联苯菊酯分子的拉曼光谱研究

廉 帅，陈 宾，顾一帆，宋 超，雷俊杰，高 勋*

1.长春理工大学理学院，吉林 长春 130022 2.长春理工大学化学与环境工程学院，吉林 长春 130022 3.西安应用光学研究所，陕西 西安 710065

引 言

在当代农业中，农药是保证农作物产量的一个必要条件。联苯菊酯(Bifenthrin)是一种I型拟除虫菊酯，其具触杀，胃毒作用[1]，无内吸，熏蒸作用，杀虫谱广[2]，作用迅速等特性，同时具有相对良好的光稳定性，对哺乳动物或者鸟类等非目标生物毒性较小[3]，且容易降解等优点，因此被广泛应用于防治棉铃虫、桃小食心虫、梨小食心虫、茶尺蠖、茶毛虫等经济作物虫害。但是，在农作物生长过程中使用的联苯菊酯农药的残留物，对蜜蜂[4]、家蚕等有益昆虫和水生生物有致死毒性[3]，增加了对人类和生物的健康风险。越来越多的报道表明联苯菊酯对哺乳动物和人类具有潜在的内分泌干扰作用[5]，免疫毒性，而且能够残留于肝脏等多种器官中。相关的研究表明，联苯菊酯具有和其他拟除虫菊酯类似的细胞毒性，神经行为损伤能力[3]和雌激素效应[6]。

常见的联苯菊酯提取检测方法有：气相色谱法[7]、串联质谱法[8]，液相色谱法[9]等化学方法，这些化学检测方法需要相对专业的技术人员和相当复杂的样品处理过程，存在工序复杂、费时费力和不能原位检测等问题。因此，需要一种快速、操作便捷、工序简单、检测精确的检测技术，进而对联苯菊酯的农药残留进行定性和定量检测。拉曼光谱技术具有操作简便，预处理较少，谱峰尖锐清晰，可以较为精确地定性定量地对分子物质进行表征[10]，被广泛应用于多种农药残留检测。密度泛函(density functional theory,DFT)理论方法是一种量子化学计算方法，主要用于理论预测分子的拉曼光谱[11]。利用密度泛函方法和拉曼光谱来研究分子性质是当前最有效的物质研究手段。María V Castillo采用了密度泛函的6-31G*，6-311++**基组，结合实验光谱和B3LYP,WB97X计算，研究了狄试剂在气相和水溶液中的结构和振动特性[12]；Dong等采用了密度泛函理论对溴氰菊酯的分子结构进行了理论分析，采用了金纳米粒子和银纳米粒子作增强试剂获得了草莓中残留的的溴氰菊酯拉曼信号[13]；Abdulmujeeb T Onawole等利用密度泛函的B3LYP/6-311++G(d,p)基组计算了克霉唑的拉曼光谱并和用载银石墨烯作增强基底获得的表面增强拉曼光谱对比[14]；Han等测得了甲硝唑和罗硝唑的表面增强拉曼光谱，并与使用密度泛函理论的计算光谱进行了比较[15]。因此，拉曼光谱技术可用来有效地检测植物表面残留的联苯菊酯。由于联苯菊酯农药残留是近年来关注的问题，基于拉曼光谱技术对联苯菊酯的农药残留检测相关研究报道较少。

本论文结合以密度泛函和实验的方法开展联苯菊酯的拉曼光谱特性研究。使用Gaussian09软件中的GaussView5.0软件构建联苯菊酯的分子结构，应用B3LYP/6-31G密度泛函基组，对联苯菊酯的分子空间结构进行了优化并计算了理论拉曼光谱，基于785 nm激光诱导获得联苯菊酯的实验拉曼光谱，对比分析理论计算和实验得到的拉曼光谱，对联苯菊酯分子振动模式进行了归属分析。研究结果将为农作物表面残留的联苯菊酯检测快速分析提供技术基础。

1 实验部分

联苯菊酯拉曼检测装置如图1所示，拉曼激发光源采用波长为785 nm、输出功率为200 mW的半导体激光器(FC-D-785，长春新产业光电技术有限公司)，经带有准直、扩束(扩束倍率×5)和透镜(焦距7.5 mm)聚焦作用的光纤聚焦到联苯菊酯固体样品表面，产生的自发拉曼光谱由拉曼探头(RPB-785-1.5-SS,上海如海光电科技有限公司)收集，瑞利散射光由滤光片(785 nm)滤除，耦合到配有CCD探测器的拉曼光谱仪(GE-Raman 785～1 100 nm，长春新产业光电技术有限公司)中进行光谱探测，拉曼光谱测量范围为100～3 700 cm-1，光谱分辨率为3.6 cm-1，光斑直径为2 μm。实验中为了提高拉曼光谱强度和光谱稳定，CCD曝光时间为4 s，激光功率稳定度<1%。实验用的联苯菊酯为纯度99%的分析纯标准品(上海阿拉丁生化科技股份有限公司)，当光谱测量结束后，移动联苯菊酯固体样品，选样品的不同部位进行多次测量，以避免长时间的激光照射样品导致联苯菊酯产生光解作用。将多次测得的拉曼光谱进行平均，减小光谱数据误差。实验在室温环境20 ℃，相对湿度40%和一个大气压环境下开展。

