兩種違禁藥品的太赫茲振動光譜計算及分析

逯美紅，王志軍

（長治學院電子信息與物理系，山西長治046011）

兩種違禁藥品的太赫茲振動光譜計算及分析

逯美紅，王志軍

（長治學院電子信息與物理系，山西長治046011）

鹽酸O6單乙酰嗎啡和氨基磺酸O3單乙酰嗎啡屬于阿片類生物堿，是兩種違禁藥品，嚴重危害人體健康和社會安全。基于密度泛函理論和B3LYP∕6-31G(d,p)基組，用Gaussian09軟件計算了鹽酸O6單乙酰嗎啡和氨基磺酸O3單乙酰嗎啡分子在0～2.5 THz頻率范圍內的振動光譜，并對其特征吸收峰進行指認歸屬。

THz光譜；違禁藥品；密度泛函理論

1　引言

鹽酸O6單乙酰嗎啡和氨基磺酸O3單乙酰嗎啡會麻痹人的神經系統，使神經系統反饋遲鈍，給人們身心健康造成嚴重危害。目前，國內外常用化學分析法、光譜檢測法等進行檢測[1-5]。但這些方法屬于有損檢測，對樣品有一定程度的破壞。由于太赫茲（THz，1012Hz）波對包裹、紙箱、塑料等各種非極性材料有良好的穿透性，而且THz波的能量低，因此，THz技術可通過識別樣品分子的特征吸收峰，實現對樣品分子的無損探測[6-11]。

電磁波與物質相互作用，會激發出豐富的分子振動能級信息。分子紅外吸收光譜主要體現在物質中重原子的伸縮振動、某些變角振動、骨架振動以及晶體中晶格振動等振動模式中。隨著近年來密度泛函理論方法的發展，已經能夠對化合物的振動頻率進行預測[12-14]，使得THz光譜在檢測和識別中的應用得到拓展。

文章利用密度泛函理論計算鹽酸O6單乙酰嗎啡和氨基磺酸O3單乙酰嗎啡的分子結構和紅外特征頻率，并與實驗結果進行比較，為違禁藥品數據庫的建立及檢測提供了依據。

2　理論計算

利用Gaussian09軟件，對鹽酸O6單乙酰嗎啡和氨基磺酸O3單乙酰嗎啡的分子結構進行優化，優化后的分子模型分別如圖1和圖2所示。基于密度泛函理論及B3LYP/6-31（d）基組，理論計算了其THz吸收光譜，得到的0～2.5 THz頻率范圍內的吸收光譜分別如圖3和圖4所示。

圖1　鹽酸O6單乙酰嗎啡優化后的分子模型

圖2　氨基磺酸O3單乙酰嗎啡經優化后的分子模型

圖3　鹽酸O6單乙酰嗎啡的吸收光譜

圖4　氨基磺酸O3單乙酰嗎啡的吸收光譜

由圖3可以看出，鹽酸O6單乙酰嗎啡在1.25 THz、1.64 THz、1.97 THz和2.32 THz處有吸收明顯吸收特征；由圖4可以看出，氨基磺酸O3單乙酰嗎啡1.18 THz、1.59 THz、1.91 THz和2.29 THz處有明顯的吸收特征峰。

3　結果與討論

3.1理論計算與實驗結果的對比與分析

由已報道的鹽酸O6單乙酰嗎啡和氨基磺酸O3單乙酰嗎啡的吸收光譜實驗結果可知[15]，鹽酸O6單乙酰嗎啡在1.71 THz和1.98 THz處有明顯的吸收，在1.2 THz、1.6 THz、2.2 THz附近也有弱吸收；氨基磺酸O3單乙酰嗎啡在1.00 THz、1.40 THz、和1.89 THz是氨基磺酸O3單乙酰嗎啡特征吸收峰，這些特征吸收峰就是這兩種物質對應的“指紋圖譜”。

