有机分子内部化学键的振动吸收频率通常主要位于红外波段, 但其分子间弱作用力(如氢键与范德华力)、 分子架构弯曲、 偶极子振动与转动能级跃迁以及晶体内晶格的低频振动吸收频率则主要位于太赫兹(THz)波段。 由于太赫兹波谱对有机分子结构差异及其周围环境影响非常敏感^[1], 因而太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)作为一种新型的无损探测技术, 能够实现物质的快速有效检测和定性鉴别^{[2, 3]}。 此外, 基于相干探测的THz-TDS技术不仅可以直接测量太赫兹电场的振幅信息, 而且可以同时获得太赫兹电场的相位信息, 其信噪比在远红外区的低频段远远高于基于非相干探测的傅里叶变换红外光谱技术(FTIR)。 虽然FTIR技术只能获得振幅信息, 但因其测试范围可以覆盖远红外-可见波段, 所以更适合测量THz-TDS技术无法覆盖的中红外波段。 因此, 充分结合FTIR和THz-TDS技术的优缺点进行物质特征吸收谱研究, 可以有效实现技术互补, 更好地完善物质的特征吸收谱信息。

糖是一类重要的生物分子, 通常分为单糖、 双糖和多糖。 作为人体必需的一种营养素, 糖供给人体能量, 并且是物质代谢的碳骨架。 此外, 糖还是构成细胞的骨架, 例如纤维素、 半纤维素、 木质素是植物细胞壁的主要成分, 肽聚糖是原核生物细胞壁的主要成分。 作为人类日常生活必需的一种单糖, 果糖在常温下呈现白色晶体状, 常以游离态存在于水果、 蔬菜、 瓜类和蜂蜜中, 并可与葡萄糖结合生成蔗糖(双糖)。 果糖的分子结构如图1所示。

迄今为止, 国内外已有一些有关果糖太赫兹和红外光谱的研究^[1], 但这些研究大多局限于单纯的实验测试或者基于单分子理论计算以解析实验获得的特征吸收峰起源, 缺乏关于固相果糖太赫兹和红外特征吸收峰及其起源的系统研究。 为此, 本工作采用太赫兹及红外光谱技术和从头算及密度泛函理论(density functional theory, DFT)等方法对果糖的固相太赫兹及红外特征吸收谱进行了系统全面的实验测试和理论解析, 报道了固相果糖在频谱大于3.0 THz以外的特征吸收峰的实验值, 实验测试了固相果糖的太赫兹和红外吸收谱; 通过数值计算, 对比研究了基于单分子以及晶胞的计算结果, 分析了分子内和分子间相互作用对果糖振动模式的影响, 解析了实验获得的特征吸收峰来源。 这些研究结果有助于理解晶体环境对物质振动模式的影响, 为生物大分子的量子化学模拟提供理论参考, 同时为太赫兹光谱技术在固相有机物性质研究方面的应用奠定基础。

图1

Fig.1

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	图1 果糖的分子结构Fig.1 Molecular structure of fructose

实验测试的果糖样品(分析纯, 纯度> 99.0%)购自成都化工厂。 测试固相太赫兹光谱时, 由于果糖分子在太赫兹波段的吸收较强, 为保证获得高质量的光谱测试信号, 制作测试样品时需要先将纯果糖样品与在太赫兹波段没有明显特征吸收峰的高密度聚乙烯(high density polyethylene, HDPE)分散剂充分混合(质量混合比1:6), 然后将混合均匀的样品研磨成精细粉末, 最后用一定的压力将粉末样品压制成厚度1.10 mm、 直径13 mm的圆薄片。 高密度聚乙烯的太赫兹频谱如图2所示。 测试固相红外光谱时, 同样需要先将纯果糖样品用溴化钾(KBr)分散剂稀释(混合质量比1:100), 然后将混合均匀的样品研磨成精细粉末, 最后将研磨好的精细粉末样品压制成厚度1.50 mm、 直径13 mm的圆薄片。 实验采用的太赫兹光谱测试系统为TPS-3000(TeraView Ltd., UK)^[4], 红外光谱测试系统为VERTEX 70(Bruker Optics Inc., GER)。

