三种不饱和脂肪酸的拉曼光谱及DFT计算快速鉴别方法的研究

彭 恒，候华毅，陈相柏

武汉工程大学光电信息与能源工程学院，湖北 武汉 430205

食用油中含有的脂肪酸可以分为饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸。不饱和脂肪酸至少含有1个C=C双键；只有1个C=C双键的为单不饱和脂肪酸，2个及2个以上的为多不饱和脂肪酸。油酸（oleic acid，OA），亚油酸（linoleic acid，LA）和亚麻酸（α-linolenic acid，ALA）是3种重要的并对健康有益的不饱和脂肪酸［1-3］。油酸是最常见的单不饱和脂肪酸，LA和ALA是分别含有2个和3个C=C双键的常见的多不饱和脂肪酸。在各种食用油中，油酸，亚油酸和亚麻酸的含量不同。本文的目的是找到一种快速区分三种不同脂肪酸而且能初步定量分析食用油的方法。

拉曼光谱已经广泛运用于研究各种各样类型的食用油［4-8］。在拉曼研究中，通常情况下是分析绝对散射强度。但是和绝对散射强度相比较，分析特征振动模式的相对强度相对容易并且能提供更多的详细信息［9-13］。所以在本次研究中，分析油酸，亚油酸和亚麻酸的特征振动模式的相对拉曼强度。

密度泛函理论（destiny functional theory，DFT）是一种研究多电子体系的量子力学方法，广泛运用于解释分子的物理化学性质［14-16］。本文采用B3LYP泛函和6-311G+（d，p）基组，对三种不饱和脂肪酸的分子结构进行了几何优化，在此基础上得到了三种不饱和脂肪酸的理论拉曼光谱。再将理论计算的相对拉曼强度和实验所得的相对拉曼强度进行比较。二者的结果显示分析相对拉曼强度可以区分不同类型的不饱和脂肪酸，并有助于初步定量区分食用油。

1 实验部分

OA（上海伊卡生物技术有限公司），LA（上海伊卡生物技术有限公司）和ALA（研峰科技）（样品纯度分别为98.5%，97%和97%）；XperRam200显微共聚焦拉曼光谱仪（NANOBASE公司，激光波长为532 nm）；便携式光谱仪（Ideaoptics公司，激光波长为785 nm）。实验测得的光谱都经过硅片校正。

在 DFT 理论计算中，使用的是 B3LYP［17-21］泛函和6-311+G（d，p）基组，几何优化和振动频率计算都在同一泛函和基组下进行。DFT计算所用的程序为ORCA［22］。计算所得的数据分析和绘图使用的是 Multiwfn_3，4，1程序［23］。

2 结果与讨论

图1（a）展示的是由Nanobase公司的显微共聚焦拉曼光谱仪在532 nm激发波长下测得的OA，LA和ALA的拉曼光谱。OA，LA和ALA的分子式分别为 C18H34O2，C18H32O2和 C18H30O2，3 种酸所含的C=C双键数目不同。根据计算结果，图1中位于1 660 cm-1的振动模式与C=C伸缩振动直接相关，1 440 cm-1的振动模式主要与C-H弯曲振动相关。这2处的振动模式很强并且受到附近振动模式的干扰较小。因此，选用这2处的特征振动模式来区分OA，LA和ALA光谱。

图1 油酸，亚油酸和亚麻酸的拉曼光谱：（a）532 nm，（b）785 nm，（c）DFT计算Fig.1 Raman spectra of OA，LA and ALA ：（a）532 nm，（b）785 nm，（c）DFT calculation

在图1（a）中，将1 440 cm-1处的振动模式的强度作为参考点对光谱进行归一化处理。OA，LA和ALA位于1 660 cm-1和1 440 cm-1峰强度的比值分别为1.1，1.8和3.1。并且，OA，LA和ALA分别有1个，2个和3个C=C双键。这些结果表明1 660 cm-1和1 440 cm-1相对强度的比值与C=C双键的个数有关。因此，相对拉曼强度分析可以区分不同种类不饱和脂肪酸。

对不同品质的食用油来说，其主要的不同在于食用油中不饱和脂肪酸的含量。近年以来，便携式和手持拉曼光谱仪迅速发展。使用便携式拉曼光谱仪结合相对拉曼强度分析的方法，将会有助于就地区分不同种类的食用油。图1（b）显示的是由Ideaoptics公司的便携式拉曼光谱仪在785 nm激发波长下测得的油酸，亚油酸和亚麻酸的拉曼光谱。在图1（b）中，这3种不饱和脂肪酸位于1 660 cm-1和1 440 cm-1峰强度的比值依次为1.0，1.5和2.8。和图1（a）中显微共聚焦拉曼光谱仪在532 nm激发波长下获得的值相比，这些数值偏小。这些区别可能与1 660 cm-1和1 440 cm-1的振动模式在532 nm和785 nm激发波长下产生的共振效应不同有关，或者是便携式拉曼光谱仪产生了实验误差。尽管图1（a）和图1（b）中相对强度的比值不同，两者的结果都可以说明分析相对拉曼强度可以区分不同种类的不饱和脂肪酸。

为了更进一步分析位于1 660 cm-1和1 440 cm-1两处峰的相对强度的比值和C=C双键的数目之间的关系。运用DFT计算来研究OA，LA和ALA的振动特性。图1（c）显示DFT计算所得的OA，LA和ALA在1 200 cm-1～1 750 cm-1范围内的拉曼光谱。

在DFT计算中，使用B3LYP泛函和6-311+G（d，p）基组对OA，LA和ALA进行几何优化和频率计算。表1展示了OA，LA和ALA的振动模式。

表1 油酸，亚油酸和亚麻酸振动模式的归属Tab.1 Assignment of vibrational modes of OA，LA，and ALA molecules cm-1

DFT计算的结果显示OA，LA和ALA位于1 660 cm-1和1 440 cm-1处峰的相对强度的比值分别为1.2，1.8和3.6。计算获得的比值与图 1（a），图1（b）获得的比值相近。实验拉曼光谱和DFT计算光谱都显示OA，LA和ALA位于1 660 cm-1和1 440 cm-1处峰的相对强度比值和C=C双键的数目有关；然而其相对强度的比值和C=C双键的数目并不是成比例的。表1中的振动模式归属可得，OA，LA和ALA在1 660 cm-1处峰的振动模式相同，然而在1 440 cm-1处的振动模式却不完全相同。OA，LA和ALA位于1 440 cm-1处振动模式的差别可能是造成1 660 cm-1与1 440 cm-1处峰的相对强度比值与C=C双键数目不成比例的主要原因。因此，1 660 cm-1和1 440 cm-1处峰的相对强度分析可以区分不同种类的不饱和脂肪酸，仅有助于初步定量分析食用油。如果需要进一步快速定量分析食用油还需要更加系统的实验和计算。

3 结 语

本文运用拉曼实验和DFT计算分析了OA，LA和ALA的特征振动模式的相对拉曼强度。结果显示OA，LA和ALA位于1 660 cm-1和1 440 cm-1处峰的相对强度比值随着其C=C双键的数目增加而增加，而且位于1 440 cm-1处振动模式的差别可能是造成1 660 cm-1与1 440 cm-1处峰的相对强度比值与C=C双键数目不成比例的主要原因，因此，1 660 cm-1和1 440 cm-1处峰的相对强度比值可以区分不同类型的不饱和脂肪酸，有助于初步定量区分食用油。