乌洛托品表面增强拉曼光谱的密度泛函理论研究

Density Functional Theory Study on Surface-Enhanced Raman Spectroscopy of HMTA

摘要: 乌洛托品(C₆H₁₂N₄)在生产和生活中发挥重要作用，但是有不法分子利用其漂白性对食品进行二次处理，其残留物对人体有致癌作用。本文采用拉曼光谱、表面增强拉曼光谱(SERS)和密度泛函理论(DFT)模拟方法，对C₆H₁₂N₄分子及其与纳米金颗粒的复合物进行了理论研究。利用纳米金颗粒与分析物的选择性结合，研究了C₆H₁₂N₄分子静电势(MEP)、吸附能、前线分子轨道(FMO)和拉曼活性谱，以及配合物的拉曼活性谱。在MEP中发现了C₆H₁₂N₄的吸附位点，并推测这些位点可能是该分子在纳米金的吸附位点。计算了N7位点上的吸附能，C₆H₁₂N₄-Au、Au2、Au3、Au4、Au5和Au6的吸附能分别为−24.92、−34.92、−39.39、−58.68、−44.6和−34.58 Kcal/mol，这结果表明C₆H₁₂N₄与Au4为最佳的结合形式。C₆H₁₂N₄的FMO能隙为0.30258 eV，在加入4个纳米金颗粒后，FMO能隙为0.10947 eV。结果表明，在加入Au的C₆H₁₂N₄更容易发生化学增强，并且在加入Au4时，其模拟的SERS谱图与实验SERS谱图最为接近，其特征峰分别在710、756、1047 cm⁻¹相对应。

Abstract: HMTA (C₆H₁₂N₄) plays a significant role in production and daily life. However, some unscrupulous individuals take advantage of its bleaching properties to conduct secondary processing on food, and its residues are carcinogenic to the human body. In this paper, Raman spectroscopy, surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS), and density functional theory (DFT) simulation methods were adopted to conduct theoretical research on the C₆H₁₂N₄ molecule and its complexes with nano-gold particles. The electrostatic potential (MEP), adsorption energy, frontier molecular orbitals (FMO) and Raman activity spectra of C₆H₁₂N₄ molecules, as well as the Raman activity spectra of complexes, were investigated by taking advantage of the selective binding of nano-gold particles to the analyte. Adsorption sites of C₆H₁₂N₄ were found in MEP, and it was speculated that these sites might be the adsorption sites of this molecule in nano-gold. The adsorption energy at the N7 site was calculated. The adsorption energies of C₆H₁₂N₄-Au, Au2, Au3, Au4, Au5 and Au6 were −24.92, −34.92, −39.39, −58.68, −44.6 and −34.58Kcal/mol, respectively. This result indicates that C₆H₁₂N₄ and Au4 are the optimal combination forms. The FMO band gap of C₆H₁₂N₄ is 0.30258 eV. After adding 4 nano-gold particles, the FMO band gap is 0.10947 eV. The results show that C₆H₁₂N₄ with Au added is more likely to undergo chemical enhancement. Moreover, when Au4 is added, the simulated SERS spectrum is the closest to the experimental SERS spectrum, and its characteristic peaks correspond to 710, 756, and 1047 cm⁻¹, respectively.

1. 引言

乌洛托品，又名六次甲基四铵[1]，分子式为C₆H₁₂N₄，属于一类季铵盐。由于其表面活性剂的性质，在一些工业和实验室应用中发挥着关键作用，比如在洗涤剂、柔软剂、杀菌剂等产品中。乌洛托品的还原和漂白性质也被不法分子滥用，特别是在腐竹、米粉等食品中[2]。通过乌洛托品漂白后，食物呈现出明亮的外观和提高的白度，使其更具吸引力[3]。根据2010年3月22日发布的第四批《食品中可能违法添加的非食用物质和易滥用的食品添加剂名单》，国家卫生部规定，在食品的加工处理中，禁止使用乌洛托品[4]。王帅等人[5]采用气相色谱技术对乌洛托品进行分析，其方法的最低检出限达到1.54 ng，定量限为4.98 ng。彭明军等[6]建立了一种基于高效液相色谱的乌洛托品测定方法，检出限为4.00 mg/kg，并成功应用于米面制品的检测中。涂晓琴等[7]则基于质谱技术开发了一种灵敏度高、准确度优良的检测方法，最低检测限低于0.007 μg·kg⁻¹，适用于化妆品中乌洛托品的分析。尽管上述技术在灵敏度和准确性方面表现优异，但普遍存在分析周期较长、样品预处理复杂、操作过程对专业性要求较高等不足。因此，开发一种快速、便捷且具备现场原位检测能力的方法具有重要意义。

