硬脂酸亞甲基C—H伸縮振動紅外光譜研究

胡瑞省，劉會茹，顧丹丹，劉亞明，王 壯，于宏偉

(石家莊學院 化工學院，河北 石家莊 050035)

細胞膜是生命物質中重要的組織結構之一。硬脂酸具有生物膜類似的分子結構，可作為天然生物細胞膜的模擬體系[1-2]。紅外光譜法由于具有方便、快捷、靈敏度高等優(yōu)點已經(jīng)成為此方面最常見的研究方法[3-6]。3000～2800cm-1范圍內主要是硬脂酸碳氫鏈C—H的伸縮振動區(qū)域，這一區(qū)域內的譜帶對溫度變化非常敏感[7-8]。但是常規(guī)的紅外光譜(一維紅外光譜)中的譜峰重疊現(xiàn)象嚴重，而二階導數(shù)紅外光譜通常是基于一定的數(shù)學模型和假設，二維紅外光譜則是完全客觀地、清晰地顯示了未重疊譜峰的位置，因此可大大地增加原譜圖的分辨率。本文參考文獻[9—13]，通過測定不同溫度下硬脂酸亞甲基伸縮振動模式νCH2的一維紅外光譜、二階導數(shù)紅外光譜和二維紅外光譜，進一步研究溫度對于硬脂酸νCH2紅外吸收強度變化趨勢的影響。

1 儀器與試劑

儀器：Spectrum100型紅外光譜儀，美國 PE 公司；SYD TC-01變溫控件，英國 Eurotherm 公司。

試劑：硬脂酸，分析純，上海國藥集團化學試劑有限責任公司。

2 實驗方法

2.1 樣品制備方法

采用壓片法:2mg 硬脂酸與200mg 溴化鉀(起稀釋作用)混合，研磨均勻壓片。

2.2 紅外光譜儀操作條件

每次實驗對信號進行32次掃描累加，測定范圍為400～4000cm-1,測溫范圍為293～393K，變溫步長為5K，控溫精度為±0.1K。

2.3 數(shù)據(jù)獲得及處理

一維紅外光譜數(shù)據(jù)采用美國PE公司 Spectrum v6.3.5操作軟件獲得；二階導數(shù)紅外光譜數(shù)據(jù)采用美國 PE 公司 Spectrum v6.3.5操作軟件獲得，平滑點數(shù)為13；二維紅外光譜數(shù)據(jù)采用清華大學編寫的軟件TD Versin4.2獲得，參數(shù)：Interval=2，Contour Number=30；圖形處理采用 Origin8.0。

3 結果與討論

由于硬脂酸的熔點為343K，所以把紅外光譜儀的變溫范圍分為3個階段：分別是相變前(293～333K)、相變過程中(338～348K)和相變后(353～393K)。

3.1 相變前硬脂酸亞甲基紅外光譜研究

相變前硬脂酸一維紅外光譜和二階導數(shù)紅外光譜見圖1(圖中ν為波數(shù)，A為吸光度)，在2914、2848cm-1附近的強紅外吸收譜帶分別歸屬于硬脂酸亞甲基的不對稱伸縮振動模式νasCH2和對稱伸縮振動模式νsCH2。

圖1 相變前硬脂酸亞甲基紅外光譜

二維紅外光譜包括[11-13]：同步二維紅外光譜和異步二維紅外光譜(見圖2，圖中I表示相對強度，左圖為平面圖)。同步二維紅外光譜的外觀和 COSY 相似，圖形呈正方形，圖中的峰分為對角線峰和對角線外峰(見圖2(a))。對角線峰又稱為自動峰，對角線峰的位置和通常的一維紅外譜峰位相符。對角線峰總是正峰，代表吸收峰對一定微擾(例如：光，電，熱和磁)的敏感程度。同步二維紅外光譜的重要信息主要來自對角線外的峰，稱為交叉峰，任一交叉峰對應著2個波數(shù)的紅外峰，它表明相應于這2個紅外吸收峰官能團之間存在著分子內的相互作用或相連關系。交叉峰有正負之分，它反映動態(tài)光譜響應的方向。若2個譜強度以相同方向變化(同時增加或減少)，則其交叉峰為正相關，相關度Ф (ν1,ν2) >0；若2個譜峰強度以相反方向變化，則其交叉峰為負相關，相關度Ф (ν1,ν2)<0；當2個光譜峰變化過程完全無關時，則Ф(ν1,ν2)=0。

