廉 帥，陳 賓，顧一帆，宋 超，雷俊杰，高 勛*

1.長春理工大學(xué)理學(xué)院，吉林 長春 130022 2.長春理工大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，吉林 長春 130022 3.西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065

引 言

在當(dāng)代農(nóng)業(yè)中，農(nóng)藥是保證農(nóng)作物產(chǎn)量的一個(gè)必要條件。聯(lián)苯菊酯(Bifenthrin)是一種I型擬除蟲菊酯，其具觸殺，胃毒作用[1]，無內(nèi)吸，熏蒸作用，殺蟲譜廣[2]，作用迅速等特性，同時(shí)具有相對良好的光穩(wěn)定性，對哺乳動物或者鳥類等非目標(biāo)生物毒性較小[3]，且容易降解等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于防治棉鈴蟲、桃小食心蟲、梨小食心蟲、茶尺蠖、茶毛蟲等經(jīng)濟(jì)作物蟲害。但是，在農(nóng)作物生長過程中使用的聯(lián)苯菊酯農(nóng)藥的殘留物，對蜜蜂[4]、家蠶等有益昆蟲和水生生物有致死毒性[3]，增加了對人類和生物的健康風(fēng)險(xiǎn)。越來越多的報(bào)道表明聯(lián)苯菊酯對哺乳動物和人類具有潛在的內(nèi)分泌干擾作用[5]，免疫毒性，而且能夠殘留于肝臟等多種器官中。相關(guān)的研究表明，聯(lián)苯菊酯具有和其他擬除蟲菊酯類似的細(xì)胞毒性，神經(jīng)行為損傷能力[3]和雌激素效應(yīng)[6]。

常見的聯(lián)苯菊酯提取檢測方法有：氣相色譜法[7]、串聯(lián)質(zhì)譜法[8]，液相色譜法[9]等化學(xué)方法，這些化學(xué)檢測方法需要相對專業(yè)的技術(shù)人員和相當(dāng)復(fù)雜的樣品處理過程，存在工序復(fù)雜、費(fèi)時(shí)費(fèi)力和不能原位檢測等問題。因此，需要一種快速、操作便捷、工序簡單、檢測精確的檢測技術(shù)，進(jìn)而對聯(lián)苯菊酯的農(nóng)藥殘留進(jìn)行定性和定量檢測。拉曼光譜技術(shù)具有操作簡便，預(yù)處理較少，譜峰尖銳清晰，可以較為精確地定性定量地對分子物質(zhì)進(jìn)行表征[10]，被廣泛應(yīng)用于多種農(nóng)藥殘留檢測。密度泛函(density functional theory,DFT)理論方法是一種量子化學(xué)計(jì)算方法，主要用于理論預(yù)測分子的拉曼光譜[11]。利用密度泛函方法和拉曼光譜來研究分子性質(zhì)是當(dāng)前最有效的物質(zhì)研究手段。María V Castillo采用了密度泛函的6-31G*，6-311++**基組，結(jié)合實(shí)驗(yàn)光譜和B3LYP,WB97X計(jì)算，研究了狄試劑在氣相和水溶液中的結(jié)構(gòu)和振動特性[12]；Dong等采用了密度泛函理論對溴氰菊酯的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論分析，采用了金納米粒子和銀納米粒子作增強(qiáng)試劑獲得了草莓中殘留的的溴氰菊酯拉曼信號[13]；Abdulmujeeb T Onawole等利用密度泛函的B3LYP/6-311++G(d,p)基組計(jì)算了克霉唑的拉曼光譜并和用載銀石墨烯作增強(qiáng)基底獲得的表面增強(qiáng)拉曼光譜對比[14]；Han等測得了甲硝唑和羅硝唑的表面增強(qiáng)拉曼光譜，并與使用密度泛函理論的計(jì)算光譜進(jìn)行了比較[15]。因此，拉曼光譜技術(shù)可用來有效地檢測植物表面殘留的聯(lián)苯菊酯。由于聯(lián)苯菊酯農(nóng)藥殘留是近年來關(guān)注的問題，基于拉曼光譜技術(shù)對聯(lián)苯菊酯的農(nóng)藥殘留檢測相關(guān)研究報(bào)道較少。

