乙二胺四乙酸二钠又名EDTA-2Na,是化学中一种重要的螯合剂,它有六个配位原子,与金属离子配位后,就可以生成极为稳定的络合物。EDTA-2Na作为抗氧化剂、稳定剂、防腐剂和凝固剂在染料、食品添加、医药等工业上有广泛的用途。中国《食品添加剂使用卫生标准》(GB-2760—2001)规定:乙二胺四乙酸二钠在果酱、蔬菜泥(酱)类食品中的添加限量为0.07g·kg-1,在地瓜果脯、蔬菜罐头等食品中的添加限量为0.25g·kg-1,在复合调味料中的添加限量为0.075g·kg-1,在饮料类食品中的添加限量为0.03g·kg-1。然而,过量或是不按规定使用就会影响人的身体健康,不仅会导致人体中所需微量元素的流失,引起呕吐、腹泻等症状,甚至导致暂时性的肾脏功能障碍和血压的降低[1]。所以,基于食品质量安全和质量监管考虑,对EDTA-2Na的检测研究是非常重要的。

目前,利用高效液相色谱法[2]、UPLC-MS-MS法[3]和固相萃取-高效液相色谱法[4]等方法检测EDTA-2Na有灵敏性高和准确性高的优点,但是操作过程相对复杂、成本费用较高。太赫兹光谱和拉曼光谱技术由于其独特的优点,是研究分子结构和振动的有效手段,但是因其产生机理不同,二者在分子结构研究方面具有较好的互补性[5,6,7]。考虑到食品中组成成分的复杂性,对其检测并做成分分析就会很困难。目前,利用太赫兹光谱技术和拉曼光谱技术对EDTA-2Na的检测研究还未见报道。所以研究其太赫兹光谱和拉曼光谱振动特性及振动机理,对其及衍生物进一步检测有很重要的意义。

利用太赫兹光谱技术和拉曼光谱技术对抗氧化剂EDTA-2Na进行光谱检测,并基于密度泛函理论对EDTA-2Na分子的振动模式和光谱特性的理论机理进行归属和分析,与实验结果进行对比,为快速安全检测EDTA-2Na提供实验方法和依据。

1、实验部分

1.1样品制备

实验样品购自山东青岛优索化学科技有限公司,白色粉末,其纯度大于99%,分子式为C10H14N2Na2O8。THz光谱测试中,将EDTA-2Na粉末与聚乙烯粉末以1∶1(50mg∶50mg)的量进行混合均匀,制备成厚度为2mm、半径为6.5mm的圆形薄片。同时,制备纯聚乙烯样品薄片作为背景参考(与测试样品中的聚乙烯含量相同)。拉曼光谱测试中,将少量的EDTA-2Na粉末置于载玻片上,放入共聚焦显微拉曼光谱仪载物台上的物镜视野区域,用532nm的激光进行扫描检测。

1.2装置

实验使用的太赫兹光谱系统是德国Batop公司的THz-TDS1008型太赫兹时域光谱仪,激光输出中心波长为780nm,脉冲宽度小于100fs,检测范围为0.05～3.5THz。实验过程在室温氮气环境中完成,湿度小于4.0%。实验使用的拉曼光谱仪是德国Bruker公司的SENTERRA型共聚焦拉曼显微光谱仪,激光波长为532nm,分辨率为9～15cm-1,光谱扫描范围为47～4450cm-1,光阑为25×1000μm,物镜为50倍长焦,检测过程在室温下(22℃)完成。

1.3计算方法

采用GaussView5.0和Gaussian09软件[8,9],在密度泛函理论B3LYP/6-31G*基组水平上优化了EDTA-2Na几何结构,并以相同基组计算拉曼光谱和太赫兹光谱。

2、结果与讨论

2.1EDTA-2Na分子的几何构型

基于密度泛函理论,优化EDTA-2Na分子结构,并计算振动频率,结果无虚频,证实得到了分子在势能面上的局域极小点,结构稳定。结合自然键轨道(NBO)分析,图1和表1分别给出了优化后的EDTA-2Na分子结构及部分结构参数。

图1优化后的EDTA-2Na的分子结构

表1结构中部分原子之间的键长R(Å)以及Wiberg键级(WBI)

