一种基于红外光谱与DFT计算的氨基酸吸附机制研究方法技术

本发明专利技术提出了一种针铁矿/水界面氨基酸微观结构与吸附作用机制研究的新方法。该方法结合使用原位红外光谱ATR流动池技术与DFT理论计算手段，可以阐明氨基酸分子结构、pH值、离子强度等因素对其微观界面过程的影响，揭示其分子层面的吸附动力学过程。红外光谱ATR流动池技术可以原位监测氨基酸的吸附过程，并对界面信息进行在线富集。DFT理论计算则可以模拟吸附前后氨基酸形态的红外频率值，进行峰指认，进而判定微观界面结构。本发明专利技术方法可为确定针铁矿/水界面氨基酸的微观界面结构与吸附作用机制提供直接的实验证据和理论依据。

【技术实现步骤摘要】
一种基于红外光谱与DFT计算的氨基酸吸附机制研究方法
本专利技术涉及红外光谱和DFT计算
，可应用于铁(氢)氧化物、铝(氢)氧化物、二氧化钛等模型矿物/水界面氨基酸微观结构与吸附作用机制的研究。
技术介绍
氨基酸是生命的物质基础，广泛存在于生命体及地表环境介质中，是湖泊沉积物溶解性有机氮(DON)的重要组成部分。相对于DON其他组分，氨基酸具有确定的分子结构，可进行深入研究以揭示其沉积物/水界面过程。吸附作用是沉积物/水界面反应过程的初始步骤，直接影响着湖泊环境中氨基酸的赋存形态、分布特征、迁移转化和生物有效性。相对于湖泊沉积物，粘土矿物、金属(氢)氧化物等模型矿物的结构明确，组分也较为单一。矿物/水界面吸附过程可借助多种原位技术手段，在分子水平上揭示研究体系的微观界面结构，为阐明其吸附作用机制提供直接的实验证据。此外，可以对模型矿物/水界面的作用机制进行理论化学模拟，进而与实验技术手段研究相互验证，获取界面构型的分子结构及相应的参数信息。因此，深入研究矿物/水界面氨基酸的微观结构和吸附机理，有助于理解和预测其在湖泊沉积物中的界面吸附过程。针铁矿是湖泊沉积物中广泛存在的稳定铁(氢)氧化物之一，具有较大的比表面积和吸附能力，常被选作模型矿物研究其微观界面结构和吸附作用机制。目前，国外已针对矿物/水界面氨基酸的吸附作用机制开展了部分相关研究，国内报道则相对较少。尤其是涉及针铁矿/水界面氨基酸微观结构及吸附作用机制的研究，在国内外更是鲜见报道。因此，如何能够探索一种可以为针铁矿/水界面氨基酸微观吸附过程提供直接的实验证据和理论依据的研究方法，是本领域技术人员急需解决的问题。
技术实现思路
专利技术解决的是现有技术缺少对针铁矿/水界面氨基酸微观结构及吸附作用机制的研究方法，进而提出了一种针铁矿/水界面氨基酸微观结构与吸附作用机制研究的新方法，可为阐明氨基酸的微观界面吸附过程提供直接的实验证据和理论依据。本专利技术解决上述技术问题采用的技术方案为：一种基于红外光谱与DFT计算的氨基酸吸附作用机制研究方法，包括以下步骤：(1)配制标准氨基酸水溶液及第一背景电解质溶液，使用红外光谱仪采集标准氨基酸水溶液的红外谱图，所述第一背景电解质溶液的pH值与所述标准氨基酸水溶液的pH值相同；(2)制备ATR晶体针铁矿薄膜，配制标准氨基酸反应溶液及第二背景电解质溶液，采集针铁矿/水溶液界面处的背景谱图，所述第二背景电解质溶液的pH值与所述标准氨基酸水溶液的pH值相同；(3)将步骤(2)中的所述第二背景电解质溶液更换为同等pH值的标准氨基酸反应溶液，扣除针铁矿/水溶液界面处的背景谱图，采集针铁矿/水溶液界面处的氨基酸红外谱图；(4)比对所述标准氨基酸水溶液红外谱图与针铁矿/水界面处的氨基酸红外谱图：当所述标准氨基酸水溶液红外谱图与针铁矿/水溶液界面处的氨基酸红外谱图中的羧基相关频率无显著差异时，每个所述羧基相关频率偏移范围均小于或者等于10cm-1，则判断针铁矿与氨基酸的吸附间作用机制为外层吸附；当所述标准氨基酸水溶液红外谱图与针铁矿/水溶液界面处的氨基酸红外谱图中的羧基相关频率存在显著差异时，任意一个所述羧基相关频率偏移范围大于10cm-1或出现羧基相关频率消失，则判断针铁矿与氨基酸间作用机制为内层吸附。