CN109839371A - 一种高拉曼光谱PBDEs分子衍生物检测筛选方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高拉曼光谱PBDEs分子衍生物检测筛选方法，操作简便、计算快速、容易实现，不仅可以理论验证PBDEs分子改造及检测方案的可行性，而且可以更加深入探究PBDEs的四大特性（毒性、迁移性、降解性、生物富集性）、以及拉曼特征振动光谱增强机理，找到影响PBDEs拉曼特征振动光谱峰强的关键位点及作用因素，为实现PBDEs的环境友好型分子改造、及其衍生物的高灵敏度检测提供直接方法；此外，本发明提供的基于药效团模型的高拉曼光谱检测方法研发周期短、成本低，可以节省大量的人力、物力和财力，为PBDEs的分子改造与检测提供了全新的思路。
Description
技术领域
本发明涉及一种高拉曼光谱PBDEs分子衍生物检测筛选方法，属于多溴联苯醚检测技术领域。
背景技术
多溴联苯醚(Polybrominated diphenyl ethers,PBDEs)自20世纪60-70年代以来作为阻燃剂广泛应用于纺织品、电子产品、塑料制品、建材等领域，且使用量巨大，含PBDEs的产品在生产、使用及废弃过程中，均有可能通过挥发和渗透进入环境，甚至人体各器官内均可检测到PBDEs的存在。Civan等对室内悬浮物中的PBDEs含量进行采样检测，发现BDE-183含量较高。PBDEs具有显著的生物毒性、较强的持久性、远距离迁移性以及难降解性，属于持久性有机污染物(POPs)。因此，基于其潜在的相关环境污染问题及对生物体造成的健康风险，对PBDEs的研究有着重要意义。
PBDEs的常规定性检测技术有气相色谱法和液相色谱法，由于PBDEs在环境介质中含量极低，尤其在人体样品中，因而需要提取、净化等前处理过程，导致常规定性分析方法检测周期长、成本高，还可能产生二次污染。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高拉曼光谱PBDEs分子衍生物检测筛选方法，采用全新设计架构，能够实现目标PBDEs分子衍生物低成本、高效的检测获取，提高工作效率。
本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种高拉曼光谱PBDEs分子衍生物检测筛选方法，用于获得目标PBDEs分子所对应、满足指定要求的目标PBDEs分子衍生物，包括如下步骤：
步骤A.根据目标PBDEs分子的拉曼特征振动光谱，构建目标PBDEs分子所对应的药效团模型，然后进入步骤B；
步骤B.根据目标PBDEs分子所对应的药效团模型，采用指定各疏水基团针对目标PBDEs分子进行分子修饰，获得各个待检测PBDEs分子衍生物，然后优化各待检测PBDEs分子衍生物的基态几何结构，更新各待检测PBDEs分子衍生物，并进入步骤C；
步骤C.获得各待检测PBDEs分子衍生物分别所对应的拉曼特征振动光谱，然后进入步骤D；
步骤D.首先分别针对各待检测PBDEs分子衍生物，获得待检测PBDEs分子衍生物所对应拉曼特征振动光谱、相对目标PBDEs分子所对应拉曼特征振动光谱的光谱峰强变化；然后筛选获得其中拉曼特征振动光谱峰强增强变化超过预设阈值的各待检测PBDEs分子衍生物，作为各个目标PBDEs分子衍生物。
作为本发明的一种优选技术方案：还包括步骤E如下，执行完所述步骤D之后，进入步骤E；
步骤E.将步骤D中筛选所获拉曼特征振动光谱峰强增强变化超过预设阈值的各待检测PBDEs分子衍生物，作为各个初级PBDEs分子衍生物；
分别针对各初级PBDEs分子衍生物，计算获得初级PBDEs分子衍生物所对应的C-Br键解离焓值、正频值，作为该初级PBDEs分子衍生物所对应的功能特征；然后筛选获得同时满足预设C-Br键解离焓值阈值、预设正频值阈值的各初级PBDEs分子衍生物，作为各个目标PBDEs分子衍生物。
作为本发明的一种优选技术方案：还包括步骤F如下，执行完所述步骤E之后，进入步骤F；
步骤F.将步骤E中筛选所获同时满足预设C-Br键解离焓值阈值、预设正频值阈值的各初级PBDEs分子衍生物，作为各个中级PBDEs分子衍生物；
分别获得各中级PBDEs分子衍生物所对应的生物富集性、迁移性、毒性，然后筛选获得同时满足预设生物富集性阈值、预设迁移性阈值、预设毒性阈值的各中级PBDEs分子衍生物，作为各个目标PBDEs分子衍生物。
作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤F中，所述中级PBDEs分子衍生物对应的毒性包括偶极矩、最高占用轨道能量、最低占用轨道能量、最负密立根电荷数、最正密立根电荷数和最正密立根氢原子电荷数。
