（应用化学专业论文）DNA和RNA碱基光损伤的拉曼光谱学研究.pdf

摘要 本文研究了d m t ( i , 3 - 二甲基胸腺嘧啶，1 3 一d i m e t h y l t h y m i n e ) 、四种 d m t d ( t r a n s - a n t i - ，t r a n s - s y n - c i s - a n t i - ，c i s - s y n - i , 3 - d i m e t h y l t h y m i n ec y c l o b u t a n e d i m e r ) 、d m u ( 1 3 二甲基尿嘧啶，1 , 3 - d i m e t h y l u r a c i l ) 及四种d m u d ( t r a n s - a n t i - t r a n s - s y n c 括- 厅f - 。c i s - s y n 一1 ，3 - d i m e t h y l u r a c i ic y c l o b u t a n ed i m e r ) 共十种化合物 的挣曼光谱。并且利用d f t ( b 3 p w 9 1 ，6 3 l g ) 方法，对这些分子的振动光谱进 行r 理论计算，对实验光谱结果进行了合理的指认和分析。在此基础f ：，提m _ ：厂 d n a 和r n a 碱基光损伤形成环丁烷嘧啶：聚体的光谱变化规律。我们发现，“ d n a 碱基光损伤形成环丁烷嘧啶二聚体，其拇曼光谱的变化韦要 f 以f 几点： ( 1 ) 当碱基形成二聚体时，它的扣曼光谱变得复杂、谱峰变多，特征件谱 峰信号减弱：由于c = c 双键的消失。所以双键的伸缩振动区域( 1 6 5 0 1 7 0 0 c m 。) 的谱带会出现明显变化( 变窄) 。 ( 2 ) 对于二二甲基胸腺嘧啶二聚体( d m t d ) ，其最强特征谱带存5 0 0 c m 。附 近；对于二甲基尿嘧啶二聚体( d m u d ) ，其最强特征谱带存6 0 0 c m 。附近。 ( 3 ) 受环丁烷两侧六元环的影响，环丁烷的环呼吸振动强度不是很大( 日 在d n a 和r n a 的紫外光损伤中，形成的丰要是c i s 构型的：聚体) ，这也是存前 人针对d n a 紫外光损伤的挝曼光谱研究_ t 作中，没有明最的环j 烷环呼吸振动 特征的原因。但该种振动在t r a n s 构型二聚体的拉曼光谱中明蛙。 另一方面，不同类型二聚体之间也可以很好的利用拇曼光谱的筹异加以 分。 本论文的目的是弄清d n a 与r n a 光损伤拉曼光谱检测的一蝗基础性问题， 促进挣曼光谱在牛物样品分析领域( 本文为d n a 与r n a 紫外光损伤) 的进一步 应用。本论文的研究结果对d n a 光损伤机理的探索，光解酶活性检测办法的研 发以及治疗癌疗的光敏药物的研制等方面，都具有一定的理论意义和应用价值。 a b s t r a c t t h er a m a n s p e c t r a o f d m t ( 1 ，3 - d i m e t h y l t h y m i n e ) ，f o u r k i n d s o f d m t d ( t r a n s - a n t i - t r a n s - s y n c i s - a n t i - ，c i s - s y n - ij - d i m e t h y l t h y m i n ec y c l o b u t a n e d i m m e r s ) ，d m u ( i3 一d i m e t h y t u r a c i l ) a n df o u rk i n d so fd m u d ( t r a n s - a n t i - t r a n s - s y n - c i s - a n t i - ，c i s - s v n 一1 , 3 - d i m e t b y l u r a c i lc y c l o b u t a n ed i m m e r s ) w e r e s t u d i e d t h et h e o r e t i c a ic a l c u l a t i o no ft h e s em o l e c u l e sm e n t i o n e da b o v ea r ea l s o p e r f o r m e db yu s i n gd f t ( b 3 p w 