表面增强拉曼光谱[8]具有灵敏度高、能够检测痕量或单分子水平的物质信号、预处理较少等优点，在化学检测、环境监测等领域引起了广泛的研究关注。纳米金颗粒与分析物的选择性结合，促进了纳米金颗粒聚集和SERS热点效应的形成，以最大地增强C₆H₁₂N₄分子的拉曼信号[9]。因此，了解分子在金属基底表面的吸附对于研究SERS机理是非常必要的。密度泛函理论(DFT)方法有助于更好地理解SERS效应中分子在纳米金颗粒的吸附状态[10]。SERS方法结合DFT研究分子间的相互作用是理解化学吸附效应的有效手段[11]。现有研究中，利用密度泛函理论结合表面增强拉曼光谱研究C₆H₁₂N₄在纳米金颗粒的化学吸附效应的研究还很少。

本文采用密度泛函理论(DFT)和表面增强拉曼散射(SERS)相结合的方法，对C₆H₁₂N₄分子吸附金纳米粒子的拉曼活性谱、分子静电势(MEP)、前线分子轨道(FMO)等相关化学参数进行了全面的研究。研究结果将有助于更好地理解SERS效应中分子与增强基底之间的相互作用，为SERS在食品添加剂高灵敏度检测中的应用提供理论支持。

2. 试验部分

2.1. 仪器设备

研究所用主要仪器包括：Renishaw inVia Raman显微拉曼光谱仪(配785 nm激光器，分辨率优于1 cm⁻¹)、紫外–可见分光光度计(PerkinElmer Lambda系列，用于金纳米粒子吸收峰监测)、电子分析天平(精度0.1 mg，Sartorius)、超声波清洗器(用于金胶分散处理)、pH纸(Mettler Toledo)、恒温水浴锅(用于反应温度控制)。

2.2. 试剂材料

乌洛托品(C₆H₁₂N₄，分析纯)、氯金酸四水合物(HAuCl₄·4H₂O)、柠檬酸钠(分析纯)购自国药集团化学试剂有限公司，用于制备金纳米胶以构建SERS基底。实验所用水均为去离子水(电导率 < 0.1 μS/cm)。

2.3. 纳米金的制备

参照经典的Frens方法制备金纳米胶：向100 mL沸腾的0.01%(w/v) HAuCl₄溶液中迅速加入10 mL 1%(w/v)柠檬酸钠溶液，边加边搅拌。反应过程中溶液颜色逐渐由淡黄色变为酒红色，表明金纳米颗粒形成。继续加热并搅拌10分钟后，移至室温冷却，备用。

2.4. SERS测试过程

将等体积的乌洛托品稀释溶液与金纳米胶溶液(各500 μL)混合，轻轻振荡后静置2分钟使其吸附稳定。然后滴加至干净的载玻片表面，待其自然干燥形成测量样品。使用拉曼光谱仪(激光波长785 nm，激光功率5 mW，积分时间10 s，累加3次)进行测定，记录目标分子的SERS光谱，并对特征峰进行分析。

2.5. 理论模拟

本文使用Gaussian 09量子化学程序包进行理论计算[12]，分子构型通过Gauss View 6.0构建，然后利用Gaussian 09程序包对C₆H₁₂N₄的几何结构进行了优化。在结构优化的基础上，采用相同的方法进行了频率计算。计算过程中，采用DFT的B3LYP杂化泛函方法，基组为6-311+G(d, p) (C、H、O、N)和LanL2DZ(Au)。

3. 实验结果与讨论

3.1. C₆H₁₂N₄分子的结构

应用B3LYP/6-311+G(d, p)基组对C₆H₁₂N₄分子进行结构优化和频率计算，优化后的分子构型如图1所示，在结果中未发现虚频的情况，说明优化得到的分子结构是稳定的。