作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤F中，生物富集性参数为logKow值，迁移性参数为-lgRBA值，毒性参数为logKOA值。
作为本发明的一种优选技术方案：还包括步骤G如下，执行完所述步骤F之后，进入步骤G；
步骤G.将步骤F中筛选所获同时满足预设生物富集性阈值、预设迁移性阈值、预设毒性阈值的各中级PBDEs分子衍生物，作为各个高级PBDEs分子衍生物；
分别针对各高级PBDEs分子衍生物，模拟高级PBDEs分子衍生物与AHH降解酶的结合，并获得该结合后所对应的降解性特征；然后筛选获得其中满足预设降解性特征阈值的各个高级PBDEs分子衍生物，作为各个目标PBDEs分子衍生物。
作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤G中，分别针对各高级PBDEs分子衍生物，采用分子对接方法模拟高级PBDEs分子衍生物与AHH降解酶的结合。
作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤B中，根据目标PBDEs分子所对应的药效团模型，结合PBDEs分子叠合图，确定针对PBDEs分子进行修饰的具体位点，然后结合分辨度为V的分式析因实验设计，选取指定指定各疏水基团针对目标PBDEs分子进行分子修饰，获得各个待检测PBDEs分子衍生物。
作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤B中，采用密度泛函理论中的B3LYP方法，优化各待检测PBDEs分子衍生物的基态几何结构，其中基组为6-31G(d)。
本发明所述一种高拉曼光谱PBDEs分子衍生物检测筛选方法采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明所设计高拉曼光谱PBDEs分子衍生物检测筛选方法，操作简便、计算快速、容易实现，不仅可以理论验证PBDEs分子改造及检测方案的可行性，而且可以更加深入探究PBDEs的四大特性(毒性、迁移性、降解性、生物富集性)、以及拉曼特征振动光谱增强机理，找到影响PBDEs拉曼特征振动光谱峰强的关键位点及作用因素，为实现PBDEs的环境友好型分子改造、及其衍生物的高灵敏度检测提供直接方法；此外，本发明提供的基于药效团模型的高拉曼光谱检测方法研发周期短、成本低，可以节省大量的人力、物力和财力，为PBDEs的分子改造与检测提供了全新的思路。
附图说明
图1是本发明所设计高拉曼光谱PBDEs分子衍生物检测筛选方法的流程示意图；
图2是PBDEs分子结构示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
本发明设计了一种高拉曼光谱PBDEs分子衍生物检测筛选方法，用于获得目标PBDEs(BDE-183)分子所对应、满足指定要求的目标PBDEs(BDE-183)分子衍生物，如图1所示，在具体实际应用当中，具体包括如下步骤。
步骤A.根据目标PBDEs(BDE-183)分子的拉曼特征振动光谱，采用美国Accelrys公司开发的Discovery Studio 2.5软件(DS，www.accelrys.com)构建目标PBDEs(BDE-183)分子所对应的药效团模型，然后进入步骤B。
步骤B.根据目标PBDEs(BDE-183)分子所对应的药效团模型，如图2所示，结合PBDEs(BDE-183)分子叠合图，确定针对PBDEs(BDE-183)分子进行修饰的具体位点，然后结合分辨度为V的分式析因实验设计，选取指定指定各疏水基团针对目标PBDEs分子进行分子修饰，获得各个待检测PBDEs(BDE-183)分子衍生物。
实际应用当中，通过PBDEs(BDE-183)分子所对应的药效团模型与PBDEs(BDE-183)分子叠合图，确定对PBDEs(BDE-183)分子进行修饰的具体位点；同时，结合分辨度为V的分式析因实验设计，确定选取6号(E)溴原子位置引入取代基团进行单取代，选取邻位2+邻位6号(A+E)、间位3+邻位6号(B+E)溴原子位置进行双取代；综上，选取8种指定的疏水基团为修饰基团，包括氯基(Chloro，-Cl)、氟基(Fluoro，-F)、氢硫基(Mercapto，-SH)、甲氧基(Methoxy，-OCH3)、乙基(Ethyl，-CH2CH3)、丙基(Propyl，-CH2CH2CH3)、苯基(Phenyl，-C6H5)、硝基(Nitro，-NO2)，在上述位点处进行单、双取代反应，以获得各个待检测PBDEs(BDE-183)分子衍生物。