9 i 6 - 3 1 g ) m e t h o d ，a n d t h eb a n d so ft h e e x p e r i m e n t a ls p e c t r aw e r ea s s i g n e dt od i f f e r e n tk i n d s o fv i b r a t i o nm o d e s b a s e do nt h er e s u l t so b t a i n e dw eb r o u g h tf o r w a r dt h er e g u l a rr u l eo ft h e s p e c t r a l c h a r a c t e r c h a n g e w h e nd n ao rr n ai s p h o t o d a m a g e d t of o r m c y c l o b u t a n ep y r i m i d i n ed i m e r s w h i l ed n a o rr n aa r e i vp h o t o d a m a g e da n d s oa st of o r m p y r i m i d i n ed i m m e r s ，t h e i rr a m a ns p e c t r ap r e s e n ts o m cc h a r a c t e r s ， s u c ha st h ei n c r e a s i n go fr a n d o m n e s s ，t h en a r r o w i n gd o w no f s t r e t c h i n gb a n d so f t h ed o u b l eb o n d s ，e t c t h es t r o n g e s tm a r kb a n d so fb m t d sa r en e a r5 0 0 c m 一 a n dt h o s eo fd m u da r en e a r6 0 0 c m b e c a u s ec 括c o n f i g u r a t i o nd i m m e ha r c m a i n l yp r e s e n ti np b o t o d a m a g e dd n a r n aa n dt h ec y c l o b u t a n er i n gb r e a t h b a n d sa r en o to b v i o u si nt h i sk i n do fd i m m e r sb u tt h o s ea r eo b v i o u si nt r a n s c o n f i g u r a t i o nd i m e r s ，s oi t i sd i f f i c u l tt of i n dc y c l o b u t a n e sr i n gb r e a t hb a n d si n d n a r n a sp h o t o d a m a g e dr a m a ns p e c t r u m o nt h eo t h e rh a n d t h er a m a n s p e c t r a o b t a i n e dc a na l s ob eu s e dt o d i s t i n g u i s hp y r i m i d i n e d i m m e r sw i t h d i f f e r e n tc o n f i g u r a t i o n 。 t h i sd i s s e r t a t i o ni sa i m e da t c l a r i f y i n g s o m eb a s i c q u e s t i o n s o fr a m a n s p e c t r ao fp h o t o d a m a g e dd n a r n a ，a n dp r o m o t i n gt h ea p p l i c a t i o no fr a m a n s p e c t r o s c o p y i n b i o a n a l y s i s t h e r e s u l t so b t a i n e ds h o u l db e h e l p f u l f o rt h