两种违禁药品的太赫兹振动光谱计算及分析

逯美红，王志军

（长治学院电子信息与物理系，山西长治046011）

两种违禁药品的太赫兹振动光谱计算及分析

逯美红，王志军

（长治学院电子信息与物理系，山西长治046011）

盐酸O6单乙酰吗啡和氨基磺酸O3单乙酰吗啡属于阿片类生物碱，是两种违禁药品，严重危害人体健康和社会安全。基于密度泛函理论和B3LYP∕6-31G(d,p)基组，用Gaussian09软件计算了盐酸O6单乙酰吗啡和氨基磺酸O3单乙酰吗啡分子在0～2.5 THz频率范围内的振动光谱，并对其特征吸收峰进行指认归属。

THz光谱；违禁药品；密度泛函理论

1　引言

盐酸O6单乙酰吗啡和氨基磺酸O3单乙酰吗啡会麻痹人的神经系统，使神经系统反馈迟钝，给人们身心健康造成严重危害。目前，国内外常用化学分析法、光谱检测法等进行检测[1-5]。但这些方法属于有损检测，对样品有一定程度的破坏。由于太赫兹（THz，1012Hz）波对包裹、纸箱、塑料等各种非极性材料有良好的穿透性，而且THz波的能量低，因此，THz技术可通过识别样品分子的特征吸收峰，实现对样品分子的无损探测[6-11]。

电磁波与物质相互作用，会激发出丰富的分子振动能级信息。分子红外吸收光谱主要体现在物质中重原子的伸缩振动、某些变角振动、骨架振动以及晶体中晶格振动等振动模式中。随着近年来密度泛函理论方法的发展，已经能够对化合物的振动频率进行预测[12-14]，使得THz光谱在检测和识别中的应用得到拓展。

文章利用密度泛函理论计算盐酸O6单乙酰吗啡和氨基磺酸O3单乙酰吗啡的分子结构和红外特征频率，并与实验结果进行比较，为违禁药品数据库的建立及检测提供了依据。

2　理论计算

利用Gaussian09软件，对盐酸O6单乙酰吗啡和氨基磺酸O3单乙酰吗啡的分子结构进行优化，优化后的分子模型分别如图1和图2所示。基于密度泛函理论及B3LYP/6-31（d）基组，理论计算了其THz吸收光谱，得到的0～2.5 THz频率范围内的吸收光谱分别如图3和图4所示。

图1　盐酸O6单乙酰吗啡优化后的分子模型

图2　氨基磺酸O3单乙酰吗啡经优化后的分子模型

图3　盐酸O6单乙酰吗啡的吸收光谱

图4　氨基磺酸O3单乙酰吗啡的吸收光谱

由图3可以看出，盐酸O6单乙酰吗啡在1.25 THz、1.64 THz、1.97 THz和2.32 THz处有吸收明显吸收特征；由图4可以看出，氨基磺酸O3单乙酰吗啡1.18 THz、1.59 THz、1.91 THz和2.29 THz处有明显的吸收特征峰。

3　结果与讨论

3.1理论计算与实验结果的对比与分析

由已报道的盐酸O6单乙酰吗啡和氨基磺酸O3单乙酰吗啡的吸收光谱实验结果可知[15]，盐酸O6单乙酰吗啡在1.71 THz和1.98 THz处有明显的吸收，在1.2 THz、1.6 THz、2.2 THz附近也有弱吸收；氨基磺酸O3单乙酰吗啡在1.00 THz、1.40 THz、和1.89 THz是氨基磺酸O3单乙酰吗啡特征吸收峰，这些特征吸收峰就是这两种物质对应的“指纹图谱”。