然后优化各待检测PBDEs(BDE-183)分子衍生物的基态几何结构，更新各待检测PBDEs(BDE-183)分子衍生物，并进入步骤C；其中，实际应用中，采用密度泛函理论中的B3LYP方法，优化各待检测PBDEs(BDE-183)分子衍生物的基态几何结构，其中基组为6-31G(d)。
步骤C.借助Gaussian 09软件，采用密度泛函方法(DFT)获得各待检测PBDEs(BDE-183)分子衍生物分别所对应的拉曼特征振动光谱，然后进入步骤D。
步骤D.首先分别针对各待检测PBDEs(BDE-183)分子衍生物，获得待检测PBDEs(BDE-183)分子衍生物所对应拉曼特征振动光谱、相对目标PBDEs(BDE-183)分子所对应拉曼特征振动光谱的光谱峰强变化；然后筛选获得其中拉曼特征振动光谱峰强增强变化超过预设阈值的各待检测PBDEs(BDE-183)分子衍生物，然后进入步骤E。
步骤E.将步骤D中筛选所获拉曼特征振动光谱峰强增强变化超过预设阈值的各待检测PBDEs(BDE-183)分子衍生物，作为各个初级PBDEs(BDE-183)分子衍生物。
分别针对各初级PBDEs(BDE-183)分子衍生物，利用Gaussian 09软件计算获得初级PBDEs(BDE-183)分子衍生物所对应的C-Br键解离焓值(△H)、正频值，作为该初级PBDEs(BDE-183)分子衍生物所对应的功能特征；然后筛选获得同时满足预设C-Br键解离焓值阈值、预设正频值阈值的各初级PBDEs(BDE-183)分子衍生物，然后进入步骤F。
步骤F.将步骤E中筛选所获同时满足预设C-Br键解离焓值阈值、预设正频值阈值的各初级PBDEs(BDE-183)分子衍生物，作为各个中级PBDEs(BDE-183)分子衍生物。
分别获得各中级PBDEs(BDE-183)分子衍生物所对应的生物富集性、迁移性、毒性，其中，毒性包括偶极矩(μ，Debye)、最高占用轨道能量(EHOMO，eV)、最低占用轨道能量(ELUMO，eV)、最负密立根电荷数(q-，e)、最正密立根电荷数(q+，e)和最正密立根氢原子电荷数(qH+，e)；生物富集性参数为logKow值，迁移性参数为-lgRBA值，毒性参数为logKOA值。
然后筛选获得同时满足预设生物富集性阈值、预设迁移性阈值、预设毒性阈值的各中级PBDEs(BDE-183)分子衍生物，然后进入步骤G。其中，
通过Origin软件构建2D-QSAR模型，评价各中级PBDEs(BDE-183)分子衍生物所对应的毒性，以及通过SYBYL-X2.0软件构建3D-QSAR模型，评价各中级PBDEs(BDE-183)分子衍生物所对应的迁移性、生物富集性。
步骤G.将步骤F中筛选所获同时满足预设生物富集性阈值、预设迁移性阈值、预设毒性阈值的各中级PBDEs(BDE-183)分子衍生物，作为各个高级PBDEs(BDE-183)分子衍生物。
分别针对各高级PBDEs(BDE-183)分子衍生物，采用SYBYL-X2.0软件的Surflex-Dock模块，通过分子对接方法模拟高级PBDEs(BDE-183)分子衍生物与AHH降解酶的结合，并获得该结合后所对应的降解性特征；其中，降解性参数为对接打分值，AHH降解酶的蛋白质结构源自Protein Data Bank(http://www.rcsb.org/pdb)，且PDB ID为3MAT。
然后筛选获得其中满足预设降解性特征阈值的各个高级PBDEs(BDE-183)分子衍生物，作为各个目标PBDEs(BDE-183)分子衍生物，即最终筛选出毒性等级不变、C-Br键解离焓值、logKOW和logKOA值减小以及与AHH降解酶亲和性增大的PBDEs(BDE-183)分子衍生物，也就是灵敏度高、且具有环境友好型、以及具有阻燃剂特性的非POPs类PBDEs(BDE-183)分子衍生物。
上述技术方案所设计高拉曼光谱PBDEs分子衍生物检测筛选方法，操作简便、计算快速、容易实现，不仅可以理论验证PBDEs分子改造及检测方案的可行性，而且可以更加深入探究PBDEs的四大特性(毒性、迁移性、降解性、生物富集性)、以及拉曼特征振动光谱增强机理，找到影响PBDEs拉曼特征振动光谱峰强的关键位点及作用因素，为实现PBDEs的环境友好型分子改造、及其衍生物的高灵敏度检测提供直接方法；此外，本发明提供的基于药效团模型的高拉曼光谱检测方法研发周期短、成本低，可以节省大量的人力、物力和财力，为PBDEs的分子改造与检测提供了全新的思路。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (9)