e r e s e a r c h e sa b o u tt h em e c h a n i s mo f p h o t o d a m a g i n g o fd n ao r r n a ，t h e d e t e c t i o no fp h o t o l y a s e sa c t i v i t ya n dt h ep h o t o s e n s i t i z e rf o rt h ep h o t o d y n a m i c t h e r a p yo f c a n c e r se t c 中国科学技术大学硕士论文 引言 拉曼光谱作为一种重要的分析手段广泛地应用于细胞和分子生物学研究领域，其中 d n a 是其分析测试的重要对象。针对于d n a 的各种损伤的拉曼研究被广泛报道，其中紫 外光辐射损伤由于其重要的现实意义而最受关注。各方面的研究成果都表明，环丁烷嘧啶二 聚体是紫外损伤的主要产物 1 1 8 。然而，现有的报道还没有发现有人给出明确的环丁烷嘧 啶= 聚体的拉曼光谱特征。虽然一些d n a 光损伤豹拉曼研究，阐述了光损伤后各种碱基谱 带的变化情况，从一个侧面的角度暗示了可能发生的损伤情况 4 5 - 5 5 1 ，然而，由于无法指出 环丁烷嘧啶二聚体的特征信号的出现，难以形成逻辑严密的科学结果。本研究的目的就是通 过对各种嘧啶单体和环丁烷二聚体的拉曼光谱的实验和理论计算研究，给出各种嘧啶二聚体 的特征谱带位置。这些信息反过来可指导和验证d n a 光损伤的拉曼光谱研究；同时，该研 究的结果还对探索光解酶活性的检测方法和研究治疗癌症的光敏药物等方面具有积极的理 论意义与应用价值。 同时本研究涉及的一系列的嘧啶二聚体又是一个很好的分子结构差异模型，结合量子 化学的计算结果，可以解释各种不同构型二聚体的光谱差异，给出更加准确细致的分子结构 信息。由于环丁烷结构和六元环的嘧啶结构都是拉曼光谱学研究的重要内容，所以本论文的 结果对相关领域的研究也有借鉴意义。 1 1 拉曼光谱简介 第一章研究背景 拉曼散射理论是1 9 2 3 年由德国科学家a s m e k a l 首先预言的，1 9 2 8 年印度物理学家b v r a m a n 观察到苯和甲苯的拉曼效应。拉曼光谱学是以拉曼效应为基础发展起来的。由于技 术上的原因，拉曼光谱的应用及发展受到很大的限制。6 0 年代激光被用作拉曼光谱的激发 光源之后由于激光的优越性( 能量大而集中、单色性好、偏振性能强) ，从而大大提高了 拉曼散射的强度，拉曼光谱成为激光分析中最活跃的研究领域之一。激光拉曼和红外光谱相 辅相成，成为进行分子振动和分子结构鉴定的有利工具，被应用于纳米材料、水中代谢物、 药物及药物成形剂、植物有效成分的结构分析等等。经过几十年的发展，拉曼光谱现在已经 形成了一系列的、相对全面的分析技术手段。 ( 1 ) 傅立叶变换拉曼光谱技术 1 9 8 7 年，p e r k i ne l m e r 公司推出第一台近红外激发傅立叶变换拉曼光谱( n i r f t - r ) 商品 仪，它采用傅立叶变换技术对信号进行收集，多次累加来提高信噪比，并用1064 m m 的近 红外激光照射样品，大大减弱了荧光背景。从此，n 瓜f t - r 在化学、生物学和生物医学样品 的非破坏性结构分析方面显示出了巨大的生命力。 1 9 9 6 年，周光明等就傅立叶变换拉曼光 谱在无机化合物、有机化合物、生物材料、高聚物等方面应用作过详尽综述。近几年来， 化学工作者们对f t - r l l m a n 光谱仍在不断探索。王斌等采用f t - r a m a n 光谱仪对蛋白质样 品进行多次扫描，曲线拟合原始光谱图，以子峰面积表征对应二级结构含量，从而对蛋白质 二级结构进行定量分析。可以根据人体正常组织和病变组织的f t - r a m a n 光谱差异，从分 子水平鉴别和研究病变的起因。孙素琴首次利用f t - r a m a n 光谱直接、准确、快速、无损 地测定了2 3 种常用植物中药材，并根据每种药材的光谱特征进行分类。f t - r a m a n 光谱技 主里型堂茎查查堂堡主丝壅 术还应用在测定家兔体液中的葡萄糖含量、亚麻油的组分、棉织物上的有机染料、碳酸钙的 固相分析以及共聚物、金属有机化台物的结构研究等方面 ( 2 ) 表面增强拉曼光谱技术 1 9 7 4 年f l e i s e h m a m a 等人发现吸附在粗糙化的a g 电极表现的毗啶分子具有巨大的拉 曼散射现象，后被d u y n e 等人证实其表现增强因子可达106 ，加之活性载体表面选择性吸 附分子对荧光发射的抑制，使激光拉曼光谱分析的信噪比大大提高，这种表面增强效应被称 为表面增强拉曼散射( s u r f a c e e n h a n c e r a m a l ls c a t t e r i n g ，简称s e r s ) 。