本論文結(jié)合以密度泛函和實(shí)驗(yàn)的方法開展聯(lián)苯菊酯的拉曼光譜特性研究。使用Gaussian09軟件中的GaussView5.0軟件構(gòu)建聯(lián)苯菊酯的分子結(jié)構(gòu)，應(yīng)用B3LYP/6-31G密度泛函基組，對聯(lián)苯菊酯的分子空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化并計(jì)算了理論拉曼光譜，基于785 nm激光誘導(dǎo)獲得聯(lián)苯菊酯的實(shí)驗(yàn)拉曼光譜，對比分析理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)得到的拉曼光譜，對聯(lián)苯菊酯分子振動模式進(jìn)行了歸屬分析。研究結(jié)果將為農(nóng)作物表面殘留的聯(lián)苯菊酯檢測快速分析提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

聯(lián)苯菊酯拉曼檢測裝置如圖1所示，拉曼激發(fā)光源采用波長為785 nm、輸出功率為200 mW的半導(dǎo)體激光器(FC-D-785，長春新產(chǎn)業(yè)光電技術(shù)有限公司)，經(jīng)帶有準(zhǔn)直、擴(kuò)束(擴(kuò)束倍率×5)和透鏡(焦距7.5 mm)聚焦作用的光纖聚焦到聯(lián)苯菊酯固體樣品表面，產(chǎn)生的自發(fā)拉曼光譜由拉曼探頭(RPB-785-1.5-SS,上海如海光電科技有限公司)收集，瑞利散射光由濾光片(785 nm)濾除，耦合到配有CCD探測器的拉曼光譜儀(GE-Raman 785～1 100 nm，長春新產(chǎn)業(yè)光電技術(shù)有限公司)中進(jìn)行光譜探測，拉曼光譜測量范圍為100～3 700 cm-1，光譜分辨率為3.6 cm-1，光斑直徑為2 μm。實(shí)驗(yàn)中為了提高拉曼光譜強(qiáng)度和光譜穩(wěn)定，CCD曝光時(shí)間為4 s，激光功率穩(wěn)定度<1%。實(shí)驗(yàn)用的聯(lián)苯菊酯為純度99%的分析純標(biāo)準(zhǔn)品(上海阿拉丁生化科技股份有限公司)，當(dāng)光譜測量結(jié)束后，移動聯(lián)苯菊酯固體樣品，選樣品的不同部位進(jìn)行多次測量，以避免長時(shí)間的激光照射樣品導(dǎo)致聯(lián)苯菊酯產(chǎn)生光解作用。將多次測得的拉曼光譜進(jìn)行平均，減小光譜數(shù)據(jù)誤差。實(shí)驗(yàn)在室溫環(huán)境20 ℃，相對濕度40%和一個(gè)大氣壓環(huán)境下開展。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 Schematic diagram of the experiment

2 結(jié)果與討論

2.1 聯(lián)苯菊酯分子的幾何結(jié)構(gòu)

圖2 聯(lián)苯菊酯結(jié)構(gòu)式Fig.2 Chemical structural formula of Bifenthrin

圖3 優(yōu)化的聯(lián)苯菊酯空間結(jié)構(gòu)Fig.3 Optimized structure of Bifenthrin

2.2 聯(lián)苯菊酯拉曼光譜振動分析

基于密度泛函理論計(jì)算的聯(lián)苯菊酯的拉曼光譜如圖4所示(強(qiáng)度歸一化處理)，聯(lián)苯菊酯分子拉曼活性較強(qiáng)，主要集中500～1 500 cm-1頻移范圍。聯(lián)苯菊酯分子振動模式較多，拉曼峰位復(fù)雜。