图1 实验装置图Fig.1 Schematic diagram of the experiment

2 结果与讨论

2.1 联苯菊酯分子的几何结构

图2 联苯菊酯结构式Fig.2 Chemical structural formula of Bifenthrin

图3 优化的联苯菊酯空间结构Fig.3 Optimized structure of Bifenthrin

2.2 联苯菊酯拉曼光谱振动分析

基于密度泛函理论计算的联苯菊酯的拉曼光谱如图4所示(强度归一化处理)，联苯菊酯分子拉曼活性较强，主要集中500～1 500 cm-1频移范围。联苯菊酯分子振动模式较多，拉曼峰位复杂。

理论计算联苯菊酯分子在820,1 118,1 291,1 354和1 410 cm-1频移处有较强的拉曼活性，但在频移1 354 cm-1处拉曼活性最强。在820 cm-1处的振动由1C,2C,3C的伸缩振动及—CH3基团(18C及35H,36H,37H组成)的变形振动产生；1 118 cm-1处的振动由—C—O—C—(7C,10O,14C组成)基团的伸缩振动及30H，31H的扭式振动引起；1 291 cm-1处的振动比较强烈，由30H,31H的剪式振动、5C,6C,1C,18C的伸缩振动以及1C上的—CH3基团(19C及38H,39H,40H组成)的变形振动共同产生；拉曼活性最强的峰1 354 cm-1是由苯环及苯环间的—C—C—键(9C,13C构成)的伸缩振动、苯环上的41H,47H,49H的面内摇摆振动的产生；1 410 cm-1处则是由14C上的33H和34H的面外摇摆振动产生的；其他拉曼谱峰的归属见表1所示。

图4 联苯菊酯理论计算光谱Fig.4 Bifenthrin theoretical calculation spectrum

表1 联苯菊酯理论计算和固体粉末振动频率的对比与归属Table 1 Comparison of the theoretical and solid vibration frequencies of Bifenthrin and its assignment

注：ξ伸缩振动；ω变形振动；γ面外摇摆振动；μ面内摇摆振动；δ剪式振动；θ扭式振动；w:弱；m:中；s:强；BR:苯环

实验采用785 nm连续激光辐照联苯菊酯固体得到的拉曼光谱如图5所示。

图5 联苯菊酯实验光谱Fig.5 Bifenthrin experimental spectrum

实验结果表明联苯菊酯分子的实验光谱和理论计算光谱存在着微小的频移差，这是由于理论计算光谱是针对气态单分子，而实验测得光谱是针对固相而进行的。固相条件粉末相比气态单分子多了复杂的分子间相互作用和基团之间的作用。计算值和实验值之间的不一致可能是量子化学方法存在精确平衡几何条件下高估力常熟的不协调和普遍趋势导致的。另外，在实验光谱采集过程中，仪器产生的噪声和处理实验光谱的过程也会对光谱偏移产生一定程度的影响。

对比理论计算和实验测量的联苯菊酯分子拉曼光谱(如图4和图5所示)，发现二者具有较好的匹配性，实验和理论上的拉曼光谱在频移上相差较小。频移为659，948,993和1 292 cm-1处拉曼峰形清晰，强度相对较高。因此可以将这几处频移的拉曼峰作为联苯菊酯定性定量分析的依据。

3 结 论

运用Gauss View5.0软件构造出联苯菊酯分子初步空间构型，应用密度泛函(DFT)方法B3LYP/6-31G基组，在Gaussian09软件中优化联苯菊酯分子的空间结构并计算了其理论拉曼光谱。通过和联苯菊酯农药分子的实验所测得的拉曼光谱进行比较，发现具有较好的匹配性。并以此为基础，对500～1 500 cm-1区间内的拉曼光谱进行了全面的归属，比较了联苯菊酯农药分子的理论和实验所测得的拉曼光谱。找到了联苯菊酯分子的特征峰，并分析了理论和实验光谱中存在微小差异的原因。