迄今为止的研究主要 集中在探讨表面增强的理论模型，寻找新的体系和实验方法以及进行表面增强拉曼光谱的 应用研究。关于表面增强效应产生的机理现已提出十余种理论模型，但普遍适用的完善模型 尚在不断探索之中。随着表面增强拉曼光谱分析的深入，新的表面活性载体和具有表面增强 效应的物质不断涌现，除了早期的金属电极外，目前最普遍的活性载体为金属溶胶、金属沉 积岛状膜等。为了提高s e r s 的灵敏度、稳定性和重现性 氧化银溶液、氰化银溶胶等新的 活性基质，激光烧蚀、酸蚀、掺银、涂银等活性载体制备技术也在开发应用中。s e r s 技术 是一种新的表面测试技术，可以在分子水平上研究材料分子的结构信息，如银纳米粒子，银 胶体粒子上的联喹啉等。它与电化学方法相结合。不仅可以用来研究缓冲荆对金属的缓蚀性 能，而且还能了解缓蚀剂分子在金属表面上的吸附模式，与金属的结合状态以及对金属的缓 蚀机理，如电镀液防腐添加剂硫脲 p yr 阻碍d n a 复制与转录，从而造成细胞死亡。1 9 5 8 年，首次发 现了可修复dn a 光损伤的酶澉称为光复活酶或光解酶( p h o t o l y a s e ) ，在光复活作用中，光 解酶特异性地结合到d n a 中的pyr pyr 上，在近紫外可见光( 3d o 一5 00 n m ) 7 里型堂垫查盔兰堡主兰苎 c r o s s - l i n k i n g d i m e r i z a t i o n d n a 图1d n a 光损伤的模式图( 出自参考文献【5 0 】) 照射下，m t h f ( 四羟叶酸) 或8 一h df 吸收一个光子，把能量传递给f ad h 2 ，激发态 的fa d h 一( 还原型黄素腺嘌呤二核苷酸) 向pyr pyr 转移个电子，使二聚体裂 解恢复d n a 的双螺旋结构。 然而，在研究过程中灵敏有效的分析测试方法是整个研究得以顺利进行的基础。在光解 酶研究中，d n a 或r n a 中环丁烷二聚体的检测是该研究能否顺利进行的关键。能否利用光 谱分析测试手段建立有效的对该目标分子结构的分析测试方法昵。作者利用量子化学理论方 法与光谱分析实验结果相结合，得到了目标结构的具体光谱信息：找到了可以作为该结构标 志的多条拉曼谱带。虽然由于现有实验条件和实验设备的限制，还未能完全建立生物遗传分 子中环丁烷二聚体的拉曼光谱的检测方法。但是相信在获得了这些信息后，建立拉曼光谱分 析环丁烷二聚体结构方法的研究更进了一步。 1 - 18 】 1 3 本研究的意义 通过对d n a 和r n a 各种损伤形式拉曼光谱学的研究，得到各种有益的信息用来帮助针 对生命遗传物质的拉曼光谱研究，主要有以下几个方面： ( 1 ) 对d n a r h a 紫外光损伤机理以及光解酶活性检测研究的意义【1 1 8 】 紫外线作用于生物体的主要靶分子是d n a ，d n a 的光化学产物主要是环丁烷型嘧啶二 聚体( c p d ) ，它阻碍d n a 的复制与转录，造成细胞死亡，并可引起变异，是导致人类皮 肤癌的主要原因。太阳光的远紫外成分被大气吸收，二聚体不能壹接吸收太阳光发生逆反应 使受损d n a 得以修复。但在近紫外一可见光下，生物体可通过光复活打开环丁烷环，修复嘧 啶碱基，恢复d n a 的双螺旋结构。近年来，d n a 的修复尤其是d n a 光复活作用的研究引 起了人们的极大关注。在这种研究中的一个关键就是对于嘧啶二聚体的检测和分析。本研究 是利用拉曼光谱对该体系检测的一次有益的尝试， ( 2 ) 对光敏抗癌药物的研究的意义 2 0 一2 5 1 矽一隅一循 秒一斡一 中国科学技术大学硕士论文 利用光敏剂治疗癌症是一种行之有效的方法，其特点是利用光敏荆光照后产生一系列化 学反应来破坏和消灭癌细胞。d n a 就是光敏剂破坏的主要靶分子。当研究各种光敏药物和 d n a 的相互作用时，拉曼光谱是重要的研究手段。本研究所获得的结果有利于对上述研究 谱图的理解和分析。 ( 3 ) 对有机结构分析的研究 2 6 - 3 1 】 通过对d m t d 和d m u d 各种异构体拉曼光谱的研究可以看出，配合现代量子计算化学 手段，直接通过对分子振动光谱的理论和实验比较，就能够得出比单纯分析振动光谱更多的 信息，这些信息可以很好的帮助我们对有机结构的分析。