黄曲霉素B1在银团簇表面吸附的表面增强拉曼光谱

高思敏 王红艳 林月霞 李汝虎

(西南交通大学物理科学与技术学院,成都610031)

1 引言

黄曲霉素(AFs)是一种分子真菌毒素,具有强致癌、致畸和致突变作用,是目前发现的致癌能力最强的化学致癌物质之一,它主要存在于各种动物饲料和人类的食品中.1,2黄曲霉毒素依据其化学结构的不同,产生的衍生物有黄曲霉毒素B1、B2、G1、G2、M1、M2等20余种,最主要的是B1、B2、G1、G2,其中黄曲霉素B1(AFB1)毒性最强,3AFB1的毒性和致畸性将会引起胚胎器官的畸形.4但是动物饲料和人类的食品中黄曲霉素含量很少,常规的仪器难以检测.

随着纳米技术发展,表面增强拉曼散射(SERS)技术被应用到痕量化学物质检测.表面增强拉曼散射是Fleischmann,5Albrecht6和Van Duyne7等各自发现的一种发生于银、金、铜等少数金属的粗糙电极及其纳米粒子表面,可极大地增强吸附分子拉曼散射信号的现象.通常认为表面等离子共振产生的表面电磁场增强(EM)和电荷转移(CT)引起的化学增强是导致拉曼散射信号极大增强的两种主要原因.8近年来,国内多个小组通过实验研究,分析其电磁增强机理以及不同纳米结构对表面增强性质的影响,9-11采用密度泛函理论,通过吸附位点模型模拟分子和金属原子或团簇的相互作用也做了许多相关研究.12-18研究热点主要集中于拉曼光谱的增强机理、分子的吸附取向以及拉曼光谱谱峰的归属等. Nicolás-Vázquez等19采用密度泛函理论(DFT)方法研究了AFB1分子中每个内酯环的特性,内酯环中的碳原子具有很高的亲电子特性,键连的氧原子具有很强的电负性.Ramírez-Galicia20和Billes21等报道了四种黄曲霉素的结构,并采用量子力学方法计算了其振动光谱.

本文采用密度泛函理论方法,得到AFB1分子的拉曼光谱,并与实验AFB1粉末的拉曼光谱22进行比较,发现两者线性非常一致.另外,研究AFB1分子在C＝O位吸附Ag小团簇形成的复合物AFB1-Agn(n= 2,4,6)的拉曼光谱,分析了Ag团簇的尺寸和结构对表面增强拉曼光谱的影响.实验(致谢中吴晓蒙提供)中采用AFB1溶液吸附在AgNR阵列基底获得SERS光谱,并与理论计算结果对比.最后,我们计算了三种复合物的预共振拉曼光谱(SERRS),分析了AFB1-Agn(n=2,4,6)复合物的表面增强拉曼光谱的增强机理.

2 计算方法

根据Nicolás-Vázquez等19研究表明AFB1分子的C＝O位活性最强,因此采用图1所示的三种AFB1-Agn(n=2,4,6)复合物作为初始结构进行优化,Agn(n=2,4,6)团簇初始结构采用Zhao等23给出的最稳定结构.本文中的所有计算均采用密度泛函B3LYP24-26的方法,C、H、O原子选用6-311G(d,p)基组,Ag原子采用赝势基组LanL2DZ,27预共振拉曼光谱中的入射光根据含时密度泛函理论(TDDFT)计算得到的吸收光谱确定.

共振拉曼散射和非共振拉曼散射的强度可以由差分拉曼散射界面计算,当入射光为垂直平面极化光(散射角为90°)时,散射界面可以写成:28

其中,T、h、kB、c、σ、Ω和ε0分别是温度、Planck常数、Boltzmann常数、真空光速、散射截面面积、入射光立体角和介电常数.ωm和ωp分别为入射光频率和第p个振动模.在上式中：

IF表示拉曼散射因子(或者称为拉曼强度,单位为a. u.),αp和γp表示各项同性和各向异性极化率张量.Qp为第p个振动模式的简正坐标.由上式可以看出,IF仅由分子性质决定,与拉曼实验条件无关.在本文中,IF值是由Gaussian 09程序29计算得到.