EDTA-2Na分子中分别由四个乙酸(CH3COOH)取代了两个氨基上的四个氢原子(—H),就一个氨基而言,一边连接了两个α-取代乙酸,另一边与两个α-取代乙酸的氨基相连。通过α-取代乙酸的取代之后,由于乙酸的体积远远大于氢离子,空间位阻比取代之前大得多。C—C之间的键长范围为1.504～1.534Å,小于标准C—C单键的键长1.54Å,大于标准C—C双键键长1.34Å,C—N之间的键长在1.443～1.478Å之间,小于标准C—N单键的键长1.47Å,大于标准C—N双键的键长1.28Å,而WBIC—C和WBIC—N的值均大于0.94,证明该结构中C—C,C—N之间均为单键。而对于结构中的羧基—COOH,C—O之间的距离分别为1.199/1.222Å和1.350/1.365Å,是典型的C—O双键和单键,这也可以从WBIC—O(Na)值得到证明;对于含有Na原子的COONa基团来说,C—O之间的距离均在1.265Å左右,WBIC—O(Na)值大约为1.44,说明C—O之间的相互作用介于单双键之间;O—Na之间的距离范围为2.141～2.176Å,那么Na原子与两个O原子之间均有静电相互作用,这也可以由WBIO—Na值得到验证。

2.2EDTA-2Na的太赫兹光谱与分析

图2和图3分别是EDTA-2Na样品的时域光谱、折射率和太赫兹吸收光谱对比图。可以看出,由于样品对太赫兹信号的吸收,所以样品信号脉冲相对于参考信号脉冲有时间延迟及振幅衰减。EDTA-2Na的折射率范围在1.3～1.55之间,折射率的平均值为1.4,在1.6THz附近有明显的反常色散。另外,对应于每一个吸收峰,折射率谱有明显的变化,且与吸收光谱中吸收峰位置基本对应,说明异常色散总是伴随着明显的吸收。吸收峰位置为0.88,1.40,1.73,1.98和2.32THz处,由于样品的散射,吸收系数也随着频率的增加而增大。

图2EDTA-2Na的太赫兹时域谱

图3EDTA-2Na的折射率及太赫兹吸收光谱

采用密度泛函(DFT)理论,对EDTA-2Na分子的振动谱进行了计算,理论计算与实验结果对比如图4所示。由图可知,在低频波段0.2～2.6THz之间,计算出5个特征振动频率,均具有较强的红外强度,由于分子之间的弱相互作用或者晶格的振动导致吸收峰稍有频移,但吸收峰的吸收系数、形状及位置都与实验结果相似。模拟计算结果中的吸收峰主要位于1.16,1.37,1.61和2.27THz处,与实验结果中的1.40,1.73和2.32THz处的特征峰对应。EDTA-2Na在THz波段的吸收峰均显示为较宽的吸收峰包络面,该吸收峰包络面与分子内原子的振动吸收有很大的区别,主要原因是该波段吸收振动大多源于分子的集体振动,这一结果可以借助于GaussView5.0软件对振动模式进行分析而得到验证。图5给出了1.16,1.37,1.61和2.27THz处特征峰对应的振动图像,主要由COO—基团摇摆、O—H键摇摆带动亚甲基链及整个分子骨架摆动导致,表2列出对应振动峰的模式归属。实验中0.29和1.98THz处的吸收峰在计算结果中没有出现,其原因可能是分子之间的相互作用或声子模式造成或是由于固态效应能使晶体中单个分子的简振模式劈裂成具有不同对称性的几个模式,导致产生1.73和1.98THz处的肩膀峰(弱)。另外,而理论结果中0.58THz处的小吸收峰,在实验中没有检测得到,其原因可能是该吸收峰的相对强度太弱,在实验时被淹没在背景噪声中了[11]。

图4EDTA-2Na太赫兹吸收光谱计算结果与实验结果的对比

图5EDTA-2Na太赫兹特征峰的振动图像

表2EDTA-2Na太赫兹光谱的振动频率及模式归属

2.3EDTA-2Na的低频拉曼光谱与太赫兹光谱的对比分析

拉曼光谱波峰丰富,可以反映分子的振动、转动等信息,常被用于物质的鉴定和结构分析。图6显示了EDTA-2Na在200～1800cm-1光谱范围内拉曼光谱的实验和理论计算结果对比。可以看出,EDTA-2Na的实验与理论结果均存在比较丰富和明显的拉曼特征峰,而且在1000～1800cm-1范围内拉曼特征峰吻合较好。理论光谱中342,717,925,969,991,1077,1134,1428和1633cm-1处的拉曼特征峰与实验拉曼光谱中345,713,921,963,990,1081,1136,1428和1614cm-1处的拉曼特征峰较一致,偏差范围在0～10cm-1(图中只标记了部分拉曼特征峰位)。EDTA-2Na分子共有36个原子,102个简正振动模式。低频拉曼峰主要来自声子振动模式,而高频拉曼散射峰来自分子的内振动模式(为简单计,文中只标记部分特征峰并做讨论)。借助于GaussView5.0可视化软件对其振动模式进行归属可知,342,925和991cm-1处的特征峰分别归属为O—Na扭摆振动、C—C的摇摆振动,969和1077cm-1处的特征峰归属为链上亚甲基的摇摆振动,717和1633cm-1处的特征峰归属为O—C—O及H—C—H的剪切振动。表3列出了EDTA-2Na分子在300～2000cm-1光谱范围内部分拉曼特征峰及对应振动模式。