随着2 1 世纪计算机技术的快速发 展，运算时间的问题将很快解决。量子化学计算和实验光谱对照的方法将是未来的发展方向。 ( 4 ) 对癌变细胞差异的研究 3 2 - 4 0 】 很早就有人观测了癌变细胞和普通细胞的光谱学差异，由于细胞中水分的影响，所以拉 曼光谱广泛的应用于相关的细胞分析领域。然而，虽然观测到了明显的光谱差异，但是对于 这些差异的解释却变得报难。利用量子化学计算和机理模拟研究有望最终解释这些光谱变 化，进而发展对癌症的诊断技术。 圆对微生物的识别和鉴定 4 l - 4 4 振动光谱技术特别适用于微生物的识别鉴定，因为谱图中信息是微生物各种组分的综合 反映，不同的微生物其分子组成不同，这些不同同时也反应到振动光谱的变化。而且，振动 光谱可以作为实用的作为临床诊断裟置。 1 4 本课题在研究方法上的新颖性 对d n a 紫外光损伤的研究报道很多。研究对象一般是生物提取的各种d n a 的拉曼光谱。 虽然上述研究也得到了很多有意义的结果，但却没有能够对嘧啶二聚体的拉曼光谱信号给予 明确的指认 4 5 5 5 。原因是多方面的，一方面生物d n a 是复杂的大分子，其拉曼光谱信号 也很复杂，对光损伤后d n a 的拉曼光谱就更加复杂了，环丁烷嘧啶二聚体的信号即使存在， 也不明显；另一方面环丁烷嘧啶二聚体的特征拉曼信号的研究还未见到报导，所以这些拉曼 检测无法对嘧啶二聚体进行有针对性的检测。 本研究的特点主要在两个方面： 一是建立相对生物大分子简单得多的分子模型，通过对分子模型的拉曼分析得到有用 的数据来指导以后的研究，研究体系从最简单的开始，逐步复杂。 二是充分利用量子化学理论计算方法，从理论上对得到的拉曼光谱给予解释，进行振 动分析。这类分子的拉曼光谱量子化学计算文章也未见报道。( 量子化学的计算由于计算机 技术的快速发展使其应用越来越广泛，现有分子的拉曼光谱计算还主要集中在些容易获得 的小分子以及生物小分子上，这些分子一般没有本文中的嘧啶= 聚体复杂。) 9 中国科学技术大学硕士论文 第二章l ，3 二甲基胸腺嘧啶( d m t ) 及其二聚体( d m t d ) 的 拉曼光谱分析 2 1 分子轨道理论从头算简介 量子化学在3 0 年前曾一度被认为不适合用于化学的确那时也未能对化学的发展产生 过大的影响。可是现在人们对它的这种看法已经完全改变了，事实证明了量子化学有巨大的 潜能，可以发挥积极的作用，以至于化学家们已经将量子化学计算( 或更普遍的称作分子轨 道计算) 当成和实验设备相伴的“常规手段”了。这个改变应归功于分子轨道计算中准确高 效的模型建立和计算方法的不断更新。当然和计算机功能的快速提高是分不开的。这种质的 突破被认为是近2 0 年内化学领域的重大进展之一。为了表彰j o h n p o p l e 教授和w a l t e r k o h n 教授在这个领域内的杰出贡献，他们荣获了1 9 9 8 年的诺贝尔化学奖。 分子轨道计算大体上分为从头算和半经验计算两大类。后者包含了对像双电子积分那样 的一些参量，往往需要用实验数据加以拟合的方法来节省计算时间。前者则不需要任何实验 数据，所有计算都从第一原理( 量子力学原理) 开始。这两种类型的计算方法的选取主要与 作为对象的分子体系大小有关。随着计算机技术的发展，对需要更大计算工作量的大分子体 系的从头算将逐步成为可能，因此将会实现对半经验计算方法的全面代替。由理论的角度看 来，从头算方法可以适应不同精度水平的要求，而半经验计算方法的可靠程度则极大的依赖 于所选参数的好坏。 从头算( a bi n i t i a ) 的理论基础是h a r t r e e - f o e k ( h f ) 方法即以非相对论近似和 b o m - o p p e n h e i m e r 近似为前提的方法。在h f 计算中，电子波函数和它的能量通过自治场 ( s c f ) 方法得到，体系的电子总能量则通过调节一组基函数( 单粒子基) 的系数的方法使 之达到最小化。而这组基函数的线性组合构成了该体系的电子波函数的分子轨道。在h f 模 型中，被称作动态电子相关性的瞬间电子相互作用则被忽略。 密度函数法( d f t ) 是一种受到理论化学家钟爱的新方法。尽管有的作者称它为半从头 算方法，但实际上仍应看成是一种正规的从头算方法。但是它具有类似于半经验计算方法的 经济性，印可以节省计算时间。