基于密度泛函理论对冰毒分子不同构象拉曼光谱的研究
高楠1, 屠潜2, 隋成华2,3
1. 浙江工业大学计算机科学与技术学院, 浙江 杭州 310023
2. 浙江工业大学理学院, 浙江 杭州 310023
3. 浙江工业大学生物与医学物理信息技术协同创新中心, 浙江 杭州 310023

作者简介: 高 楠, 女, 1983年生, 浙江工业大学计算机科学与技术学院讲师 e-mail: gaonan@zjut.edu.cn

摘要

冰毒作为一种新型毒品, 近年来泛滥速度不断加快, 社会危害日益突出, 对相关监管部门带来了严峻的挑战, 如何能够提供一种无损、 快速、 实时与准确的冰毒检测方法具有重要的实际意义和应用价值。 拉曼光谱是一种较为符合上述要求的新颖方法, 但由于冰毒分子构象上的不同会导致其拉曼光谱存在差异, 进而对冰毒现场实时的检测造成影响, 甚至产生误判, 并对毒品拉曼数据库的建立带来非常大的困难。 因此, 根据密度泛函理论, 采用Becke-3-Lee-Yang-Parr (B3LYP)杂化泛函方法在6-31G基组下分别以冰毒分子ϕ1, ϕ2和ϕ3三个二面角为变量, 在0°~360°范围内, 以10°为步长做了势能面扫描, 取能量的极小值点从而获得12个不同的冰毒分子稳定构象, 在此基础上, 采用B3LYP方法6-31G++(d, p)基组选取其中4种能量较低的构象做进一步优化以及振动频率的计算, 并将最终得到的计算拉曼光谱与实验光谱进行比较, 结果表明: 构象上的差异使计算得到的冰毒拉曼光谱中746, 837和1 356 cm-1处的特征峰位置产生了不同程度的偏移, 而632, 1 003, 1 180和1 312 cm-1处的特征峰则基本不受构象影响, 因此, 在对可疑样品进行识别时上述不受构象影响的特征峰可以作为冰毒主要的特征峰来进行快速匹配, 而这种通过关键特征峰进行匹配的方法相比于传统的相关系数匹配算法显然更为快捷; 同时在选取的4种能量较低的构象中, 由构象Ⅸ计算得到的结果与实验值最为吻合, 于是在文中采用该结果并结合各振动频率的势能分布以及相关文献对冰毒实验拉曼特征峰进行了详细的归属。 其中, 1 003 cm-1为冰毒拉曼最强特征峰, 归属为苯环的环呼吸振动; 837 cm-1处特征峰归属为NH摇摆振动; 此外, 1 180 cm-1处的特征峰归属为C—N伸缩振动; 1 312 cm-1处则归属为CH2摇摆振动。 上述这些研究结果将为今后的毒品检测、 毒品拉曼数据库的建立以及药物分子拉曼光谱理论计算研究提供有益的参考。

关键词: 拉曼光谱; 冰毒; 密度泛函计算; 构象
中图分类号:O657.3 文献标志码:A
Study on Different Conformation Raman Spectra of Methamphetamine Based on Density Functional Theory
GAO Nan1, TU Qian2, SUI Cheng-hua2,3
1. College of Computer Science & Technology, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310023, China
2. College of Science, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310023, China
3. Collaborative Innovation Center for Information Technology in Biological and Medical Physics, Hangzhou 310023, China
Abstract