图6EDTA-2Na的拉曼光谱实验结果与理论结果对比图

表3EDTA-2Na的部分拉曼特征峰振动模式及归属

低频拉曼光谱和太赫兹吸收光谱的直接比较有助于解析光谱特征峰的产生机理。图7所示为6.7～85.8cm-1范围内的低频拉曼光谱和0.2～2.6THz太赫兹吸收光谱。可以看出,EDTA-2Na的低频拉曼光谱与太赫兹吸收光谱有很强的相似性,在0.88,1.40,1.73和2.32THz处的太赫兹吸收和在29.3,46.7,57.0和76.3cm-1的拉曼散射(分别对应0.88,1.40,1.73和2.28THz)基本一致,表明它们同时具有拉曼和红外活性;0.29及1.98THz处只有太赫兹吸收,无拉曼活性;17.3cm-1(0.52THz),39.2cm-1(1.16THz)处有较弱的拉曼振动,而无红外活性。这体现出红外光谱和拉曼光谱在分子结构研究方面的具有一致性与互补性的特点。在密度泛函理论(B3LYP/6-31G*)下计算其简正模式,得出低频振动峰来自声子振动模式,大多数原子都参与了集体振动。0.88,1.40,1.73和2.28THz(29.3,46.7,57.0和76.3cm-1)的特征峰来自于分子内C—H,O—H,CO的振动并带动亚甲基甚至整个分子的骨架振动。特殊地,位于1.71THz(57.0cm-1)处的线宽较宽的拉曼峰在THz吸收光谱中变成大约位于1.73THz,1.98THz(57.7cm-1和66.0cm-1)的两个吸收峰,它们属于分子内O—H键及亚甲基链扭摆振动模式。谱峰归属见表4。

图7EDTA-2Na的太赫兹吸收谱(有效范围0.2～2.6THz)与拉曼散射谱(有效范围6.7～85.8cm-1)

表4EDTA-2Na太赫兹吸收与低频拉曼散射的分子振动模式归属

3、结论

基于密度泛函理论,通过自然键轨道(NBO)和振动频率计算分析了优化后EDTA-2Na分子结构的稳定性和合理性。测试了食品添加剂EDTA-2Na在0.26～2.6THz范围内的太赫兹光谱和10～4000cm-1范围内的拉曼光谱,并结合密度泛函理论计算结果对其振动光谱进行了计算和分析,得到了所有特征峰位置及其对应的振动模式。结果表明,EDTA-2Na分子在太赫兹波段0.88,1.40,1.73和2.32THz处有四个明显的振动吸收,对应太赫兹吸收峰位折射率图谱中也有明显的反常色散,且实验检测结果与理论计算结果基本一致,故可以作为食品添加剂EDTA-2Na的特征吸收峰。另外,EDTA-2Na分子在200～2000cm-1光谱范围内有丰富、清晰的拉曼特征峰,且345,713,921,963,990,1081,1136,1428和1614cm-1处特征峰与理论计算342,717,925,969,991,1077,1134,1428和1633cm-1特征峰吻合较好。特别是,对低频拉曼光谱和太赫兹光谱进行了对比和分析。结果显示在0.2～2.6THz(6.7～85.8cm-1)波段的THz吸收与拉曼散射符合的比较好,既同时具有拉曼和红外活性的振动,也有红外活性无拉曼活性的振动,也有拉曼活性无红外活性的振动。0.2～2.6THz(6.7～85.8cm-1)范围内的特征峰振动模式一般来源于分子内C—H、O—H、COO—基团、亚甲基链牵动的所有原子或大部分原子参与的分子骨架振动,随着振动频率的增加,振动模式由分子的集体振动向单一的原子基团的剪切和伸缩振动过渡,这与300～2000cm-1范围内观测到的拉曼结果一致。说明太赫兹光谱和低频拉曼光谱在物质鉴定和检测方面有很强的一致性和互补性。结合物质成分分析方法,以上拉曼峰和太赫兹吸收峰可以有潜力作为通过光谱手段进行限量认定的依据。该研究将太赫兹光谱技术、拉曼光谱技术与密度泛函量子化学计算方法相结合,确定了食品添加剂EDTA-2Na的太赫兹吸收和拉曼散射特征峰,为其检测提供了可靠的依据和借鉴。

参考文献:

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基金:国家自然科学基金项目(11905018);山西省高等学校教学改革创新项目(J2018182);山西省高等学校科技创新项目(2020L0622)资助.