此外d f t 方法从理论上对电子相关性作了很好的考虑，因 此特别适用于含有过渡金属原子的体系。 由于本文重点是希望通过对目标化合物的理论和实验研究，能够得到有益的信息来指导 生物分子体系的检测研究，而不是着重于对于理论算法的研究，所以相关的量子化学方面的 理论问题不再赘述。 本文的计算选用g a u s s i a n 9 8 软件，关键字选择o p t 和f r e q = r a m a n ( 即首先进行分子结构 的优化，之后计算分子的振动光谱数据，同时计算拉曼光谱的谱带强度) 。在尝试了其中几 种方法计算嘧啶二聚体的拉曼光谱后，从计算效率和计算准确性考虑，作者选择了 b 3 p w 9 1 ，6 3 l g 方法进行计算。计算在一台高端配置的p c 机上进行，对于d m t d m u 的计 算时间为4 个小时左右，对于d m t d d m u d 的每种分子，计算时间大概在1 0 0 小时左右， 每种分子的计算时间略有差异。 2 2 l 3 - 二甲基胸腺嘧啶( d m t ) 及其二聚体( d m t d ) 的制备【5 7 l 3 - 二甲基胸稼嘧啶( d m t ) 的合成：低湿下，将硫酸二甲酯滴加到胸腺嘧啶的碱性水 溶液中，然后加热至沸。用氯仿萃取，蒸去氯仿，在乙醇中重结晶纯化。 1 0 中国科学技术大学硕士论文 l 3 = 甲基胸腺嘧啶二聚体( d m t d ) 的合成：将d m t 的丙酮溶液置于p y r e x 反应池 中，n 2 鼓泡下用3 0 0 w 高压汞灯辐照至d m t 完全反应( 约2 1h ) 。蒸去溶剂，以乙酸乙酯 一石油醚( 6 ：1 ，v ：v ) 为抽提液经硅胶色谱柱分离，得到四种结构的d m t d ，c i s - s y n 、c 妇“， l t e d t t s - s y n t r a n s a n t i d m t d 。 ( 注：合成工作由中国科技大学化学物理系宋钦华老师与黑晓明博士完成) 2 3 拉曼光谱分析测试 拉曼分析在中国科技大学理化科学中心进行，使用法国产激光共聚显微拉曼光谱仪 ( l a b r a m - h rs y s t e m ，j o b i n - y v o n d i t o r , l i l l e ，p r a n c e ) 进行分析。激发光源为波长5 1 4 5 n m 的 氩离子激光器，激光器输出照射功率8 r o w 。仪器常规调试正常后，取少量d m t 的晶体粉末， 紧密压实在玻璃载玻片上，放置于样品台上，调节显微镜的聚焦到出现清晰的视野。为了尽 量避免可能出现的荧光干扰，在聚焦调节好以后，先将激光光斑调大，样品在激光束下照射 5 分钟后重新将激光光斑调好后开始摄谱，谱图扫描范围4 0 0 c m 1 到2 0 0 0 c m 1 ，为拉曼光谱 分析d n a 类化合物最常用的扫描范围。光谱仪每次收集拉曼散射信号的时闯为3 0 s 。对待 二聚体的拉曼光谱分析，由于荧光干扰比较强烈，故在测得光谱后利用o r i g i n 6 0 p r o 软件对 结果进行分析处理，扣除光谱中的荧光背景后得到文中的谱图。 2 4 1 , 3 一二甲基胸腺嘧啶( d m t ) 拉曼光谱和量子化学从头算 2 4 1d m t 的拉曼光谱 2 0 0 08 0 0 6 0 04 0 01 2 0 0 1 0 0 08 0 06 0 04 0 0 1 11 w a v e n u m b e r ( e m 。1 ) 图2 多晶1 , 3 一二甲基胸腺嘧啶的拉曼光谱图 中国科学技术大学硕士论文 从d m t 的实验拉曼光谱和胸腺嘧啶的拉曼光谱( 图3 ) 【7 1 1 比较看来，d m t 的拉曼光 谱具有了自己的特性：首先，对于双键的伸缩振动而言，胸腺嘧啶的拉曼光谱双键振动主要 是一个单峰( 也有一不易发现的小谱带) ，而d m t 的双键伸缩扳动出现了明显的三个谱带， 经过后面的振动分析可以发现每个谱带都对应于一个双键的伸缩振动为主的振动模式；其 次，胸腺嘧啶的最强谱带在1 3 6 3 e m 1 ，在1 3 0 0 波数以下的谱带强度都相对较弱，而d m t 在1 2 6 6 c m 1 ，7 8 1 c m 一，5 7 6 e m 。还有三个很强的谱带，尤其是7 8 1 c m 1 和5 7 6 e m l , 参考后面的 振动分析可以发现这两个谱带都是d m t 的环呼吸振动，模式有差异，可以看作是d m t 分 子的特征振动谱带。 