3 结果与讨论

3.1 AFB1-Agn(n=2,4,6)复合物分子结构

优化得到的黄曲霉素B1分子分别键连Ag2、Ag4以及Ag6团簇形成复合物的稳定结构如图1所示.由于电负性很强的O原子和Ag原子之间的相互作用,复合物AFB1-Ag2、AFB1-Ag4和AFB1-Ag6中的pyrane环π电子重新分布,使得pyrane环的共轭性质增强,对应的C＝O振动模式将被极大的增强.三种复合物中Ag―O键长在0.248-0.277 nm之间,Ag―Ag平均键长在0.265-0.280 nm之间.AFB1分子与Ag团簇的结合能定义为:

图1 复合物AFB1-Agn(n=2,4,6)优化后的结构Fig.1 Optimized structures ofAFB1-Agn(n=2,4,6)complexes

表1 AFB1-Agn(n=2,4,6)复合物结构的基态结合性质Table 1 Static binding properties betweenAFB1andAgn(n=2,4,6)clusters

其中E(AFB1-Agn)表示复合物AFB1-Agn(n=2,4,6)优化后的能量,E(AFB1)表示AFB1分子优化后的能量,E(Agn)表示银团簇的最低能量.表1表明AFB1-Ag4的结合能最强(约-65 kJ·mol-1),对应的Ag―O键长最短(0.248和0.259 nm),因此AFB1分子与Ag4团簇的相互作用最强.吸附基底团簇不同对复合物基态性质有十分重要的影响,而由于基态性质的改变,也必将对拉曼散射效应产生影响.

3.2 AFB1分子及其复合物的表面增强拉曼光谱

图2 (a)B3LYP/6-311G(d,p)计算得到AFB1分子的拉曼光谱;(b)文献22中实验得到的AFB1粉末的拉曼光谱Fig.2 (a)Calculated Raman spectra ofAFB1molecule with B3LYP/6-311G(d,p);(b)the Raman spectrum ofAFB1 standard(in powder form)from Ref.22

采用DFT方法得到AFB1分子拉曼光谱图如图2(a)所示,与文献22中实验测得AFB1粉末的拉曼光谱(图2(b))比较,理论计算和实验的拉曼光谱的谱线非常一致,但是计算拉曼光谱的振动频率整体发生红移,因为实验和计算中AFB1分子周围环境不同. AFB1粉末的实验拉曼光谱在1747 cm-1(pyrane环)、1698 cm-1(cyclopentene环)发现C＝O伸缩振动特征峰,而计算拉曼光谱中C＝O伸缩振动则红移至1869、1789 cm-1处.计算中最强振动峰位于1589和1630 cm-1处,实验中则在1549和1591 cm-1处测得相同振动模式的谱峰,归属于C―C伸缩振动,伴随C―H平面外摆动.CH3剪切振动模发生在1386 cm-1处,而DFT结果红移39 cm-1.振动模C―O伸缩振动,环骨架变形振动发生在1361 cm-1处,计算结果在1375 cm-1对应此振动模.C―O―C伸缩振动实验在1270 cm-1测得,而理论计算则红移至1330 cm-1.

在优化得到的复合物结构的基础上,计算了AFB1分子吸附在不同尺寸、结构Ag团簇表面的表面增强拉曼光谱(图3(a,b,c)),并与美国佐治亚大学纳米中心赵奕平教授小组吴晓蒙提供的实验SERS结果(图3(d))对比,实验SERS是由一定浓度AFB1溶液吸附在AgNR阵列基底获得.从图3看出计算得到的三种复合物拉曼光谱线性大体一致,与实验比较,复合物的pyrane环中C＝O伸缩振动模分别在1828、1805、1819 cm-1,实验值在1756 cm-1处,此振动模被极大地增强,这是因为DFT计算中采用活位模型,根据SERS选择定则,30,31活性位点附近的振动模被选择性增强.

表2分析了AFB1-Agn(n=2,4,6)复合物的振动模以及相应的拉曼强度,并与实验23得到的SERS值对比.AFB1-Ag2复合物在1738 cm-1处、AFB1-Ag4复合物在1725 cm-1处以及复合物AFB1-Ag6在1735 cm-1处的Raman谱,属于cyclopentene环的C＝O伸缩振动,而实验中在1693 cm-1处发现此振动模.在1600 cm-1左右复合物AFB1-Agn(n=2,4,6)有一个强度较大的峰,对应于C―C的伸缩振动模式,其振动方向和xx极化率张量方向一致.实验中,最强振动模发生在1592、1550 cm-1处,对应C―C伸缩振动,振动方向与AgNR基底一致,这与我们计算结果相同.计算得到复合物cyclopentene环中C―H2对称、反对称振动在1325 cm-1左右和1272 cm-1处,而实验测得此振动模在1303、1249 cm-1处.DFT结果显示pyrane环呼吸振动发生在692 cm-1左右,实验中并没有检测到此振动.Ag―O伸缩振动的频率在100-200 cm-1范围内,其振动强度非常弱.复合物AFB1-Ag2和AFB1-Ag6的增强因子在102数量级以内,而复合物AFB1-Ag4由于较短的Ag―O键长,相应pyrane环的C＝O伸缩振动模式显著增强,增强量级可达到103.