As a new-type drug, methamphetamine has been spreading rapidly in recent years and its social harm has become increasingly serious, which has brought severe challenges to the relevant regulatory authorities. How to provide a non-destructive, fast and accurate drug detection method has important practical and application value. Based on the above conditions, Raman spectroscopy is a novel method. However, due to the differences of methamphetamine molecules, the Raman spectra detected are different, which affect the on-site methamphetamine detection, and even cause misjudgment, and bring great difficulties to the establishment of the database of Raman spectra of methamphetamine. Therefore, according to the density functional theory, the Becke-3-Lee-Yang-Parr (B3LYP) hybrid functional method was used to determine the three dihedral angles of the methamphetamine molecules ϕ1, ϕ2 and ϕ3 on the 6-31G basis. In the range of 0°~360°, the potential energy surface scanning was performed in steps of 10° respectively, and 12 different stable conformations of methamphetamine molecule were obtained based on minimal energy points. Besides those, four lower energy conformations were further optimized and their vibration frequencies were calculated on the 6-31G++(d, p) basis set. Finally the theoretical Raman spectra obtained were compared with the experimental spectra. The results showed that the differences of methamphetamine conformations produced various shifts on peak positions at 746, 837 and 1 356 cm-1 in Raman spectra, however, the Raman peaks positions at 632, 1 003, 1 180 and 1 312 cm-1 were basically unaffected. Therefore, when we identify suspicious samples, those unaffected peaks could be used as the identifier spectra of methamphetamine, and the matching method by identifier Raman spectra is obviously faster than most traditional correlation coefficient matching algorithms. Meanwhile, in the four lower energy conformations selected, the calculated results from the conformation IX were the closest to the experimental values. Therefore, in order to assign the experimental Raman identifier spectra of methamphetamine, the IX’ result was combined with the potential energy distribution of each vibration frequency and related literature. In those results, 1 003 cm-1 was the strongest identifier peak of methamphetamine, which was assigned to the aromatic respiration vibration. The Raman peak at 837 cm-1 was assigned to NH rocking vibration. In addition, the Raman peak at 1 180 cm-1 was attributed to CN stretching vibration and 1 312 cm-1 belonged to CH2 wagging vibration. These researches have the potential to provide useful references for drug detection, database of drug Raman spectra establishment and theoretical calculation of Raman spectroscopy of drug molecular in future.

Keyword: Raman spectroscopy; Methamphetamine; Density functional theory; Conformation
引 言

冰毒, 又名甲基安非他明, 是一种无味透明晶体, 属于新型合成毒品, 成瘾性及对人体的危害要远远强于海洛因, 吗啡等传统毒品[1]。 近年来, 吸食冰毒的人群也越来越向年轻化, 大众化方向发展, 对人民健康与社会发展造成严重危害[2]。 目前, 禁毒过程中检测冰毒的方法主要有高效液相色谱法、 红外光谱法以及拉曼光谱法等[3, 4, 5, 6]。 拉曼光谱法较上述方法有实时、 快速、 无损、 非接触和样品无需预处理等优点[7, 8, 9], 在冰毒检测研究领域已得到广泛应用。 Triplett等采用拉曼光谱对不同浓度的冰毒和乙醇混合溶液进行了检测, 同时又与气相色谱质谱联用法检测得到的结果进行比较分析[10]。 Taplin等采用拉曼光谱仪对苯丙胺类毒品进行了检测并对这些毒品拉曼光谱特征峰进行了区分和总结[11]

由于冰毒分子存在可以旋转的柔性碳链, 因此可存在多种不同构象, 考虑到分子不同的构象会对其拉曼光谱造成影响[12], 进而影响其现场检测时的快速识别。 本文采用Becke-3-Lee-Yang-Parr (B3LYP)杂化泛函方法在6-31G基组下分别以ϕ 1, ϕ 2和ϕ 3三个二面角为变量, 在0° ~360° 范围内, 以10° 为步长做了势能面扫描, 选取能量的极小值点从而获得12个不同的冰毒分子稳定构象。 在此基础上采用B3LYP方法, 6-31G++(d, p)基组分别对不同的构象做进一步优化和振动频率计算, 并分析冰毒分子构象差异对其计算得到的拉曼光谱造成的影响。 同时, 又采用简正振动分析方法计算各振动频率的势能分布(PED)[13], 根据计算结果以及相关文献对实验检测得到的冰毒拉曼光谱特征峰做了详细归属。 这些工作将为今后的毒品实时检测、 毒品拉曼数据库的建立以及药物分子拉曼光谱理论计算研究提供有益的参考。

1 实验部分

冰毒样品由浙江省公安厅提供, 为现场缴获所得, 纯度为88.34%, 呈透明晶体状。 实验采用由上海如海光电科技有限公司生产的SEED3000型拉曼光谱仪, 其主要技术指标: 光谱采集范围为200~3 200 cm-1, 激发波长为785 nm, 激光输出功率最大为500 mW, 积分时间范围为1 ms~20 s。 实验过程中取质量为1.00 g的冰毒样品各5份进行激光拉曼光谱测试, 其中积分时间均为10 s, 激光功率为320 mW。