轴_ 嘲旃毒他巍描飞 确坤哪m 蛙弹蚺l ，| 瞄i 自瓣雌雄h k 图3 参考文献中多晶胸腺嘧啶的拉曼光谱图【7 1 1 2 4 2 d m t 的拉曼光谱的振动分析【5 8 6 5 】 i 、d m t d m t d 拉曼光谱的从头算 计算所用的计算机为一台高配置的p c 机，为了系统的稳定性，安装了w i n d o w 2 0 0 0 操 作系统，采用g a u s s i a n 9 8 软件进行计算，方法选择b 3 p w 9 1 6 3 1 g , 计算关键字选择o d t 和 f r e q - - c a m a n ，也就是在计算光谱数据之前，首先要进行分子结构的最优化，达到系统的能量 晟低，然后利用优化后的构型进行拉曼光谱的计算。 计算结果输出为* o u t 或者 1 0 9 文件，可以利用w i n d o w 2 0 0 0 系统自带的记事本程序或 者写字板程序打开浏览。为了方便振动分析，利用g a u s s i a n v i e w 软件( 或者h y p e r c h e m 软 件) 提取结果文件( 或者检查点文件c h k ) 中的振动模式数据，显示振动模式或者进行动 画演示。 优化后的d m t 分子中各个原子的坐标列于表l ，图4 是根据该坐标绘制的分子图像。 计算结果中的谱带位置和计算强度以及和实验光谱的比较列于表格2 。 1 2 中国科学技术大学硕士论文 表1d m t 分子结构优化计算后的原子坐标表 c e n t e ra t o m i ca t o m i c n u m b e rn u m b e rt y p e c o o r d i n a t e s ( a n g s t r o m s ) xyz 601 2 4 4 3 8 50 4 1 6 1 2 5- 0 0 0 0 0 1 6 701 1 3 3 0 5 5 o 9 7 2 5 5 40 0 0 0 0 6 4 6 00 0 9 5 7 3 01 6 0 1 1 9 60 0 0 0 0 1 8 6 01 2 7 0 0 6 9- 0 9 2 3 4 4 50 0 0 0 0 1 2 6 0一1 2 4 1 4 7 8 0 5 3 2 0 6 60 0 0 0 0 0 4 70 0 0 4 4 2 6 91 1 1 7 8 7 50 0 0 0 0 2 5 8 02 2 6 9 9 1 81 2 4 2 2 0 8 0 0 0 0 0 0 7 802 3 5 5 9 6 2 0 9 8 1 5 1 20 0 0 0 0 1 3 60 - 2 6 0 9 8 0 6- 1 5 9 3 2 6 1 0 0 0 0 0 0 9 10 - 2 5 1 0 2 4 0- 2 6 8 2 8 7 3 0 0 0 0 1 0 6 1 03 1 9 4 5 9 9 - 1 2 9 5 5 2 60 8 7 7 6 1 9 10 - 3 ，1 9 4 5 1 1- 1 2 9 5 7 1 20 8 7 7 7 6 0 60 0 1 4 9 9 8 l 2 5 8 0 7 9 50 0 0 0 0 2 3 10 o 8 6 4 6 0 7 2 9 7 5 4 3 20 0 0 1 6 3 5 1 00 6 9 2 6 5 3 2 9 1 5 0 6 90 8 8 7 0 1 9 10 0 6 9 5 5 5 52 9 1 4 7 2 9 0 8 8 5 3 8 1 6 0 2 3 8 8 4 6 9一i 7 2 8 0 9 80 0 0 0 0 3 9 10 2 ，1 5 4 9 0 2 - 2 7 9 3 4 1 7- o 0 0 1 9 9 3 1 0 2 9 7 8 5 2 3- 1 4 8 0 6 7 7 0 8 8 5 5 8 6 10 2 9 8 0 2 5 6 - 1 4 7 7 6 5 68 8 3 4 6 8 1 00 0 6 2 0 4 8 - 2 6 8 4 2 8 60 0 0 0 0 4 0 一 3 2 3 4 5 6 7 8 9 m 挖n h m捕捞加” 主里型堂茎查查兰堡主垒塞。 圈4 优化后的d m t 分子构型图 2 、d 1 w r 分子中双键的伸缩振动 d l v l t 分子具有两个c - - o 键一个c = c 键，它们的伸缩振动在计算得到拉曼光谱中出现 三个谱带1 7 3 6 c m q , 1 7 3 l c m ，1 6 7 5 c m l 。根据计算结果。