图2

Fig.2

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	图2 干燥空气和高密度聚乙烯HDPE的太赫兹频谱Fig.2 The measured terahertz spectra of dry air and HDPE

为了充分解析果糖的固相太赫兹特征吸收谱及红外特征谱, 对其分别进行了基于单分子和基于晶胞的数值计算。 其中, 单分子计算基于原子轨道线性组合理论, 分别采用Moller-Plesset(MP2)和Becke-Three-Lee-Yang-Parr(B3LYP)泛函, 基组均为6-311+G(d, p), 收敛标准“ very tight” , 且计算振动模式频率没有使用标度因子修正; 晶胞计算基于广义梯度近似DFT, 分别采用Perdew-Burke-Ernzerh(PBE)和Perdew-Wang 91(PW91)交换相关泛函^{[5, 6, 7, 8, 9]}, 基组均为模守恒Kleinman-Bylander赝势基组, 平面波截断能均为1 200 eV, 总能量收敛标准10^-8 eV· atom^-1, 原子间最大力收敛小于10^-5 eV· Å ^-1。 此外, 晶体结构优化在晶胞参数约束条件下进行, 果糖的晶胞参数: 空间群P2₁2₁2₁ (Z=4), a=8.088 Å , b=9.204 Å , c=10.034 Å , α , β , γ =90.0° 。 图3是果糖晶胞中的分子排列方式。

图3

Fig.3

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	图3 果糖晶胞中的分子排列方式Fig.3 Molecular packing in unit cell of fructose

图4是实验测试和采用不同理论方法计算获得的固相果糖分子太赫兹特征吸收谱。 图4(a)比较了采用基于单分子的MP2和B3LYP泛函的计算结果。 显然, 采用这两种泛函的计算结果很接近, 都得到了三个分子内振动模式(MP2泛函: 2.30, 2.98和3.64 THz; B3LYP泛函: 2.27, 2.98和3.65 THz), 而实验测试固相果糖获得的2.12, 2.95和3.56 THz处的特征吸收峰很可能源自这三个分子内振动模式。 由表1可知, 这三个特征吸收峰主要由果糖分子内的碳环变形和CH₂OH功能团扭曲振动产生。 然而, 采用单分子的MP2和B3LYP泛函进行数值计算只再现了固相果糖分子的三个特征吸收峰, 对比图4的实验测试结果, 可知果糖在太赫兹波段的大多数特征吸收峰源自分子间相互作用而非分子内相互作用。 为此, 分别采用基于晶胞的PBE和PW91交换相关泛函对固相果糖晶体进行了数值计算。

图4

Fig.4

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	图4 果糖实验测试和理论计算太赫兹光谱(a)基于单分子的B3LYP和MP2泛函(b)基于晶胞的PBE和PW91泛函Fig.4 The measured and calculated terahertz spectra of fructose by different methods (a) B3LYP and MP2 based on isolated-molecules (b) PBE and PW91 based on unit cells

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 果糖实验测试太赫兹吸收峰与理论计算振动模式 Table 1 Experimental THz absorption peaks and calculated vibration modes of fructose 实验测试 吸收峰/THz 理论计算振动模式/THz MP2 (单分子) B3LYP (单分子) PBE (晶胞) PW91 (晶胞) 振动模式描述 1.69 - - 1.74 1.71 分子沿晶胞a轴伸缩动 - - - 1.90 - 分子沿晶胞c轴伸缩动 2.12 2.30 2.27 2.10 2.08 碳环变形运动 2.43 - - 2.29 2.26 分子绕晶胞b轴转动 2.32 2.31 分子绕晶胞b轴转动 2.65 - - 2.53 2.46 分子绕晶胞c轴转动 - - - 2.64 2.53 分子绕晶胞c轴转动 2.95 2.98 2.98 2.97 3.18 — CH2OH扭曲运动 - - - 3.01 3.24 分子沿晶胞b轴伸缩动 3.24 - - 3.28 3.55 分子绕晶胞b轴转动 3.56 3.64 3.65 3.56 3.85 — CH2OH扭曲运动 3.68 - - 3.64 3.89 分子绕晶胞c轴转动 3.84 - - 3.72 - 分子绕晶胞b轴转动