关于冰毒分子的不同构象, 本文采用B3LYP杂化泛函方法在6-31G基组下分别以ϕ 1, ϕ 2和ϕ 3三个二面角为变量, 在0° ~360° 范围内, 以10° 为步长做势能面扫描, 取能量的极小值从而获取了12个不同的稳定构象。 而其理论拉曼光谱则应用DFT中的B3LYP杂化泛函, 在6-31++G(d, p)基组下进行结构优化以及频率计算, 求得能量对坐标的二阶导数再除以原子质量, 获得振动频率。

2 结果与讨论
2.1 冰毒分子构象计算结果

图1给出了冰毒分子的初始结构, 由苯环上的一个氢原子被异丙基和甲胺基构成的支链取代, 形成单取代苯类化合物。 而冰毒分子的构象受到C12— C15键周围内部旋转的影响, 这种自由度将彻底改变分子的形状[12]。 因此, 本文在图1冰毒分子初始结构的基础上, 分别对ϕ 1, ϕ 2和ϕ 3这三个二面角做了势能面扫描, 得到冰毒分子的能量与其分子构象变化的对应关系, 并从中选取能量的极小值点, 从而得到如图2所示12个不同的构象。

图1 冰毒分子初始结构Fig.1 The original molecule structure of methamphetamine

图2 B3LYP/6-31G水平下势能面扫描得到的12种不同的冰毒分子结构Fig.2 12 different molecular structures of methamphetamine obtained from potential energy surface scanning at B3LYP/6-31G level

表1对12种构象的能量进行了统计, 其中Ⅳ , Ⅴ , Ⅵ 和Ⅻ 这4种构象中由于两个甲基之间, 甲基与乙基以及甲基与苯环之间距离较近, 基团上的H原子相互之间产生排斥作用, 因而使能量升高, 导致分子稳定性下降。 而Ⅲ , Ⅶ , Ⅸ 和Ⅹ 这4种冰毒构象两个甲基均成直线型排布, 并且均与苯环距离较远, 因此能量较低均为-444.735 Hartree。

表1 冰毒分子12种不同构象能量统计结果 Table 1 Energies of 12 different methamphetamine molecule conformations
2.2 冰毒分子构象对其计算拉曼光谱的影响

图3给出了Ⅲ , Ⅶ , Ⅸ 和Ⅹ , 4种能量相对较低的冰毒构象在B3LYP/6-31++G(d, p)水平下通过几何优化及频率计算得到的理论计算拉曼光谱与实验拉曼光谱的对比, 其中实验拉曼光谱为5份冰毒样品检测结果的平均值, 其离散度小于1%。 而在优化结构下计算得到振动频率都没有虚频存在, 表明各分子几何结构(c1点群)是稳定的。

图3 通过构象Ⅲ , Ⅶ , Ⅸ 和Ⅹ 计算得到的拉曼光谱与 实验检测得到的冰毒拉曼光谱对比Fig.3 Comparison of Raman spectra calculated by conformation Ⅲ , Ⅶ , Ⅸ and Ⅹ with experimental result

图3中计算得到的Ⅲ , Ⅶ , Ⅸ 和Ⅹ 这4种冰毒构象的理论拉曼光谱与实验结果对比, 实验拉曼光谱上837 cm-1位置的特征峰在Ⅲ , Ⅶ , Ⅸ , Ⅹ , 4种构象的理论拉曼光谱上分别表现为840, 800, 824和848 cm-1; 同时, 746和1 356 cm-1 处的特征峰也是如此, 彼此之间存在较大偏差。 因此, 通过理论计算得到的拉曼特征峰与实验得到的结果相比, 虽然大致相似, 但是由于分子构象不同, 导致有的特征峰位置存在明显偏移。 其中, 746, 837和1 356 cm-1位置与623, 1 003, 1 180和1 312 cm-1相比明显受构象的影响更大。 同时本文又对由上述四种构象计算得到的拉曼特征峰峰位和冰毒实验拉曼特征峰峰位进行了线性拟合, 结果如图4所示, 确定系数R2分别为0.997 261 88, 0.997 181 99, 0.998 800 36, 0.998 660 45。 与其他三种构象相比, 构象Ⅸ 的计算拉曼特征峰与实验测得的特征峰拟合程度更高, 与实际测试结果也更接近。