图3 复合物(a)AFB1-Ag2,(b)AFB1-Ag4,(c)AFB1-Ag6的SERS光谱以及(d)实验获得AFB1的SERS光谱(采用785 nm入射光)Fig.3 Surface-enhanced Raman spectra(SERS)of(a)AFB1-Ag2,(b)AFB1-Ag4,(c)AFB1-Ag6complexes,and(d) experimentally obtained SERS spectra ofAFB1at 785 nmExperimental data were provided by WU,X.M.from University of Georgia.

表2 复合物AFB1-Agn(n=2,4,6)表面增强拉曼光谱和预共振拉曼光谱的频率(v)和强度(RI)Table 2 Frequencies(v)and intensity(RI)of SERS and surface enhanced pre-resonance Raman spectra(SERRS)forAFB1-Agn(n=2,4,6)complexes

Ag团簇的尺寸、形状对AFB1分子的表面增强拉曼光谱有着非常重要的影响,三种复合物常规拉曼光谱的变化是由于AFB1分子周围化学环境变化引起的,拉曼信号的增强为静化学增强,是由静态极化率变化引起的.银团簇和AFB1分子之间的相互作用导致复合物中电荷重新分配,而电荷的重新分配引起了静态极化率的变化,拉曼光谱的强度和极化率张量成正比,体系极化率越大,则相应的拉曼信号强度也越大.

表3显示,AFB1分子、复合物 AFB1-Ag2、AFB1-Ag4和AFB1-Ag6在pyrane环上的C＝O伸缩振动方向沿x方向,其极化率(αxx)依次增大,而在cyclopentene环上的C＝O伸缩振动方向沿xy方向, AFB1-Ag4复合物在此方向的极化率(αxy)最大,其对应常规拉曼光谱(NRS)的强度也最大.比较AFB1-Ag2和AFB1-Ag6复合物,尽管AFB1-Ag6在xx和xy方向的极化率大于AFB1-Ag2复合物,但是AFB1-Ag6中Ag―O22的键长小于AFB1-Ag2中Ag―O22的键长,因此AFB1-Ag6中对应的拉曼光谱强度最小,文献10中吡啶与银团簇相互作用的理论计算中也出现这种情况.

3.3 不同激发光下AFB1复合物的SERRS

当入射光接近分子-金属体系的一个电子跃迁能级时,由于共振,拉曼信号的强度可以被放大倍,这种现象称为SERRS光谱,SERRS光谱的强度与激发过程的谐振强度相关.在同一基组水平下,采用TDDFT计算得到的AFB1-Agn(n=2,4,6)复合物的吸收光谱,选择吸收峰附近电子跃迁几率大的电子激发能对应的波长作为预共振入射波长.因此,采用最大谐振强度附近激发波长:407.5 nm (S4,HOMO→LUMO+2,谐振强度f=0.729),446.2 nm(S6,HOMO→LUMO+3,f=0.787),以及411.2 nm (S8,HOMO-1→LUMO+1,f=0.057)分别作为复合物AFB1-Ag2、AFB1-Ag4和AFB1-Ag6复合物的预共振入射光波长,得到图4所示的预共振表面增强拉曼光谱.

表3 计算得到的AFB1和AFB1-Agn(n=2,4,6)复合物基态的静极化率(单位为a.u.)Table 3 Static polarizabilities(unit in a.u.)of isolated AFB1andAFB1-Agn(n=2,4,6)complexes

图4 计算的AFB1-Agn(n=2,4,6)复合物的预共振拉曼光谱Fig.4 Calculated SERRS ofAFB1-Agn (n=2,4,6)complexesThe wavelengths used to calculate the SERRS are 407.5,446.2,and 411.2 nm for each complex.

