苏丹红密度泛函理论计算及拉曼光谱研究

王 军， 戴正宇, 王 虹

(1.江苏警官学院 刑事科学技术系， 南京 210031； 2.江苏警官学院 警察体育教研部 江苏省反爆破技术工程实验室， 南京 210031)

1 引 言

色素可改变食物亮度和颜色，常用于食品加工中[1, 2]，但苏丹红、碱性嫩黄、碱性橙等[3, 4]违禁合成染料也常被用于食品或饲料中，苏丹红分子结构中含有芳香族偶氮结构[5]，在人体酶的作用下产生有毒的苯胺，解离出的氰根离子(CN-)能抑制细胞色素氧化酶，中断传递电子的氧化过程，引起昏迷甚至死亡，国际癌症研究机构已将苏丹红列为三类致癌物[6-8].

色素的定性和定量检测方法有紫外-分光光度法[9]、高效液相色谱法[10]、液相色谱-质谱法[11]等，但样品需要前处理、操作成本高.拉曼光谱法无须或简单处理样品，就可以直接进行检测，为色素的快速检测提供了技术支持[12, 13].

密度泛函理论是一种研究电子结构理论的量子化学方法，已在拉曼光谱的理论研究中得到应用，黄双根等[14, 15]应用密度泛函理论中的B3LYP/6-31G(d,p)基组对3种氨基甲酸酯类农药和3种有机磷类农药分子进行了几何结构优化和频率计算，并比较了理论方法计算和实验拉曼光谱，两者完全一致.周云全等[16]采用密度泛函理论的 B3LYP/6-31+ G( d，p) 基组对农药辛硫磷进行了拉曼计算，将理论计算拉曼光谱与实验拉曼光谱进行了对比，同时对辛硫磷在600～1800 cm-1区间的拉曼光谱进行了指认.陈玉锋等[17]在B3LYP/6-31++G(d，p)基组下，优化了2-巯基-5-硝基苯并咪唑分子的结构并计算了拉曼频率，对实验和理论计算光谱主要振动峰进行线性回归拟合，表明选取的DFT理论计算方法是可靠的.

窦文虎等[18]对苏丹红III与苏丹红IV的红外和拉曼光谱进行了研究，但没有对苏丹红I与苏丹红II的拉曼光谱进行比较研究.本文通过应用DFT方法的B3LYP/6-311+G*对2种苏丹红(苏丹红Ⅰ、苏丹红Ⅱ)结构进行优化，计算它们的理论拉曼光谱，与实验拉曼光谱对比，并对2种苏丹红的分子振动模式进行归属分析.找到2种苏丹红振动归属的共性与差异，为快速鉴定与准确判断苏丹红提供参考，为预测偶氮结构类色素提供依据.

2 材料与方法

2.1 仪器与试剂

1.拉曼光谱仪(WLD-001，深圳网联光仪科技有限公司)

2.拉曼光谱检测参数：

(1)光学系统:NA=0.22,工作距离7.5 mm；焦点尺寸0.14-0.5 mm；

(2)功率(可调节):75 mW、125 mW、250 mW；

(3)扫描范围为250 cm-1-2875 cm-1；

(4)光谱分辨率为7-10.5 cm-1(脉冲半高峰宽).

3.石英比色皿4只，实验结束后用酒精浸泡，清水冲洗.

4.苏丹红I、苏丹红II(南京都莱生物技术有限公司)：

2.2 理论数据处理

采用Gaussian09软件， 构建苏丹红I、苏丹红II两个分子的几何构型并进行优化，光谱计算无虚频，用基组的修正因子(0.9680)进行修正理论数据.

3 结果与讨论

3.1 分子的几何构型

给每个原子进行标号，如图2、图3所示，C(2)表示2号碳原子，N(7)表示7号氮原子，O(15)表示15号氧原子.从图2可以看出，苏丹红I的分子中含有7N=8N偶氮连接形成的平面结构，从图3可以看出，苏丹红II的分子是由苏丹红I中，苯环上的4号碳原子与6号碳原子的氢原子被甲基取代后的产物.苏丹红I分子结构中15O-14C键长为1.365 Å，27H-15O键长为0.966 Å，8N=7N键长为1.249 Å，9C-8N键长为1.271 Å，7N-3C键长为1.267 Å；萘环、苯环内各原子之间键角在118.525～122.853°之间，符合SP2杂化特点，碳骨架的二面角在-0.005～0.042°之间，说明萘环和苯环接近平面.

图2 优化后的苏丹红I分子构型Fig.2 Optimized structure of Sudan I

图3 优化后的苏丹红II分子构型Fig.3 Optimized structure of Sudan II

苏丹红II分子结构中21O-16C键长为1.365 Å，37H-21O键长为0.966 Å，10N=9N键长为1.248 Å，11C-10N键长为1.274 Å，9N-3C键长为1.268 Å，萘环、苯环内各原子之间键角在117.976～123.013°之间，符合SP2杂化特点，碳骨架的二面角在-0.007～0.033°之间，说明萘环和苯环接近平面.

3.2 苏丹红I、苏丹红II拉曼光谱的振动归属与分析

通过密度泛函(DFT)理论计算所得的苏丹红I、苏丹红II的拉曼光谱强度如图4、图5所示，能够清楚地观察得到两种苏丹红分子的振动频率，计算结果无虚频，证明结构稳定.通过Gaussview5.0对两种苏丹红分子的振动进行归属，有的振动频率下存在多个结构振动形式.由于在实验条件下是对苏丹红I、苏丹红II固体颗粒进行检测，两种苏丹红分子都存在强烈的荧光效应，掩盖了部分特征峰，仅出现少量的、尖锐的与强度明显的特征峰，如图6、图7所示，但是2种苏丹红拉曼谱图中强度较大的特征峰位置基本一致，并不影响实验与理论的对比.

