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，屠 潜，隋成华, 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

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[3-6]。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[7-9]，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，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φ1，φ2和φ3三个二面角为变量，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φ1，φ2和φ3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

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。

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.212differentmolecularstructuresofmethamphetamineobtainedfrompotentialenergysurfacescanningatB3LYP/6-31Glevel

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.3ComparisonofRamanspectracalculatedbyconformationⅢ，Ⅶ，ⅨandⅩwithexperimentalresult

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

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

aν：stretching;δ：in-plane deformation;γ：out-of-plane deformation;ρ：rocking;ω：wagging;τ：torsion;χ：scissoring; as：asymmetric vibration; s：symmetric vibration; Cm1：methyl group C19H20H21H22; Cm2：methyl group C23H24H25H26; RA：Raman Activity in Å4/AMU

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。