图4 通过冰毒分子Ⅲ (a), Ⅶ (b), Ⅸ (c), Ⅹ (d)四种构象计算得到的拉曼特征峰分别与冰毒实验拉曼特征峰线性拟合结果Fig.4 The correlation graphs between the experimental and the calculated wavenumbers conformation Ⅲ (a); conformation Ⅶ (b); conformation Ⅸ (c); conformation Ⅹ (d)

上述分析表明, 在现场、 实时、 快速检测疑似冰毒样品时, 将632, 1 003, 1 180和1 312 cm-1处的特征峰用于匹配显然更加适合。 同时, 在计算的所有构象中Ⅸ 与实验值更吻合, 也说明在冰毒分子中这种构象存在的可能性更大。 由于分子构象上的差异会对计算得到的拉曼光谱造成不同程度的影响。 因此, 在做理论计算并且需要根据计算结果对实验拉曼特征峰进行归属时, 往往需要选择合适的, 存在可能性更大的分子构象从而确保结果的可靠性。

2.3 冰毒拉曼光谱特征峰的归属

由于构象Ⅸ 计算得到的结果与实验值在所有研究的构象中最为吻合, 因此本文结合该结果, 冰毒分子各振动频率的势能分布及相关文献[10, 11], 对实验检测得到的特征峰做了归属。 图3表明冰毒样品实验拉曼光谱中存在4个明显振动峰: 837, 1 003, 1 180和1 312 cm-1。 其中, 1 003 cm-1为最强特征峰, 图3构象Ⅸ 理论拉曼光谱中与之对应的最强特征峰位于1 016 cm-1左右, PEDs为54%, 归属为苯环的环呼吸振动; 构象Ⅸ 理论拉曼光谱中特征峰824 cm-1与实验拉曼光谱中特征峰837 cm-1非常接近, 计算得到的PEDs为25%, 归属为NH摇摆振动; 此外, 1 180 cm-1处的实验特征峰相对较弱, 归属为C— N伸缩振动, 理论计算得到的特征峰位于1 184 cm-1与实验特征峰同样非常接近, PEDs为31%; 1 312 cm-1处则归属为CH2摇摆振动, PEDs为47%, 表2提供了冰毒样品实验拉曼特征峰的详细归属。

表2 冰毒实验拉曼特征峰的归属 Tab.2 The assignment of the experimental Raman peaks of methamphetamine

上述结果显示, 冰毒分子具有明显的拉曼特征峰, 同时理论计算结果同实验检测结果较为吻合, 从而表明这种通过实验检测结合DFT理论计算的方法可以对冰毒实验拉曼特征峰做有效的归属。 同时, 面对新型毒品更新速度快、 种类繁多的现状, 这一拉曼光谱的理论计算方法或将为今后毒品检测以及现场实时分析所需的毒品拉曼光谱数据库的建立和完善起到重要的作用。

3 结 论

采用拉曼光谱仪对冰毒样品进行了检测, 并利用密度泛函理论计算了其不同分子构象的拉曼光谱, 得到的结果表明: 746, 837和1 356 cm-1处的特征峰往往会因冰毒分子构象的变化而产生明显的偏移。 而632, 1 003, 1 180和1 312 cm-1处的特征峰基本不受构象影响, 因此在对可疑样品进行鉴别时, 可以作为冰毒的主要拉曼特征峰来进行快速匹配, 而这种通过特征峰进行匹配的方法相比于传统的相关系数匹配算法更加快捷, 在现场实时检测冰毒时具有较好的应用价值。 同时, 由构象Ⅸ 计算的得到的结果与实验最相符, 结合该结果与相关文献本文对实验检测到的冰毒拉曼特征峰进行了详细的归属。 这些研究结果将有助于我们未来对于毒品拉曼数据库的建立以及进一步展开新型手持、 非接触、 快速与无损型拉曼光谱毒品检测仪的研制工作。

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