表1 果糖实验测试太赫兹吸收峰与理论计算振动模式 Table 1 Experimental THz absorption peaks and calculated vibration modes of fructose

图4(b)比较了采用基于晶胞的PBE和PW91泛函计算获得的太赫兹特征吸收谱。 由图4(b)发现, 采用PBE泛函的计算结果比采用PW91泛函的计算结果更好地再现了实验测试的特征吸收峰, 分析认为主要是由于PBE泛函改进了PW91泛函, 可以更精确地描述原子、 分子和固体的局域自旋密度, 进而可以更精确地描述体系能量^{[10, 11, 12]}。 由图4(b)可见, 实验测得的五个较强的特征吸收峰(2.12, 2.65, 2.95, 3.68和3.84 THz)很可能来自基于PBE泛函计算得到的振动模式, 即2.10, 2.53, 2.97, 3.64和3.72 THz; 而实验测得的1.69 THz特征吸收峰很可能源于1.74 THz的振动模式; 至于实验值和计算值存在的吸收峰强度差异, 则可能是因为PBE泛函在计算振动模式时采用谐波近似方法, 从而低估了振动模式强度^[10]。 由此可见, 果糖在0.1~4.0 THz丰富的特征吸收峰与复杂的分子内和分子间相互作用(主要是分子间范德华力和氢键相互作用)密切相关。

图5是实验测试和基于单分子计算获得的固相果糖红外光谱, 表2详细列出了计算获得的振动模式和实验测试获得的红外特征吸收峰。 由图5(a)可见, 在500~650, 750~1 000和1 080~1 480 cm^-1波段, 采用基于单分子的B3LYP和MP2泛函都能很好地再现实验测试获得的红外特征吸收峰, 而且前者的计算结果与实验值更接近; 在1 020~1 180 cm^-1波段, 计算结果显示该波段存在很多频率间隔很小的高强度振动模式, 而实验测得1 089.7 cm^-1附近存在很宽的吸收带, 这可能是由于实验测试时设置的光谱仪分辨率不够高而导致无法清晰区分这些频率相距很近的振动模式。 在图5(b)的2 875~3 125 cm^-1波段, B3LYP和MP2泛函都能再现果糖的特征吸收; 而3 429.3 cm^-1附近的宽吸收带有可能源自以3 825.8 cm^-1为中心的多个振动模式。

图5

Fig.5

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	图5 果糖实验测试和理论计算(基于单分子的MP2和B3LYP泛函)红外光谱 (a): 500~1 600 cm-1; (b): 1 600~4 000 cm-1Fig.5 The measured and calculated infrared spectra of fructose (B3LYP and MP2 based on isolated-molecules) (a): 500~1 600 cm-1; (b): 1 600~4 000 cm-1

然而, 采用基于单分子的MP2和B3LYP泛函都没能计算再现出694.3, 1 637.5和2 025.1 cm^-1处的特征吸收峰, 分析认为单分子计算忽视了晶体环境对振动模式的影响。 尽管如此, 采用这两种泛函还是再现了固相果糖在500~4 000 cm^-1波段的大多数特征吸收峰, 而且由表2可知, 果糖在该波段的特征吸收主要来自分子内振动(以化学键的摇摆及伸缩、 基团的扭曲和碳环的变形振动为主)。

图6是实验测试和基于晶胞计算的固相果糖红外光谱, 显然, 采用基于晶胞的PBE和PW91泛函计算再现的红外光谱与实验测试光谱都很相近。 在图6(a)的500~720, 740~1 000和1 300~1 500 cm^-1波段, 采用PBE和PW91泛函的计算光谱都能再现所有的实验测试吸收峰; 在1 000~1 280 cm^-1波段, 以1 089.7 cm^-1为中心的宽吸收带很可能源自以1 110.0 cm^-1为中心的多个振动模式。 在图6(b)中, 采用PBE和PW91泛函的计算光谱也能很好地再现1 600~1 700和2 880~3 070 cm^-1波段的特征吸收; 而3 192.1和3 429.3 cm^-1附近的宽吸收带很可能分别源于以3 464.5, 3 779.3及3 867.7 cm^-1为中心的多个振动模式; 至于计算获得的振动模式显示出向高频方向偏移的倾向, 可能主要是由于DFT方法在计算振动模式时未考虑振动非谐性^[12]。 此外, 与单分子模拟方法比较, 基于晶胞的PBE和PW91泛函再现了694.3和1 637.5 cm^-1处的特征吸收(由表2可知, 这两处的特征吸收分别来自羟基的摇摆和碳环的变形运动), 更完整地再现了固相果糖的红外特征吸收峰。