Figure 1. Diagram of C₆H₁₂N₄ molecular structure

图1. C₆H₁₂N₄分子结构示意图

3.2. C₆H₁₂N₄分子的表面静电式

利用分子静电势(Molecular Electrostatic Potential，简称MEP) [13]可以揭示分子内部电子分布的不均匀性，从而有助于理解分子的电子结构和化学性质，通过分子静电势，可以推测分子的吸附位点、电荷分布和分子性质。其中负电性区域比较容易导致亲电反应的发生；正电性区域比较容易受到亲核反应的发生。从分子静电势图(图2)可以看出，C₆H₁₂N₄分子中N1、N5、N6、N7原子上的电荷密度较高，是电负性较大的区域。当加入Au增强基底时，预测主要是通过N1、N5、N6、N7位点发生吸附作用。

Figure 2. C₆H₁₂N₄ molecular electrostatic potential

图2. C₆H₁₂N₄分子静电式

3.3. 模拟计算不同Au数量的吸附能

根据上文C₆H₁₂N₄的分子静电式，本文选择在N1、N5、N6、N7上配位Au进行计算，因为N7位点相对其他位点的结合能更大，所以选择在N7为配位点，进一步配位Au1 (图3(a))，Au2 (图3(b))，Au3 (图3(c))，Au4 (图3(d))，Au5 (图3(e))，Au6 (图3(f))纳米金形成稳定的配合物结构。

C₆H₁₂N₄的C2-N7键长为1.476Å，随着在N7位置上配位纳米金数目增多，C2-N7键也增加到1.477~1.501 Å，Au-N7的键长在2.161~2.357 Å，四个纳米金配位的时候，Au-N7键长为2.161 Å，与其他配合物比是最短的，和文献中报道一致[14]。

根据结合能公式Ebinding = Ecomplex − (Emetal + EABEE)，计算得到C₆H₁₂N₄-Au、C₆H₁₂N₄-Au2、C₆H₁₂N₄-Au3、C₆H₁₂N₄-Au4、C₆H₁₂N₄-Au5和C₆H₁₂N₄-Au6的结合能分别为−24.92 Kcal/mol、−34.92 Kcal/mol、−39.39 Kcal/mol、−58.68 Kcal/mol、−44.6 Kcal/mol和−34.58 Kcal/mol，如表1所示。其中Au4-C₆H₁₂N₄配合物结合能为−58.68 Kcal/mol，说明C₆H₁₂N₄分子与Au4相互作用时，形成的Au4-C₆H₁₂N₄配合物最稳定。

(a) C₆H₁₂N₄-Au (b) C₆H₁₂N₄-Au2

(c) C₆H₁₂N₄-Au3 (d) C₆H₁₂N₄-Au4

(e) C₆H₁₂N₄-Au5 (f) C₆H₁₂N₄-Au6

Figure 3. Molecular structure of HMTA-Au

图3. HMTA-Au分子结构图

Table 1. Comparison of optimized parameters for 2-1C₆H₁₂N₄ and Au-C₆H₁₂N₄ Complexes

表1. 2-1C₆H₁₂N₄和Au-C₆H₁₂N₄配合物的优化参数比较

Geometry	C6H12N4-Au E	C6H12N4-Au2 E	C6H12N4-Au3 E	C6H12N4-Au4 E	C6H12N4-Au5 E	C6H12N4-Au6 E
Bond
Lengths (Å)
Au-Au		2.577	2.823	2.663	2.758	2.637
Au-N7	2.357	2.173	2.165	2.161	2.215	2.306
Energy (Kcal/mol)	−24.92	−34.92	−39.39	−58.68	−44.66	−34.58

3.4. 模拟计算分子的间隙能

分子前沿轨道的能量差被称为HOMO-LUMO能隙或分子能隙，这个能隙反映了分子的电子转移能力、光学性质和反应活性。较小的能隙通常意味着分子在电子转移和光激发等方面更活跃，而较大的能隙则意味着分子在这些方面更不活跃。C₆H₁₂N₄分子的HOMO-LUMO轨道及能级差见图4。本文采用B3LYP方法，在6-311+G(d, p)基组上，分别对C₆H₁₂N₄和C₆H₁₂N₄-Au4分子能隙的计算，其分子能隙分别为0.30258 eV和0.10947 eV。结果表明，Au原子的引入降低了C₆H₁₂N₄的分子能隙，从而引起了C₆H₁₂N₄的电荷转移效应，进一步增强了它的化学活性，使得更容易发生化学反应。