對比實驗和理論結果可以看出，鹽酸O6單乙酰嗎啡理論計算結果中1.97 THz處吸收峰與實驗結果中1.98 THz處吸收峰相吻合。在理論計算得出的吸收光譜中，1.25 THz，1.64 THz和2.32 THz處也有明顯的吸收峰，這些吸收峰在實驗結果中也可以找到，分別對應1.20 THz，1.50 THz和2.40 THz處的吸收峰，只是這些峰在實驗結果中不明顯，因此沒有標注。氨基磺酸O3單乙酰嗎啡理論計算結果中1.91 THz處的吸收峰與實驗結果中1.89THz處吸收峰吻合的很好。在理論計算結果中，1.18 THz、1.59 THz和2.29 THz處也有吸收峰，這些吸收峰分別對應實驗結果中的1.0 THz、1.40 THz和2.45 THz處的吸收峰，其中2.45 THz處的特征峰較弱，文中未標明。

雖然理論計算結果和實驗結果吻合較好，但還是存在一定差異，其主要原因有：①理論模擬采用的是單分子氣相模型，對于固態材料的THz光譜，除了分子內部的振動模式，分子之間的作用也會影響振動模式；②理論模擬模型是在絕對零度下進行的，而實驗結果是在室溫條件下得出的，模型沒有考慮到室溫對THz光譜的影響；③理論計算中的假設和基組的選擇也會對計算結果造成影響。

3.2振動模式的歸屬

根據計算結果，借助于GaussianView5.0軟件的可視化功能，對這兩種樣品分子的遠紅外振動模式進行了識別。鹽酸O6單乙酰嗎啡的振動模式如圖5所示，在1.25 THz處的吸收峰是由36CH3和41CH3相對搖擺引起的；在1.64 THz處的吸收峰是由甲基上37C-H的搖擺引起的；1.97 THz處的吸收峰是由41CH3與36CH3作剪式振動引起的；在2.32 THz處的吸收峰由36CH3的扭擺引起。

氨基磺酸O3單乙酰嗎啡分子振動模式如圖6所示，在1.18 THz處的吸收峰是除苯環以外的所有C原子繞z軸做面內搖擺引起的；1.59 THz處的吸收峰是33H繞32CH3做扭擺引起的；1.91 THz處是苯環與—41CH3面外搖擺引起的；2.29 THz處的吸收峰是—32CH3做扭擺引起的。

4　結論

利用Gaussian09軟件對兩種違禁藥品鹽酸O6單乙酰嗎啡和氨基磺酸O3單乙酰嗎啡進行了空間優化，并基于密度泛函理論，用B3LYP/6-31（d）基組計算得到了0～2.5 THz頻率范圍內的吸收光譜，計算結果與實驗結果吻合較好。同時，對鹽酸O6單乙酰嗎啡和氨基磺酸O3單乙酰嗎啡的吸收光譜的分子振動模式進行了歸屬指認。研究表明密度泛函理論可以作為化合物的紅外頻率的合理預測，為該類違禁藥品的檢測和監管提供重要依據。

圖6　氨基磺酸O3單乙酰嗎啡分子的振動模式

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（責任編輯郝瑞宇）

THz Vibrational Spectra Calculation and Analysis of Two Illicit Drugs

Lu Mei-hong，Wang Zhi-jun
（Department of Electronic Information and Physics，Changzhi University，Changzhi Shanxi 046011）

Hydrochloric acid O6Monoacetylmorphine and sulfamic acid O3Monoacetylorphine belong to illicit drugs.The DFT theory and B3LYP/6-31G(d，p)basis set were applied to optimize the molecular structures and calculate the absorption spectrum from 0 to 2.5THz and absorption peak were assigned.Theoretical results show that the distinct absorption peak of Hydrochloric acid O6Monoacetylmorphine appeared at 1.25THz, 1.64THz,1.94THz and 2.32THz and the distinct absorption peak of sulfuric acid O3Monoacetylorphine appeared at 1.18THz,1.59THz,1.91THz and 2.29THz.They were in agreement with the results of experiment.The results suggest that THz technique can be an effective way to inspect the illicit drugs.Also,theoretical DFT can provide an reasonable forecast for infrared frequency of compound.

THz Spectra;illicit drugs;DFT theory

O657.37

A

1673-2014（2016）05-0015-04

2016—08—19

逯美紅（1979—），女，山西孝義人，副教授，主要從事光譜技術方面的研究。