苯并芘分子構型和特征光譜的研究

摘 要：近年來，我國進入食品安全事件頻發期。苯并芘是迫害人類健康的主要元兇之一，在生產和生活中隨處可見，例如汽車尾氣、熏制食品、香煙以及高溫油炸食品，它們都包含微量的苯并芘。文章采用第一性原理密度泛函理論（DFT）方法，在B3LYP/6-311G++（d，p）等基組水平上對苯并芘分子進行了分子構型的優化和特征光譜的計算，通過計算得到了苯并芘分子的鍵角、鍵長、二面角等詳盡的分子構型參數，并得到了苯并芘的拉曼光譜和紫外可見吸收光譜。

關鍵詞：苯并芘；拉曼光譜；分子構型；紫外可見吸收光譜

1 概述

“民以食為天”這一句俗語在人世間流傳了千百年，它反映了人類生活與餐飲密不可分的關系，就好比魚和水的關系。伴隨著社會的進步，餐飲業飛速發展，展現了人類的文明，但是作為餐飲中不可或缺的環節-油，卻因“地溝油”的存在遭受了嚴重的破壞。地溝油中的危害成分主有五種，分別為苯并芘、對二甲苯、黃曲霉素、D-甘油酸分子以及十二烷基苯磺酸鈉，它們都具有致癌的作用。因此，苯并芘帶來的食品安全問題也日益受到人們的重視。文章選取苯并芘來研究，得到此特征光譜，為食品中苯并芘快速檢測提供數據參考。

2 理論計算

利用密度泛函理論方法， 在B3LYP/6-311G++（d，p）高水平基組上對苯并芘分子進行了分子結構的優化和計算，結果表明頻率分析均無虛頻，說明分子構型穩定。同時在優化好的構型基礎上，并分別采用HF/3-21G和CIS/3-21G基組計算了苯并芘分子的拉曼光譜和紫外可吸收譜，全部計算通過Gaussian 09程序來完成。

3 計算結果與討論

3.1 分子幾何構型

通過Gaussian 09程序的計算，我們得到了苯并芘分子的穩定構型，如圖1所示。苯并芘分子由5個苯環稠合結構構成，其分子構型屬于平面型，包含20個碳原子12個氫原子。

優化后的具體結構參數包括了鍵長、鍵角以及二面等信息。R12，R23，R34，R48，R89，R910和R710的鍵長分別為1.36000？魡，1.39549？魡，1.39660？魡，1.40139？魡，1.40196？魡，1.39844？魡和1.40141？魡；A（1.2.3），A（2.3.4），A（3.4.8），A（4.8.9），A（8.9.10），A（9.10.7）和A（7.3.4）的鍵角分別為119.97°，119.82°，120.00°，119.78°，120.09°，120.04°和120.30°。D（32.24.1.2），D（6.1.2.23），D（1.2.3.7），（2.3.4.8），D（5.4.8.18），D（1.6.5.16）和D（23.2.3.7）的二面角分別是180°，180°，-180°，180°，0°，-180°和0°。

分析上面的數據，我們知道了苯環分子中碳碳鍵的鍵長大概在1.36？魡-1.4？魡，二面角是180°、-180°或者0°，3個碳原子之間的鍵角都是比較接近120°。這些結果表明了苯并芘中所有苯環都在同一個平面上。

3.2 拉曼光譜

通過Gaussian 09程序的計算，我們得到了分子振動頻率和振動對應拉曼光譜的強度，計算結果表明各個振動頻率所對應的拉曼光譜強度分別為：103.91Hz對應的強度為0.6145；143.05Hz對應的強度為1.1375；200.52Hz對應的強度為2.2058；244.20Hz對應的強度為1.7375；247.59Hz對應的強度為3.4689；271.8Hz對應的強度為1.1838；346.49Hz對應的強度為5.0191；360.78Hz對應的強度為57.5182；369.34Hz對應的強度為0.2722；428.04Hz對應的強度為8.6612；474.04Hz對應的強度為4.2243；508.63Hz對應的強度為8.8147；534.50Hz對應的強度為3.3691；548.90Hz對應的強度為1.2469。從數據中可以看出，分子強度最大的峰數值是57.5a.u左右，而其對應的頻率是360Hz左右。

苯并芘分子的Raman光譜具有很強的特征性，Raman光譜檢測技術屬于一種無損分析技術，在選擇合適的容器和方法后，對各種狀態的樣品（氣體、液體和固體）都能進行很好的測試，因此，苯并芘就算在地溝油中，也能通過拉曼光譜手段被分析和檢測到。

3.3 紫外光譜

利用密度泛函理論方法，在B3LYP/6-311G++（d，p）高水平基組上對苯并芘分子進行了分子結構的優化和計算，在優化好的構型基礎上，采用CIS/3-21G基組計算了苯并芘分子的紫外可吸收譜。圖2是苯并芘分子的理論計算UV-VIS光譜圖，由圖可知，在紫外光譜范圍內，苯并芘分子的吸收峰比較少，只有三個特征吸收峰，分別位于144.56nm、199.71nm和294.72nm。

在199.71nm處有較強的吸收峰，這是由于苯環上大量的Ar-H 鍵伸縮振動引起的。紫外光譜振動的頻率和強度較好地說明了苯并芘分子中各個基團的真實性。苯并芘分子具有較好的特征性UV-Vis 光譜性質，為苯并芘的快速探測和識別以及檢測提供了重要的數據參照。

4 結束語

文章利用密度泛函理論方法，在B3LYP/6-311G++（d，p）高水平基組上對苯并芘分子進行了分子結構的優化和計算，同時在優化好的構型基礎上，并分別采用HF/3-21G和CIS/3-21G基組計算了苯并芘分子的特征光譜，包括拉曼光譜和紫外可見可吸收譜，為食品中苯并芘快速檢測提供數據參考。

參考文獻

[1]吳丹.食品中苯并芘污染的危害性及其預防措施[J].食品工業科技，2008，29（5）：309-311.

[2]龍威，顏雪明，賀楚華.量子化學法研究苯并芘分子的結構和性質[J].天津師范大學學報，2013，33（4）：78-82.

[3]唐利斌，姬榮斌，劉樹平，等.光氣的太赫茲/紅外吸收及拉曼散射振動光譜研究[J].紅外技術，2011，33（2）：75-79.

[4]Gaussian 03， Revision B.01， M. J. Frisch， et al. Gaussian， Inc.， Pittsburgh PA，2003.