所述步骤(1)、(2)和(3)中使用的红外光谱仪的参数为：红外光谱仪的型号：PerkinElmerSpectrum100；检测器：MCT检测器；ATR附件：HATRPlusPlatformOpticsAssembly，PIKE；晶体种类及使用范围：ZnSe，pH5～9；Ge，pH1～14；晶体尺寸：梯形45°，80×10×4mm；恒流泵流速：0.25mL/min；氮气流量：1mL/min。步骤(1)中采集标准氨基酸水溶液红外谱图的方法为：将1mL第一背景电解质溶液均匀滴加在ATR附件的流动池晶体上，采集谱图并保存为背景谱图，所述第一背景电解质溶液的离子强度和pH值与所述标准氨基酸水溶液相同；除去第一背景溶液，加入1mL所述标准氨基酸水溶液，扣除背景谱图，采集标准氨基酸水溶液的标准谱图。步骤(2)采集针铁矿/水溶液界面处的背景谱图的方法为：A.制备ATR晶体针铁矿薄膜：将1mL、1g/L分散均匀的针铁矿悬浊液滴加至ATR流动池晶体表面，保证池内无气泡，放置烘箱内在50℃烘干；B.采集界面处背景谱图：输送第二背景电解质溶液至流动池，平衡针铁矿表面电荷，采集谱图直至谱图无变化，保存为背景谱图。步骤(3)中采集针铁矿/水溶液界面处的氨基酸红外谱图的方法为：将步骤(2)中的第二背景电解质溶液更换为同等pH值的标准氨基酸反应溶液，扣除背景谱图，采集针铁矿/水溶液界面处的氨基酸谱图。所述标准氨基酸水溶液中含有0.1M天冬氨酸和0.1MNaCl；所述标准氨基酸反应溶液中含有1mM天冬氨酸和0.1MNaCl。步骤(1)、(2)和(3)中采集的红外谱图的分辨率为4cm-1，平均256次。步骤(2)中所述针铁矿的合成方法为：将可溶性铁盐与碱在溶液中进行反应，反应的生成物在70℃条件下进行水热反应即得所述针铁矿。所述可溶性铁盐与碱在溶液中进行反应时，将所述可溶性铁盐溶液置于冰水浴中，在搅拌条件下逐滴向所述可溶性铁盐溶液中加入KOH溶液，其中所述可溶性铁盐为Fe(NO3)3，所述碱为KOH。还包括步骤(5)：对标准氨基酸水溶液形态与界面结构红外频率值进行DFT计算，DFT计算使用的软件为Gaussian03；所述DFT计算的方法为：在B3LYP水平上，对Fe采用Lanl2dz赝势基组，对C、H、O、N采用6-31+g(d,p)基组；溶剂化效应采用显性模型，即1个O原子周围添加2个水分子，1个N原子周围添加3个水分子。对氨基酸水溶液形态及微观界面结构进行构型优化后，再进行红外光谱频率分析以及峰指认归属，频率校正因子分别为0.964和0.961。本专利技术所述的基于红外光谱与DFT计算的氨基酸吸附作用机制研究方法，将所述标准氨基酸水溶液的红外谱图与针铁矿/水溶液界面处的氨基酸红外谱图进行比对：当两个所述红外谱图中的羧基相关频率无显著差异时，即每个所述羧基相关频率偏移范围均小于或者等于10cm-1，则判断针铁矿对氨基酸的吸附机制为外层吸附，即吸附态氨基酸的分子结构未发生显著变化；原理在于：外层吸附作用对吸附态氨基酸分子结构的影响较小。当标准氨基酸水溶液的红外谱图与针铁矿/水溶液界面处的氨基酸红外谱图的羧基相关频率存在显著差异时，即任意一个所述羧基相关频率偏移范围大于10cm-1或出现羧基相关频率消失，则判断针铁矿对氨基酸的吸附机制为内层吸附，原理为：内层吸附状态下，氨基酸以共价键形式作用于针铁矿表面，其界面结构较之水溶液形态发生显著性扭曲。本专利技术中所述的羧基相关频率是指ν(γ-C＝O)，νas(α-COO-)，νs(α-COO-)，νas(γ-COO-)，νs(γ-COO-)，ν(C-OH)，δ(C-OH)。本专利技术方法结合使用原位红外光谱ATR流动池技术与DFT理论计算手段，为确定针铁矿/水界面氨基酸的微观界面结构与吸附作用机制提供直接的实验证据和理论依据。