对比实验和理论结果可以看出，盐酸O6单乙酰吗啡理论计算结果中1.97 THz处吸收峰与实验结果中1.98 THz处吸收峰相吻合。在理论计算得出的吸收光谱中，1.25 THz，1.64 THz和2.32 THz处也有明显的吸收峰，这些吸收峰在实验结果中也可以找到，分别对应1.20 THz，1.50 THz和2.40 THz处的吸收峰，只是这些峰在实验结果中不明显，因此没有标注。氨基磺酸O3单乙酰吗啡理论计算结果中1.91 THz处的吸收峰与实验结果中1.89THz处吸收峰吻合的很好。在理论计算结果中，1.18 THz、1.59 THz和2.29 THz处也有吸收峰，这些吸收峰分别对应实验结果中的1.0 THz、1.40 THz和2.45 THz处的吸收峰，其中2.45 THz处的特征峰较弱，文中未标明。

虽然理论计算结果和实验结果吻合较好，但还是存在一定差异，其主要原因有：①理论模拟采用的是单分子气相模型，对于固态材料的THz光谱，除了分子内部的振动模式，分子之间的作用也会影响振动模式；②理论模拟模型是在绝对零度下进行的，而实验结果是在室温条件下得出的，模型没有考虑到室温对THz光谱的影响；③理论计算中的假设和基组的选择也会对计算结果造成影响。

3.2振动模式的归属

根据计算结果，借助于GaussianView5.0软件的可视化功能，对这两种样品分子的远红外振动模式进行了识别。盐酸O6单乙酰吗啡的振动模式如图5所示，在1.25 THz处的吸收峰是由36CH3和41CH3相对摇摆引起的；在1.64 THz处的吸收峰是由甲基上37C-H的摇摆引起的；1.97 THz处的吸收峰是由41CH3与36CH3作剪式振动引起的；在2.32 THz处的吸收峰由36CH3的扭摆引起。

氨基磺酸O3单乙酰吗啡分子振动模式如图6所示，在1.18 THz处的吸收峰是除苯环以外的所有C原子绕z轴做面内摇摆引起的；1.59 THz处的吸收峰是33H绕32CH3做扭摆引起的；1.91 THz处是苯环与—41CH3面外摇摆引起的；2.29 THz处的吸收峰是—32CH3做扭摆引起的。

4　结论

利用Gaussian09软件对两种违禁药品盐酸O6单乙酰吗啡和氨基磺酸O3单乙酰吗啡进行了空间优化，并基于密度泛函理论，用B3LYP/6-31（d）基组计算得到了0～2.5 THz频率范围内的吸收光谱，计算结果与实验结果吻合较好。同时，对盐酸O6单乙酰吗啡和氨基磺酸O3单乙酰吗啡的吸收光谱的分子振动模式进行了归属指认。研究表明密度泛函理论可以作为化合物的红外频率的合理预测，为该类违禁药品的检测和监管提供重要依据。

图6　氨基磺酸O3单乙酰吗啡分子的振动模式

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（责任编辑郝瑞宇）

THz Vibrational Spectra Calculation and Analysis of Two Illicit Drugs

Lu Mei-hong，Wang Zhi-jun
（Department of Electronic Information and Physics，Changzhi University，Changzhi Shanxi 046011）

Hydrochloric acid O6Monoacetylmorphine and sulfamic acid O3Monoacetylorphine belong to illicit drugs.The DFT theory and B3LYP/6-31G(d，p)basis set were applied to optimize the molecular structures and calculate the absorption spectrum from 0 to 2.5THz and absorption peak were assigned.Theoretical results show that the distinct absorption peak of Hydrochloric acid O6Monoacetylmorphine appeared at 1.25THz, 1.64THz,1.94THz and 2.32THz and the distinct absorption peak of sulfuric acid O3Monoacetylorphine appeared at 1.18THz,1.59THz,1.91THz and 2.29THz.They were in agreement with the results of experiment.The results suggest that THz technique can be an effective way to inspect the illicit drugs.Also,theoretical DFT can provide an reasonable forecast for infrared frequency of compound.

THz Spectra;illicit drugs;DFT theory

O657.37

A

1673-2014（2016）05-0015-04

2016—08—19

逯美红（1979—），女，山西孝义人，副教授，主要从事光谱技术方面的研究。