图4 苏丹红I计算拉曼光谱图Fig. 4 Raman spectrum of Sudan I by calculation

图5 苏丹红II计算拉曼光谱图Fig.5 Raman spectrum of Sudan II by calculation

图6 苏丹红I固体的拉曼光谱图Fig.6 Raman spectrumof Sudan I

图7 苏丹红II固体的拉曼光谱图Fig.7 Raman spectrum of Sudan II

由于拉曼光谱仪在取值时，两种不同分子均取得固定的实验值点，因此苏丹红I与苏丹红II的实验值一致.另外拉曼光谱仪在取值时，实验值在两数值之间呈以公差为3的等差数列，因此单种苏丹红分子的实验值与理论值在±5 cm-1误差范围内的振动类型是一致的.虽然在结构上苏丹红I与苏丹红II相差两个甲基，甲基中心碳原子的电子轨道充盈，导致甲基结构稳定，基本上不会影响萘环与苯环的能量，所以在近似的振动频率上振动类型归属一致.

在1000-1500 cm-1范围内，拉曼振动归属较为复杂，通常由多个振动类型进行叠加，但是会有某一个振动类型最为强烈.振动频率在1399.42 cm-1、1408.49 cm-1、1438.59 cm-1附近的，苏丹红I与苏丹红II主要振动的基团均是偶氮结构(-N=N-)，与文献值1410-1440 cm-1相近[19, 20].从表1中可以看出，萘环与苯环的骨架振动较为频繁，芳环的骨架既会进行平面的拉伸振动，也会进行非平面的扭曲振动，同时会伴随芳环骨架上C-H的摇摆振动、C-C的摇摆振动或者O-H的平面与非平面的摇摆振动，萘环与苯环骨架振动范围与文献值200-1700 cm-1[21]相近，当振动频率超过3000 cm-1时，振动类型开始简单，归属于芳环上的O-H或者C-H单一的伸缩振动.

由于苏丹红II比苏丹红I在结构上，多出两个甲基，所以在983.22 cm-1归属为苏丹红II的7CH3-、8CH3-摇摆振动.

3.2.1苏丹红I拉曼光谱的振动归属与分析

表1对苏丹红I部分振动类型进行了归纳总结，接着对比图4与图6，苏丹红I主要拉曼振动特征峰(实验值)在416.92 cm-1、983.22 cm-1、1003.17 cm-1、1229.53 cm-1、1260.93 cm-1、1399.42 cm-1与1603.23 cm-1附近.对强度较大的七处主要拉曼振动特征峰进行拉曼振动归属：

416.92 cm-1附近的特征峰归属于苯环与萘环骨架非平面扭曲振动.

983.22 cm-1附近的特征峰归属于苯环骨架平面拉伸振动.

1003.17 cm-1附近的特征峰归属于苯环骨架上C-H平面摇摆振动.

1229.53 cm-1附近的特征峰归属于15O-27H平面摇摆振动.

1260.93 cm-1附近的特征峰归属于萘环骨架平面拉伸振动伴随着15O-27H平面摇摆振动.

1399.42 cm-1附近的特征峰归属于7N=8N 平面伸缩振动.

1603.23 cm-1附近的特征峰归属于萘环骨架平面反对称拉伸振动伴随着15O-27H平面摇摆振动.

3.2.2 苏丹红II拉曼光谱的振动归属与分析

表1对苏丹红II部分振动类型进行了归纳总结，接着对比图5与图7，苏丹红II主要尖锐的拉曼振动特征峰(实验值)在712.05 cm-1、983.22 cm-1、1114.57 cm-1、1229.53 cm-1、1381.21 cm-1、1503.15 cm-1与1603.23 cm-1附近.对该七处振动强度较大的主要拉曼振动特征峰进行细致的拉曼振动归属：

712.05 cm-1附近的特征峰归属于苯环与萘环骨架平面拉伸振动.

983.22 cm-1附近的特征峰振动归属于7CH3、8CH3摇摆振动.

1114.57 cm-1附近的特征峰归属于萘环骨架上C-H平面摇摆振动.

1229.53 cm-1附近的特征峰归属于15O-27H平面摇摆振动.

1381.21 cm-1附近的特征峰归属于7CH3、8CH3剪式振动.

1503.15 cm-1附近的特征峰归属于萘环骨架平面拉伸振动伴随着15O-27H平面摇摆振动.

1603.23 cm-1附近的特征峰归属于萘环骨架平面反对称拉伸振动伴随着15O-27H平面摇摆振动.

表1 苏丹红I、苏丹红Ⅱ拉曼光谱实验值、理论值及归属

4 结 论

以密度泛函理论(DFT)为基础，对苏丹红I、苏丹红II两分子进行计算分析，并且获得最优结构，与拉曼光谱仪测定的苏丹红I、苏丹红II两的振动频率范围0-3500 cm-1进行对比分析，对特征峰值进行振动频率归属，在振动频率范围1000-1500 cm-1苏丹红两种分子振动强度大，容易识别，振动归属较为复杂，且均由多种结构同时振动叠加而成，3000 cm-1以上的振动归属由苯环或者萘环上的C-H结构或者O-H结构的伸缩振动构成.实验结果与理论计算基本一致，匹配性良好.