通过结合傅里叶变换红外光谱（FTIR）和傅里叶变换拉曼光谱（FT-Raman），以及密度泛函理论（DFT）和二次量子力学分子动力学（SQMFF）计算，完成了磷脂酰胆碱的振动谱归属

《Vibrational Spectroscopy》：Complete vibrational assignments of phosphatidylcholine combining FTIR and FT-Raman spectra with DFT and SQMFF calculations

本研究通过结合FTIR、FT-Raman与DFT及SQMFF方法，系统分析了含不同烷基链（R/R'）及水分子（C1/C1-R与C2/C2-R）的磷脂酰胆碱振动光谱特征，揭示了取代基和溶剂对分子极化率、偶极矩及稳定性的影响机制，并首次报道了基于局部对称坐标的振动模式完整归属及标定力常数。

　　

Sonia B. Diaz | Davide Romani | Silvia Antonia Brandán

图库曼国立大学生物化学、化学与药学学院普通化学系，地址：Ayacucho 471, 4000, San Miguel de Tucumán, Tucumán, 阿根廷

摘要

通过结合傅里叶变换红外光谱（FTIR）和傅里叶变换拉曼光谱（FT-Raman）、密度泛函理论（DFT）计算以及缩放量子力学力场（SQMFF）方法，完成了磷脂酰胆碱（PC）的完整振动模式分析。本研究分析了水和烷基R链、R’链对两种无水（C1和C1-R）以及两种单水合（C2和C2-R）PC物种的主要振动模式的影响，同时考虑了具有局部C2V和C3V对称性的磷酸基团。随后报告了主要的缩放力常数。通过使用原子电荷、分子静电势（MEP）、自然键轨道（NBO）、分子中原子（AIM）和前线轨道等方法，评估了这些物种的稳定性、反应性和相关参数。结果表明，在C1-R和C2-R物种中，用R链和R’链取代H原子会导致分子体积（V）和极化率（α）增加，而偶极矩减小。NBO和AIM计算预测的不同分子内相互作用可以解释这些变化。此外，水分子的存在使C2-R物种的极化率α值增加。随着烷基R链和R’链的长度增加，Mulliken电荷和MEP能量也增加，而C2物种的MEP能量降低。AIM研究表明，亲水基团和疏水基团之间存在多种相互作用，这些相互作用最终提高了物种的稳定性，使得C2和C2-R物种比C1和C1-R更稳定，这表明水分子稳定了这两种单水合物种。MEP、NBO以及ω、χ和μ等参数解释了C1-R相对于C1、C2和C2-R更高的反应性。

引言

磷脂酰胆碱（PC）和磷脂酰乙醇胺（PE）是所有哺乳动物膜中最丰富的磷脂，它们在调节脂质代谢、脂蛋白代谢以及全身能量代谢中起着关键作用。因此，各种组织中PC和/或PE含量的变化会影响健康和疾病状态。[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。由于其两亲性，卵磷脂及相关磷脂倾向于形成双层结构，其中亲水头部朝向表面，疏水烃链朝向内部。[7]作为脂质膜的组成部分，关于磷脂的实验和理论结构及振动研究非常多，但此处仅提及其中部分。[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]。Pearson和Pascher[7]确定了卵磷脂二水合物的分子结构；Weis和McConnell[8]报道了二维手性磷脂晶体；Walker等人[11]研究了磷脂在液-液界面上的结构和排列。此外，也有研究对PC进行了理论构象分析[10]、[11]、[12]、[13]。然而，目前尚未有使用谐波力场对PC的红外光谱和拉曼光谱进行完整振动模式分配的报道，因此在现有的振动研究中未提及磷酸基团的对称性[9]、[14]、[15]、[17]、[18]、[19]。因此，使用对称坐标对于确保可靠的振动分析和所有振动模式的正确分配是必要的。目前还没有使用Molvib程序和SQMFF方法结合PC的内部坐标进行振动模式分配的报道[22]、[23]、[24]。这种方法是确定PC振动模式和进行完整识别的有效手段。本研究的目标是：(i) 对无水和单水合PC物种的红外光谱和拉曼光谱进行全面的振动分析；(ii) 研究水分子对这两种光谱中观察到的谱带的影响；(iii) 研究烷基R链和R’链长度增加对观察到的谱带的影响。为此，将振动光谱与基于密度泛函理论（DFT）的理论计算相结合，得到了非常精确的结果。分析了两种优化的无水（C1和C1-R）和两种单水合（C2和C2-R）PC物种，其中磷酸基团分别具有局部C2V和C3V对称性。在单水合PC中，磷酸基团同时考虑了C3V和C2V对称性；而在无水物种中则仅考虑了C2V对称性[20]、[21]。图1展示了单水合PC中磷酸基团的两种对称性类型，其中脂肪酸残基R和R’链以红色表示。

实验部分

实验中使用的L-α-磷脂酰胆碱（eggPC）直接购自Sigma-Aldrich公司。使用Perkin Elmer光谱仪在KBr压片上记录了固态PC的FTIR光谱，测量范围为4000-400 cm?1，仪器分辨率为1 cm?1，共进行了64次扫描。 PC的拉曼光谱在室温下记录，测量范围为3500-50 cm?1，使用的是Thermo Scientific公司的DRX Microscopy Raman仪器，激光波长为1532 nm，激光功率为10 mW。

计算细节

无水PC的最稳定优化结构取自Krishnamurty等人的研究[12]，其中R链和R’链被替换为H原子（如图2a所示）。随后，按照Pearson和Pascher[7]的实验结构，在磷酸基团的一个自由氧原子上添加了一个水分子（如图2b所示）。 在无水C1结构和单水合C2结构中，均添加了一个水分子。

PC的结构研究

图1和图2展示了四种PC结构：两种无水（C1和C1-R）和两种单水合（C2和C2-R）结构。表1总结了所有气相物种的总能量（经ZPVE校正）、偶极矩（μ）和体积（V），采用的是B3LYP/6-31 G*方法。选择这种方法是因为R链和R’链较长，计算成本较高，需要使用更高水平的理论模型。

结论

本研究首次结合FT-IR和FT-Raman光谱以及B3LYP/6-31 G*和SQMFF计算，完成了无水C1和单水合C2 PC结构的完整振动模式分配，并确定了其缩放后的谐波力常数。在单水合物种中，考虑了磷酸基团的局部C2V和C3V对称性，发现两种对称性的C2物种具有相似的振动模式，分配结果仅有细微差异。

资金声明

本研究未获得公共部门、商业机构或非营利组织的任何特定资助。

作者贡献声明

Sonia Beatriz Diaz：撰写、审稿与编辑、监督、数据分析、概念构思。 Silvia Antonia Brandán：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、方法学设计、实验研究、数据分析。 Davide Romani：监督、实验研究、数据分析。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了图库曼国立大学研究委员会（CIUNT）项目编号D714的支持。作者感谢Sundius教授允许使用MOLVIB软件。