測(cè)時(shí)藍(lán)移至1 595.26,1 435.18,1 327.28,1 026.35,936.67 cm－1等處;福爾可定標(biāo)準(zhǔn)品粉末直接拉曼檢測(cè)在1 624.10,1 469.52,1 341.07,1 042.88,944.17 cm－1等處產(chǎn)生的特征吸收峰,在表面增強(qiáng)拉曼檢測(cè)時(shí)藍(lán)移至1 601.59,1 444.02,1 327.28,1 026.35,936.67 cm－1等處。

2.3 表面增強(qiáng)拉曼檢測(cè)條件優(yōu)化及測(cè)定下限

調(diào)節(jié)被測(cè)溶液與納米金表面增強(qiáng)試劑體積比、助劑種類(鹽酸、硝酸)與用量、混合時(shí)間等檢測(cè)條件,用SSR-3010型便攜式拉曼光譜儀檢測(cè),確定最佳表面增強(qiáng)拉曼光譜檢測(cè)條件,如1.3.3節(jié)中所示。在此條件下,對(duì)質(zhì)量濃度在1～100 mg·L－1內(nèi)的可待因、福爾可定標(biāo)準(zhǔn)溶液系列進(jìn)行測(cè)定,結(jié)果發(fā)現(xiàn),質(zhì)量濃度低于10 mg·L－1時(shí),可待因、福爾可定的特征峰拉曼強(qiáng)度減弱或消失比較明顯。圖4為質(zhì)量濃度為10,100 mg·L－1的可待因、福爾可定標(biāo)準(zhǔn)溶液的表面增強(qiáng)拉曼比對(duì)譜圖。

圖4 10,100 mg·L－1的可待因和福爾可定標(biāo)準(zhǔn)溶液的表面增強(qiáng)拉曼光譜圖Fig.4 SERS spectra of 10,100 mg·L－1 codeine and pholcodine standard solutions

結(jié)果表明:100 mg·L－1的可待因拉曼譜圖各特征峰(355.50,530.13,596.00,631.29,698.37,814.00,936.67,1 263.02,1 327.38,1 435.18,1 513.97,1 595.26 cm－1)明顯;當(dāng)可待因質(zhì)量濃度降低至 10 mg·L－1時(shí),698.37,814.00,1 327.38 cm－1等處的特征峰消失;繼續(xù)降低可待因質(zhì)量濃度,特征峰消失的更為明顯。同理,100 mg·L－1的福爾可定拉曼譜圖各特征峰(355.50,527.36,598.72,628.58,798.42,816.60,936.67,1 251.41,1 327.38,1 441.82,1 601.59 cm－1)明顯;當(dāng)福爾可定質(zhì)量濃度降低至10 mg·L－1時(shí),雖然特征峰都能完整顯現(xiàn)出來(lái),但是拉曼強(qiáng)度大大降低;繼續(xù)降低福爾可定的質(zhì)量濃度,福爾可定的拉曼光譜圖特征峰不再明顯,甚至消失。因此,在此檢測(cè)條件下,可待因、福爾可定的測(cè)定下限為10 mg·L－1。

2.4 可待因及福爾可定定量檢測(cè)可行性探析

2.4.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線

拉曼表面增強(qiáng)過(guò)程實(shí)際影響因素相當(dāng)復(fù)雜,由于各基團(tuán)所處化學(xué)環(huán)境不同,表面增強(qiáng)過(guò)程中各特征峰值強(qiáng)度隨各濃度點(diǎn)變化情況各不相同,往往某一波數(shù)處的特征峰值強(qiáng)度與該濃度點(diǎn)線性關(guān)系不明顯,因此本工作在系列數(shù)據(jù)定量分析處理過(guò)程中,尋找相對(duì)合適的兩波數(shù)(波數(shù)1和波數(shù)2),以波數(shù)1與波數(shù)2 強(qiáng)度比作為相對(duì)強(qiáng)度,進(jìn)行線性分析可行性探討。按1.3.3節(jié)中確定的最佳表面增強(qiáng)拉曼光譜檢測(cè)條件,對(duì)可待因、福爾可定標(biāo)準(zhǔn)溶液系列進(jìn)行檢測(cè)?？纱?、福爾可定標(biāo)準(zhǔn)溶液系列的表面增強(qiáng)拉曼圖譜如圖5所示。

圖5 可待因和福爾可定標(biāo)準(zhǔn)溶液系列的表面增強(qiáng)拉曼光譜圖Fig.5 SERS spectra of codeine and pholcodine standard solution series

經(jīng)大量數(shù)據(jù)對(duì)比,確定可待因的波數(shù)1為631.29 cm－1,波數(shù)2為1 595.26 cm－1;福爾可定的波數(shù)1為628.58 cm－1,波數(shù)2為1 251.41 cm－1。以可待因、福爾可定的質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo),特征峰強(qiáng)度比值為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。結(jié)果表明:可待因、福爾可定標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性范圍均為40～100 mg·L－1,其線性回歸方程和相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表2。

表2 線性參數(shù)Tab.2 Linearity parameters

2.4.2 精密度和回收試驗(yàn)

以體積比為1∶1的甲醇-水混合液作為空白基質(zhì),在空白基質(zhì)中添加可待因、福爾可定標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液,配制成加標(biāo)量為50 mg·L－1的樣品溶液,再進(jìn)行回收試驗(yàn)。每個(gè)樣品按1.3.3節(jié)中確定的最佳表面增強(qiáng)拉曼光譜檢測(cè)條件平行測(cè)定5次,計(jì)算回收率和測(cè)定值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)。結(jié)果表明,可待因和福爾可定的回收率分別為99.0%～105%,102%～104%,RSD分別為5.3%,5.9%,說(shuō)明所建立的方法精密度、準(zhǔn)確度可滿足拉曼快速檢測(cè)需求。

由于表面增強(qiáng)拉曼光譜在增強(qiáng)過(guò)程中具有一定的偶然性,整體的可待因和福爾可定的線性關(guān)系不是很明顯,因此本工作只是對(duì)可待因及福爾可定在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行線性關(guān)系可行性探討,如果要深入探究可待因及福爾可定的定量檢測(cè)可行性還需進(jìn)一步研究。

本工作探析了可待因及福爾可定標(biāo)準(zhǔn)品粉末拉曼光譜特征峰的形成原因,并在最佳條件下,對(duì)樣品測(cè)定下限進(jìn)行摸索,同時(shí)研究了可待因和福爾可定低濃度水平系列標(biāo)準(zhǔn)溶液的表面增強(qiáng)拉曼檢測(cè)效果。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,可待因、福爾可定的測(cè)定下限為10 mg·L－1;可待因在631.29 cm－1和1 595.26 cm－1波數(shù)處、福爾可定在628.58 cm－1和1 251.41 cm－1波數(shù)處的特征峰強(qiáng)度比值,與其對(duì)應(yīng)的質(zhì)量濃度(40～100 mg·L－1)有相對(duì)較好的線性關(guān)系。當(dāng)質(zhì)量濃度低于40 mg·L－1時(shí),線性關(guān)系不再明顯,同時(shí)當(dāng)可待因及福爾可定濃度高于100 mg·L－1時(shí),濃度達(dá)到飽和,也不再具有良好的線性關(guān)系?？纱蚝透柨啥ǖ谋砻嬖鰪?qiáng)拉曼測(cè)定方法的建立,為這兩種管制藥品提供了拉曼檢測(cè)的理論依據(jù)和快檢支持。