图6

Fig.6

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	图6 果糖实验测试和理论计算(基于晶胞的PBE和PW91泛函)红外光谱 (a): 500~1 600 cm-1; (b): 1 600~4 000 cm-1Fig.6 The measured and calculated infrared spectra of fructose (PBE and PW91 based on unit cells) (a): 500~1 600 cm-1; (b): 1 600~4 000 cm-1

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 果糖实验测试红外吸收峰和理论计算振动模式 Table 2 Experimental infrared absorption peaks and calculated vibration modes of fructose 实验测试 吸收峰/cm-1 理论计算振动模式/cm-1 MP2 (单分子) B3LYP (单分子) PBE (晶胞) PW91 (晶胞) 振动模式描述 538.1 514.0 521.0 514.1 513.9 O— H键摇摆振动 623.0 630.2 633.4 628.9 628.1 O— H键摇摆振动 694.3 - - 662.5 663.0 O— H键摇摆振动 786.9 783.2 784.8 760.5 761.0 — CH2OH扭曲振动 815.9 813.0 812.5 805.4 795.3 碳环变形振动 873.7 867.4 866.2 867.3 875.7 — CH2OH扭曲振动 923.9 921.6 914.2 931.7 930.9 C— H键摇摆振动 975.9 981.0 981.8 981.3 990.1 C— H键摇摆振动 1 089.7 1 047.6 1 048.2 1 048.5 1 057.3 C— H和O— H键摇摆振动 - 1 097.0 1 097.8 1 096.9 1 105.3 C— H和O— H键摇摆振动 - 1 136.0 1 123.6 1 136.1 1 144.5 C— H和O— H键摇摆振动 1 265.2 1 247.8 1 249.4 1 250.1 1 258.5 — CH2OH扭曲振动 1 338.5 1 372.0 1 358.6 1 327.3 1 326.7 C— H和O— H键摇摆振动 1 400.3 1 414.8 1 413.6 1 386.5 1 387.1 — CH2OH扭曲振动 1 637.5 - - 1 627.3 1 617.3 碳环变形振动 2 025.1 - - - - - 2 900.8 2 978.2 2 979.0 2 978.9 2 987.3 C— H键伸缩振动 3 192.1 - - 3 464.5 3 465.7 O— H键伸缩振动 3 429.3 3 802.6 3 825.8 3 779.3 3 781.2 O— H键伸缩振动 - 3 830.4 3 837.2 3 867.7 3 865.7 O— H键伸缩振动

表2 果糖实验测试红外吸收峰和理论计算振动模式 Table 2 Experimental infrared absorption peaks and calculated vibration modes of fructose

系统研究了固相果糖的太赫兹与红外特征吸收谱, 报道了固相果糖在频谱大于3.0 THz以外的特征吸收峰的实验值, 通过比较基于单分子的两种泛函和基于晶胞的两种泛函的数值计算结果, 发现基于晶胞的数值计算模拟因为考虑了分子间相互作用, 而可以更准确地计算固相果糖的振动模式频率。 通过对比分析固相果糖的太赫兹和红外吸收谱, 发现固相果糖的红外特征吸收主要源于分子内振动, 而其太赫兹特征吸收峰大多源于分子间振动。 这些研究结果对于揭示固相果糖分子在太赫兹与红外光波段特征光谱的形成机制具有重要意义, 为鉴别固相果糖分子提供了丰富的理论与实验依据, 同时为其他生物大分子的量子化学计算模拟提供了理论参考。