基于密度泛函理论的沙林毒剂近红外光谱研究

摘要

近红外光谱涵盖了有机分子中C—H,N—H和O—H等含氢基团的倍频和合频产生的光谱,提供了分子的结构、组成、状态等信息,是研究有机物含氢基团振动的重要方法,常用于食品、农作物等的定性定量分析。生化领域内所研究对象也都含有氢基团,这些含氢基团吸收频率特征性强,受分子内外环境影响小,近红外光谱特性更稳定,故可用于化学战剂和危险化学品检测。沙林是一种神经性化学毒剂,研究其结构、化学特性及光谱性质时,为保证安全,实验中常用模拟剂样品代替测试,但目前尚无公允的沙林毒剂近红外模拟剂。采用密度泛函理论(DFT),基于Gaussian程序包,利用B3LYP/def2-SVP对沙林分子进行基态结构优化,计算了沙林分子的精细结构和分子基频振动模式,引入广义二阶微扰理论(GVPT2)建立了模拟生化毒剂近红外光谱的理论模型,得到近红外振动峰与主要振动模式,由倍频(Overtones)和合频(Combination Bands)振动绘制得到近红外光谱。对沙林在近红外区域内的含氢基团进行解析,对其特征峰进行指认,得到沙林分子在1150、1362和1500 nm处的三个特征峰及其振动模式,其中1150 nm峰是由多个倍频和合频的组合振动贡献产生;1362 nm是一个较宽的吸收振动峰,主要由分子中与C原子相连的原子合频和其他的非C,H原子产生的倍频或合频引起的;1500 nm位置的近红外振动峰主要由C8相关的振动模式贡献产生。通过密度泛函理论建立沙林的近红外光谱理论模型,通过实验验证了其理论模型的可行性,为寻找其近红外光谱模拟剂提供理论支撑。