其中，ATR流动池技术可以降低水及二氧化碳对谱图采集的影响，在线富集针铁矿/水界面氨基酸的微观结构信息，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于红外光谱与DFT计算的氨基酸吸附作用机制研究方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)配制标准氨基酸水溶液及第一背景电解质溶液，使用红外光谱仪采集标准氨基酸水溶液的红外谱图，所述第一背景电解质溶液的pH值与所述标准氨基酸水溶液的pH值相同；(2)制备ATR晶体针铁矿薄膜，配制标准氨基酸反应溶液及第二背景电解质溶液，采集针铁矿/水溶液界面处的背景谱图，所述第二背景电解质溶液的pH值与所述标准氨基酸水溶液的pH值相同；(3)将步骤(2)中的所述第二背景电解质溶液更换为同等pH值的标准氨基酸反应溶液，扣除针铁矿/水溶液界面处的背景谱图，采集针铁矿/水溶液界面处的氨基酸红外谱图；(4)比对所述标准氨基酸水溶液红外谱图与针铁矿/水界面处的氨基酸红外谱图：当所述标准氨基酸水溶液红外谱图与针铁矿/水溶液界面处的氨基酸红外谱图中的羧基相关频率无显著差异时，每个所述羧基相关频率偏移范围均小于或者等于10cm‑1，则判断针铁矿与氨基酸的吸附间作用机制为外层吸附；当所述标准氨基酸水溶液红外谱图与针铁矿/水溶液界面处的氨基酸红外谱图中的羧基相关频率存在显著差异时，任意一个所述羧基相关频率偏移范围大于10cm‑1或出现羧基相关频率消失，则判断针铁矿与氨基酸间作用机制为内层吸附。...

【技术特征摘要】
1.一种基于红外光谱与DFT计算的氨基酸吸附作用机制研究方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)配制标准氨基酸水溶液及第一背景电解质溶液，使用红外光谱仪采集标准氨基酸水溶液的红外谱图，所述第一背景电解质溶液的pH值与所述标准氨基酸水溶液的pH值相同；(2)制备ATR晶体针铁矿薄膜，配制标准氨基酸反应溶液及第二背景电解质溶液，采集针铁矿/水溶液界面处的背景谱图，所述第二背景电解质溶液的pH值与所述标准氨基酸水溶液的pH值相同；(3)将步骤(2)中的所述第二背景电解质溶液更换为同等pH值的标准氨基酸反应溶液，扣除针铁矿/水溶液界面处的背景谱图，采集针铁矿/水溶液界面处的氨基酸红外谱图；(4)比对所述标准氨基酸水溶液红外谱图与针铁矿/水界面处的氨基酸红外谱图：当所述标准氨基酸水溶液红外谱图与针铁矿/水溶液界面处的氨基酸红外谱图中的羧基相关频率无显著差异时，每个所述羧基相关频率偏移范围均小于或者等于10cm-1，则判断针铁矿与氨基酸的吸附间作用机制为外层吸附；当所述标准氨基酸水溶液红外谱图与针铁矿/水溶液界面处的氨基酸红外谱图中的羧基相关频率存在显著差异时，任意一个所述羧基相关频率偏移范围大于10cm-1或出现羧基相关频率消失，则判断针铁矿与氨基酸间作用机制为内层吸附。2.根据权利要求1所述的基于红外光谱与DFT计算的氨基酸吸附作用机制研究方法，其特征在于，所述步骤(1)、(2)和(3)中使用的红外光谱仪的参数为：红外光谱仪的型号：PerkinElmerSpectrum100；检测器：MCT检测器；ATR附件：HATRPlusPlatformOpticsAssembly，PIKE；晶体种类及使用范围：ZnSe，pH5～9；Ge，pH1～14；晶体尺寸：梯形45°，80×10×4mm；恒流泵流速：0.25mL/min；氮气流量：1mL/min。3.根据权利要求1或2所述的基于红外光谱与DFT计算的氨基酸吸附作用机制研究方法，其特征在于，步骤(1)中采集标准氨基酸水溶液红外谱图的方法为：将1mL第一背景电解质溶液均匀滴加在ATR附件的流动池晶体上，采集谱图并保存为背景谱图，所述第一背景电解质溶液的离子强度和pH值与所述标准氨基酸水溶液相同；除去第一背景溶液，加入1mL所述标准氨基酸水溶液，扣除背景谱图，采集标准氨基酸水溶液的标准谱图。4.根据权利要求3所述的基于红外光谱与DFT计算的氨基酸吸附作用机制研究方...

【专利技术属性】
技术研发人员：王圣瑞，杨艳丽，倪兆奎，徐义生，
申请(专利权)人：中国环境科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11