1.一种高拉曼光谱PBDEs分子衍生物检测筛选方法，用于获得目标PBDEs分子所对应、满足指定要求的目标PBDEs分子衍生物，其特征在于，包括如下步骤：
步骤A.根据目标PBDEs分子的拉曼特征振动光谱，构建目标PBDEs分子所对应的药效团模型，然后进入步骤B；
步骤B.根据目标PBDEs分子所对应的药效团模型，采用指定各疏水基团针对目标PBDEs分子进行分子修饰，获得各个待检测PBDEs分子衍生物，然后优化各待检测PBDEs分子衍生物的基态几何结构，更新各待检测PBDEs分子衍生物，并进入步骤C；
步骤C.获得各待检测PBDEs分子衍生物分别所对应的拉曼特征振动光谱，然后进入步骤D；
步骤D.首先分别针对各待检测PBDEs分子衍生物，获得待检测PBDEs分子衍生物所对应拉曼特征振动光谱、相对目标PBDEs分子所对应拉曼特征振动光谱的光谱峰强变化；然后筛选获得其中拉曼特征振动光谱峰强增强变化超过预设阈值的各待检测PBDEs分子衍生物，作为各个目标PBDEs分子衍生物。
2.根据权利要求1所述一种高拉曼光谱PBDEs分子衍生物检测筛选方法，其特征在于：还包括步骤E如下，执行完所述步骤D之后，进入步骤E；
步骤E.将步骤D中筛选所获拉曼特征振动光谱峰强增强变化超过预设阈值的各待检测PBDEs分子衍生物，作为各个初级PBDEs分子衍生物；
分别针对各初级PBDEs分子衍生物，计算获得初级PBDEs分子衍生物所对应的C-Br键解离焓值、正频值，作为该初级PBDEs分子衍生物所对应的功能特征；然后筛选获得同时满足预设C-Br键解离焓值阈值、预设正频值阈值的各初级PBDEs分子衍生物，作为各个目标PBDEs分子衍生物。
3.根据权利要求2所述一种高拉曼光谱PBDEs分子衍生物检测筛选方法，其特征在于：还包括步骤F如下，执行完所述步骤E之后，进入步骤F；
步骤F.将步骤E中筛选所获同时满足预设C-Br键解离焓值阈值、预设正频值阈值的各初级PBDEs分子衍生物，作为各个中级PBDEs分子衍生物；
分别获得各中级PBDEs分子衍生物所对应的生物富集性、迁移性、毒性，然后筛选获得同时满足预设生物富集性阈值、预设迁移性阈值、预设毒性阈值的各中级PBDEs分子衍生物，作为各个目标PBDEs分子衍生物。
4.根据权利要求3所述一种高拉曼光谱PBDEs分子衍生物检测筛选方法，其特征在于：所述步骤F中，所述中级PBDEs分子衍生物对应的毒性包括偶极矩、最高占用轨道能量、最低占用轨道能量、最负密立根电荷数、最正密立根电荷数和最正密立根氢原子电荷数。
5.根据权利要求3所述一种高拉曼光谱PBDEs分子衍生物检测筛选方法，其特征在于：所述步骤F中，生物富集性参数为logKow值，迁移性参数为-lgRBA值，毒性参数为logKOA值。
6.根据权利要求3所述一种高拉曼光谱PBDEs分子衍生物检测筛选方法，其特征在于：还包括步骤G如下，执行完所述步骤F之后，进入步骤G；
步骤G.将步骤F中筛选所获同时满足预设生物富集性阈值、预设迁移性阈值、预设毒性阈值的各中级PBDEs分子衍生物，作为各个高级PBDEs分子衍生物；
分别针对各高级PBDEs分子衍生物，模拟高级PBDEs分子衍生物与AHH降解酶的结合，并获得该结合后所对应的降解性特征；然后筛选获得其中满足预设降解性特征阈值的各个高级PBDEs分子衍生物，作为各个目标PBDEs分子衍生物。
7.根据权利要求6所述一种高拉曼光谱PBDEs分子衍生物检测筛选方法，其特征在于：所述步骤G中，分别针对各高级PBDEs分子衍生物，采用分子对接方法模拟高级PBDEs分子衍生物与AHH降解酶的结合。
8.根据权利要求1至7中任意一项所述一种高拉曼光谱PBDEs分子衍生物检测筛选方法，其特征在于：所述步骤B中，根据目标PBDEs分子所对应的药效团模型，结合PBDEs分子叠合图，确定针对PBDEs分子进行修饰的具体位点，然后结合分辨度为V的分式析因实验设计，选取指定指定各疏水基团针对目标PBDEs分子进行分子修饰，获得各个待检测PBDEs分子衍生物。
9.根据权利要求1至7中任意一项所述一种高拉曼光谱PBDEs分子衍生物检测筛选方法，其特征在于：所述步骤B中，采用密度泛函理论中的B3LYP方法，优化各待检测PBDEs分子衍生物的基态几何结构，其中基组为6-31G(d)。
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