Figure 4. HOMO-LUMO orbital maps and energetic polarization of C₆H₁₂N₄ and C₆H₁₂N₄-Au complexes

图4. C₆H₁₂N₄和C₆H₁₂N₄-Au配合物的HOMO-LUMO轨道图和能隙差

3.5. C₆H₁₂N₄分子与Au颗粒的表面增强拉曼光谱计算

图5代表C₆H₁₂N₄理论拉曼光谱图和实验拉曼光谱图，由图5可以看出，在C₆H₁₂N₄的770、813、1011 cm⁻¹处有明显的拉曼特征峰，在N7位点放置上Au、Au2、Au3、Au4粒子后，拉曼特征峰得到明显的增强效果。C₆H₁₂N₄-Au4理论模拟拉曼特征峰与实验拉曼特征峰710、756、1047 cm⁻¹相对应，实验与理论结果整体吻合较好，可以用作鉴定和识别这种物质的拉曼特征峰。

3.6. SERS增强机制的基本分类

表面增强拉曼光谱(SERS)的增强效应主要源于两大机制：

电磁场增强(电磁机制，EM)：由金属纳米结构的局域表面等离子体共振(LSPR)引起，是SERS增强的主要贡献(通常占增强因子的80%以上)。

化学增强(化学机制，CM)：通过分析物与金属表面的化学相互作用(如电荷转移、键合作用)实现，文档中通过DFT计算的吸附能、前线轨道能隙变化等属于此类。

电磁场增强的核心原理：局域表面等离子体共振(LSPR)，当入射光频率与金属纳米颗粒中自由电子的集体振荡频率匹配时，会激发LSPR效应。此时，金属表面附近的电磁场被显著增强，形成“热点”(Hot Spots)。对于金纳米颗粒，其LSPR峰通常位于可见光–近红外区域，与实验中使用的785 nm激光波长匹配，从而有效激发电磁场增强。电磁场增强的空间分布热点主要形成于纳米颗粒的间隙(如二聚体、三聚体或聚集结构的缝隙)，此处电磁场因等离子体耦合而呈指数级增强。增强因子与局域电场强度的四次方(E4)成正比，因此纳米间隙(~1 nm~10 nm)内的拉曼信号可被放大10⁶~10¹²倍。

Figure 5. SERS theoretical and experimental Raman spectra of the C₆H₁₂N₄ molecule

图5. C₆H₁₂N₄分子的SERS理论和实验拉曼谱图

金纳米颗粒的结构影响

尺寸：粒径为50~100 nm的金纳米颗粒LSPR效应最强，文档中采用Frens法制备的金纳米胶即属于该范围。

形状：球形颗粒主要产生偶极共振，而尖端、棱角结构可产生更高阶的多极共振，进一步增强场强。

聚集状态：文档中提到“纳米金颗粒与分析物的选择性结合促进聚集和SERS热点效应”，聚集后的颗粒间隙形成高效热点，如Au₄团簇可能通过多颗粒耦合增强电磁场。

4. 结论

本研究基于DFT理论与SERS系统探讨了乌洛托品(C₆H₁₂N₄)在金纳米颗粒表面的吸附行为与增强机制。采用B3LYP方法，结合6-311+G(d, p) (用于C、H、O、N)与LANL2DZ (用于Au)的复合基组进行理论计算。静电势分析显示，C₆H₁₂N₄分子中N1、N5、N6与N7位点具有显著的负电性，推测其为主要吸附活性位点。进一步通过在N7位点引入不同数量的金原子模拟吸附体系，发现C₆H₁₂N₄-Au₄模型的吸附能最低(−58.68 kcal/mol)，为最稳定的吸附构型。

通过对比各模型的分子能隙，结果表明纳米金的逐步引入降低了分子间隙能，有利于电荷转移与化学增强过程的发生，从而增强拉曼信号。理论计算所得的C₆H₁₂N₄-Au₄拉曼光谱与实验数据高度一致，进一步验证了该构型的合理性。上述研究结果不仅为理解乌洛托品在金纳米基底上的增强机制提供了重要理论支撑，也为SERS技术在食品污染物及其他痕量物质高灵敏检测中的应用奠定了坚实的基础。

基金项目

项目编号：YKJCX2420415；项目名称：基于DFT理论的SERS难测氨氮分子结构设计方法研究；项目等级：校级项目。

NOTES

^*通讯作者。