比较图4和图2(a),可以看到预共振拉曼光谱的谱线和常规拉曼光谱的谱线基本一致,但是部分振动模式的拉曼强度有明显增强.激发波长不同,复合物SERS谱带的增强程度也不同.根据表2列出的拉曼光谱的谱峰强度,AFB1-Ag2复合物中,181 cm-1处的拉曼强度增强了104倍,AFB1-Ag4和AFB1-Ag6复合物中101和181 cm-1、117和180 cm-1处的拉曼强度也增强了103-104倍,它们都归属于Ag团簇和靠近银团簇表面的O原子之间的伸缩振动.AFB1-Ag2复合物在1623 cm-1处的振动模式增强因子达到了6×102,归属于C＝C伸缩振动模式,复合物AFB1-Ag6在1512 cm-1处的此振动模增强因子达到2.3×102,而在复合物AFB1-Ag4中,此振动模(1657 cm-1)的增强因子没有AFB1-Ag2和AFB1-Ag6明显,拉曼强度仅仅增强了53倍,归属于C―C伸缩振动及苯环的拉伸.三种复合物在1828、1805、1819 cm-1处的谱带指认为pyrane环C＝O的伸缩振动,增强因子为10-103.而1075、1083、1078 cm-1谱带增强因子接近103,是由于环戊烯和pyrane环C―O―C以及C―C伸缩振动引起.在1678 cm-1处的谱带,归属于C17＝C18伸缩振动,三种复合物在1581、1574、1580 cm-1处的谱带,对应于C7＝C8伸缩振动.

与文献12-14比较,这三种入射光对复合物中Ag―O的振动都有极大的增强,且更甚于C＝O振动模式的增强.根据SERS表面选择定则,在SERS机理中,如果表面电磁场增强机理起主要作用,那么极化率张量垂直于基底表面方向的部分振动模式将被增强,如果电荷转移机理起主要作用,那么仅靠近银表面部分的振动模式将增强.根据AFB1-Agn(n=2,4,6)复合物中电荷密度分布,我们所选择的激发波长都与电荷转移电子跃迁能相对应,并且具有较大拉曼增强因子的C＝O的伸缩振动,环戊烯和pyrane环C―O―C以及C―C伸缩振动的振动模式都在x方向产生较大的Raman极化率张量,说明AFB1分子是以垂直方向吸附在Ag表面,因此AFB1-Agn(n=2,4,6)复合物SERRS的增强机理可以归因于电荷转移共振增强.通过计算SERRS,理论预测AFB1分子的SERS增强最为强烈的入射光波长在430 nm左右，这为实验提供相应的参考.

4 结论

采用密度泛函理论B3LYP/6-311G(d,p)(C,H, O)/LanL2DZ(Ag)方法研究了AFB1-Agn(n=2,4,6)复合物的结构和振动光谱.几何结构优化显示,由于Ag和O原子间的相互作用,AFB1分子中π电子离域作用增强,形成了较强的共轭体系.

比较计算得到的AFB1分子和实验中AFB1粉末的常规拉曼光谱,发现两者谱线非常相似,位置发生红移.AFB1-Agn(n=2,4,6)复合物的表面增强拉曼光谱(SERS)相对于AFB1分子的常规拉曼光谱,得到了极大的增强,尤其靠近银团簇表面的振动模式(C＝O伸缩振动)增强因子最大达到了103量级.与实验对比,除了在692 cm-1处的pyrane环呼吸振动没有在实验中检测到,其余SERS谱峰均与实验测得振动模相对应.DFT计算结果显示:三种复合物的SERS谱线形状相似,但是其增强因子有明显的差别,这说明团簇的大小和结构对表面增强拉曼光谱强度有重要的影响.复合物AFB1-Agn(n=2,4,6)表面增强拉曼光谱的变化完全是由AFB1分子周围化学环境变化引起的静态极化率改变导致的化学增强.

AFB1-Agn(n=2,4,6)复合物的预共振拉曼光谱的增强因子高达104量级,是由于在激发光作用下,电子由Ag团簇转移到AFB1分子上,发生电荷转移共振激发使复合物中Ag―O的振动和C＝O振动模式增强,因此AFB1-Agn(n=2,4,6)复合物中预共振拉曼光谱的增强机理可以归因于电荷转移共振增强.

致谢: 非常感谢美国佐治亚大学食品科学与技术学院(University of Georgia,Department of Food Science and Technology)吴晓蒙博士为我们提供了AFB1吸附在AgNR阵列基底的SERS实验数据.

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