理論計(jì)算聯(lián)苯菊酯分子在820,1 118,1 291,1 354和1 410 cm-1頻移處有較強(qiáng)的拉曼活性，但在頻移1 354 cm-1處拉曼活性最強(qiáng)。在820 cm-1處的振動由1C,2C,3C的伸縮振動及—CH3基團(tuán)(18C及35H,36H,37H組成)的變形振動產(chǎn)生；1 118 cm-1處的振動由—C—O—C—(7C,10O,14C組成)基團(tuán)的伸縮振動及30H，31H的扭式振動引起；1 291 cm-1處的振動比較強(qiáng)烈，由30H,31H的剪式振動、5C,6C,1C,18C的伸縮振動以及1C上的—CH3基團(tuán)(19C及38H,39H,40H組成)的變形振動共同產(chǎn)生；拉曼活性最強(qiáng)的峰1 354 cm-1是由苯環(huán)及苯環(huán)間的—C—C—鍵(9C,13C構(gòu)成)的伸縮振動、苯環(huán)上的41H,47H,49H的面內(nèi)搖擺振動的產(chǎn)生；1 410 cm-1處則是由14C上的33H和34H的面外搖擺振動產(chǎn)生的；其他拉曼譜峰的歸屬見表1所示。

圖4 聯(lián)苯菊酯理論計(jì)算光譜Fig.4 Bifenthrin theoretical calculation spectrum

表1 聯(lián)苯菊酯理論計(jì)算和固體粉末振動頻率的對比與歸屬Table 1 Comparison of the theoretical and solid vibration frequencies of Bifenthrin and its assignment

注：ξ伸縮振動；ω變形振動；γ面外搖擺振動；μ面內(nèi)搖擺振動；δ剪式振動；θ扭式振動；w:弱；m:中；s:強(qiáng)；BR:苯環(huán)

實(shí)驗(yàn)采用785 nm連續(xù)激光輻照聯(lián)苯菊酯固體得到的拉曼光譜如圖5所示。

圖5 聯(lián)苯菊酯實(shí)驗(yàn)光譜Fig.5 Bifenthrin experimental spectrum

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明聯(lián)苯菊酯分子的實(shí)驗(yàn)光譜和理論計(jì)算光譜存在著微小的頻移差，這是由于理論計(jì)算光譜是針對氣態(tài)單分子，而實(shí)驗(yàn)測得光譜是針對固相而進(jìn)行的。固相條件粉末相比氣態(tài)單分子多了復(fù)雜的分子間相互作用和基團(tuán)之間的作用。計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值之間的不一致可能是量子化學(xué)方法存在精確平衡幾何條件下高估力常熟的不協(xié)調(diào)和普遍趨勢導(dǎo)致的。另外，在實(shí)驗(yàn)光譜采集過程中，儀器產(chǎn)生的噪聲和處理實(shí)驗(yàn)光譜的過程也會對光譜偏移產(chǎn)生一定程度的影響。

對比理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測量的聯(lián)苯菊酯分子拉曼光譜(如圖4和圖5所示)，發(fā)現(xiàn)二者具有較好的匹配性，實(shí)驗(yàn)和理論上的拉曼光譜在頻移上相差較小。頻移為659，948,993和1 292 cm-1處拉曼峰形清晰，強(qiáng)度相對較高。因此可以將這幾處頻移的拉曼峰作為聯(lián)苯菊酯定性定量分析的依據(jù)。

3 結(jié) 論

運(yùn)用Gauss View5.0軟件構(gòu)造出聯(lián)苯菊酯分子初步空間構(gòu)型，應(yīng)用密度泛函(DFT)方法B3LYP/6-31G基組，在Gaussian09軟件中優(yōu)化聯(lián)苯菊酯分子的空間結(jié)構(gòu)并計(jì)算了其理論拉曼光譜。通過和聯(lián)苯菊酯農(nóng)藥分子的實(shí)驗(yàn)所測得的拉曼光譜進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)具有較好的匹配性。并以此為基礎(chǔ)，對500～1 500 cm-1區(qū)間內(nèi)的拉曼光譜進(jìn)行了全面的歸屬，比較了聯(lián)苯菊酯農(nóng)藥分子的理論和實(shí)驗(yàn)所測得的拉曼光譜。找到了聯(lián)苯菊酯分子的特征峰，并分析了理論和實(shí)驗(yàn)光譜中存在微小差異的原因。