1 7 3 6 c m “的谱带主要是c 3 = c 4 的伸缩 振动伴随着另两个c = o 双键的相对较弱的异步伸缩，其中c 5 = o 与c a = c 3 同步伸缩，计算 强度最大4 2 1 l ，s c a l e 方程修正后的谱带为1 6 7 9 c m ，指认为实验谱图中1 6 8 8 c m - 1 的强谱带； 1 7 3 1 9 i l l 。为两个c = o 的同步伸缩振动，以c i = - o 的伸缩为主，计算强度1 9 6 3 ，修正后的谱 带为1 6 7 4 e m 一，指认为1 6 6 0 c m 。的强谱带；1 6 7 5 c m 4 为c i = o 与c = c 同步伸缩，与c 6 = o 异步伸缩，主要体现为c 6 - - - o 的伸缩振动，计算强度5 7 3 ，修正后谱带为1 6 2 0 c m ，指认为 1 6 3 5 c m 的谱峰。 溉强 1 7 3 6 c m1 7 3 1 c m 图5d m t 分子中的双键伸缩图 3 、d m t 分子中环的面内振动 1 4 1 3 c m 。和1 2 1 8 c m 1 的振动模式都与c 3 h 的面内摆动相关其中1 4 1 3 c m 。的振动更是 跟实验光谱中1 3 6 8 c m 。的一强谱带相对应，1 2 1 8 c m l l 和实验拉曼光谱中i1 9 6 c m 1 的一个弱 1 4 中国科学技术大学硕士论文 谱带相对应。由于c 3 h 连接在环的双键上，它的摆动必然带动整个环骨架的摆动，振动信 息中也就包含了环特征结构的信息，所以胸腺嘧啶的拉曼光谱中1 3 6 3 c m 。被认为是胸腙嘧 啶的特征谱带( m a r k e r ) 5 8 ，7 1 。所以我们并没有把这两个振动模式看作单纯的c h 摆动。 7 9 5 c m 。和5 8 4 c m “是环呼吸的振动模式，但与d m u 的环n 乎吸振动模式不同，d m t 的环呼 吸振动是环上交错的三个骨架原子向环内收缩或者向环外扩张的效果( 对于7 9 5 c m 。1 是c 1 ， c 3 ，c 5 ；对于5 8 4 c m 。1 是n 2 ，c 4 ，n 6 ) 。这可能和三个甲基带来的空间位阻有关。至于环的伸 缩振动，与】0 0 1 c m 。1 和5 2 0 c m “的振动模式很像，都可以理解为环骨架沿c 3 一n 6 伸缩振动 的效果。1 0 0 1 c m “更加以c - h 的摆动为主，5 2 0 c m 。则更多的是环上的形变。4 6 6 c m 。主耍 是环在c 1 - - - + c 4 方向的伸缩振动。环伸缩振动在实验光谱上没有很强的谱带，只有4 6 6 c m i 被指认为4 5 4 c m l 的中强度谱带。 1 0 0 1 c m ! ，函7 2 ? ?i 1 。 庐r 夸：= 茹7、j 、 图6 d m t 分子环的振动模式图 4 l3 c m 、 i “一 i ， ”- ? 一 尹， ，、- 。一 彤、办、 j氓：一 r 、人 斌 弋r令。弋海 丫。 j 冷 中国科学技术大学硕士论文 4 、d m t 分子c n 伸缩振动 d m t 分子的骨架振动中难免会带有c - n 的伸缩振动，除去上面已经表述过的以外， 1 3 1 8 c m 。和】3 0 9 c m 一1 的振动模式列于图7 ，1 3 1 8 c m 。的振动是c 5 n 6 c i 的非对称伸缩， 1 3 0 9 c m 。主要是c 5 n 6 的伸缩以及伴随的c h 摆动。1 3 18 c m 。1 在实验光谱中被指认为1 2 6 6 c m 。1 的一强谱带。 1 3 1 8 c m 。 图7d m t 分子中c n 的伸缩图 1 3 0 9 c m 5 、d m t 分子的面外振动 d m t 分子的面外振动的计算拉曼强度都很弱，在实验光谱中没有找到面外振动的谱峰。 该分子的面外振动以c 3 - h 的面外摆动为主，见图8 。 9 3 1 c m 图8d m t 分子的面外摆动图 4 6 8 c m 6 、d m r 分子的其它振动 d m t 分子中的其它振动包括c - l q 的同向摆动剪式摆动，扭曲摆动等等，这些谱带由于 彼此距离很近，所以往往形成宽谱带。如实验光谱中1 4 2 3 1 4 6 5 c m 。1 的宽谱带，很难具体指 认出具体的哪个振动对应哪个细小的谱带。还包括c = o 的摆动，如4 1 2 c m 1 被指认为实验 光谱中4 3 5 c m 。的弱谱带。 6 少丫 f 、卜f r ，、 飞 、， 毒卉0 蜂串 中国科学披术大学硕士论义 表2d m t 的实验拉曼光谱及其b