異步二維紅外光譜仍呈正方形，但圖中無對角線峰，僅有對角線以外的峰，即交叉峰(見圖2(b))。異步二維紅外光譜中的交叉峰說明與這2個吸收所對應的官能團沒有相互連接、相互作用的相關。異步二維紅外光譜的峰也有正(相關度ψ(ν1,ν2)>0)和負(ψ(ν1,ν2)<0之分。當Ф(ν1,ν2)和ψ(ν1,ν2)同號時，ν1處光譜峰的變化早于ν2處光譜峰的變化；當 Ф (ν1,ν2) 和ψ(ν1,ν2)異號時，ν1處光譜峰的變化晚于ν2處光譜峰的變化；Ф(ν1,ν2)=0時，ν1和ν2處光譜峰變化次序不能以Ф(ν1,ν2)符號簡單判斷。

實驗發(fā)現(xiàn)：相變前硬脂酸在2914cm-1處的紅外吸收峰νasCH2強度變化早于2848cm-1處的紅外吸收峰νsCH2。

3.2 相變過程中硬脂酸亞甲基紅外光譜研究

相變過程中硬脂酸一維紅外光譜和二階導數(shù)紅外光譜見圖3。實驗發(fā)現(xiàn)：隨著測定溫度的升高，2914cm-1附近的紅外吸收峰νasCH2向高頻方向移動，發(fā)生明顯的藍移現(xiàn)象。這主要是因為硬脂酸νasCH2紅外吸收頻率對其脂肪鏈構象的變化非常敏感。室溫下硬脂酸νasCH2的紅外吸收頻率位置在2914cm-1，這時硬脂酸脂肪鏈的構象處于全反式有序構象[7-8]；當測定溫度達到348K時，νasCH2的紅外吸收頻率移到2917cm-1。這是因為當測定溫度達到348K 時，硬脂酸熔化，破壞了其晶體結構，硬脂酸脂肪鏈從全反式有序構象轉變?yōu)闊o序構象，而338～348K的溫度范圍則是硬脂酸脂肪鏈全反式有序構象改變的臨界溫度。

圖2 相變前硬脂酸亞甲基二維紅外光譜

圖3 相變過程中硬脂酸亞甲基紅外光譜

相變過程中硬脂酸亞甲基的二維紅外光譜見圖4。實驗發(fā)現(xiàn)：隨著測定溫度的升高，硬脂酸2848cm-1峰νsCH2吸收強度變化早于2917cm-1峰νasCH2。

3.3 相變后硬脂酸亞甲基紅外光譜研究

相變后硬脂酸亞甲基一維紅外光譜和二階導數(shù)紅外光譜見圖5。實驗發(fā)現(xiàn)：2919cm-1和2850cm-1附近的強紅外吸收峰分別歸屬于硬脂酸νasCH2和νsCH2，但隨著溫度的升高，該處紅外吸收峰的頻率并沒有發(fā)生明顯改變。

圖4 相變過程中硬脂酸亞甲基二維紅外光譜

圖5 相變后硬脂酸亞甲基紅外光譜

相變后硬脂酸亞甲基的二維紅外光譜見圖6。研究發(fā)現(xiàn)：隨著測定溫度的升高，硬脂酸2919cm-1(νasCH2)峰吸收強度變化早于2850cm-1(νsCH2)峰。

4 結論

在293～393K溫度范圍內，分別采用一維紅外光譜、二階導數(shù)紅外光譜測定硬脂酸亞甲基伸縮振動模式。研究發(fā)現(xiàn)：隨著測定溫度的升高，硬脂酸νasCH2和νsCH2均發(fā)生明顯的藍移現(xiàn)象；而338～348K的溫度范圍則是硬脂酸脂肪鏈全反式有序構象改變的臨界溫度范圍。開展了硬脂酸νCH2二維紅外光譜研究，研究發(fā)現(xiàn)：相變前，硬脂酸νasCH2峰強度變化早于νsCH2；相變過程中，硬脂酸νsCH2峰強度變化早于νasCH2;相變后，硬脂酸νasCH2峰強度變化早于νsCH2。此項研究，拓展了二維紅外光譜的研究領域，具有重要的理論研究價值。

圖6 相變后硬脂酸亞甲基二維紅外光譜

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