CN109932348A - 一种基于双取代修饰的PAEs分子灵敏性检测筛选方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于双取代修饰的PAEs分子灵敏性检测筛选方法,利用含时密度泛函理论和分子对接技术研究了一系列PAEs双取代衍生物的理性设计、性能改良及筛选过程,包括双位点修饰,设计出18种PAEs衍生物,并计算荧光光谱强度,实现对PAEs的分子设计;通过分子对接的方法考察与牛血清蛋白结合后PAEs分子的荧光光谱,筛选获得荧光光谱强度显著增强的PAEs衍生物;再对PAEs衍生物的功能特性及POPs特性进行评价,构建一种基于双取代修饰的PAEs分子灵敏性检测筛选方法,旨在为今后PAEs的荧光光谱研究、环境友好型PAEs分子设计提供重要的检测筛选方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于双取代修饰的PAEs分子灵敏性检测筛选方法,属于光谱检测技术领域。
背景技术
邻苯二甲酸酯(Phthalateacidesters,PAEs)作为增塑剂被广泛应用于食品包装材料、化肥、农药、化妆品、医疗用具、儿童玩具中。PAEs是一种典型的内分泌干扰物,对环境和人类健康存在危害,其污染已受到全球性关注。目前,PAEs已在多种环境介质(大气、水体)和生物样本(动物和人类组织)中检测到。邻苯二甲酸二甲酯(Dimethylphthalate,DMP)、邻苯二甲酸二丁酯(Dibutylphthalate,DBP)、邻苯二甲酸二正辛酯(Di-n-octylphthalate,DNOP)这3种PAEs已被美国和中国列为环境优先控制污染物,PAEs现已被人们称为“第二个全球性PCB污染物”。
自1970年首次发现PAEs化合物以来,人们就开始利用各种分析方法对其进行检测。PAEs的检测方法主要有气相色谱法、气相色谱/质谱法、高效液相色谱法、拉曼光谱法、红外光谱法、分光光度法等,由于环境检测分析中存在含量低的PAEs待测样品,对PAEs检测水平的要求不断提高,因此需要进一步提高PAEs的检测灵敏度。荧光光谱法具有高灵敏度、方法简便等优势,由于PAEs分子本身不能发出荧光,无法直接利用荧光法进行检测,主要通过PAEs与蛋白质相互作用来研究蛋白质内源荧光光谱,从而间接实现PAEs的检测。
密度泛函理论(DFT)是电子结构理论的经典方法,具有显著的优越性,已经成功应用到分子基态性质、光谱识别等量子化学计算的各个方面,同时含时密度泛函理论方法(TD-DFT)是在现有基础上对密度泛函理论的扩展,在处理分子激发态方面的应用最为广泛。实验检测获得化合物荧光光谱的工作量大、操作复杂且易对环境造成危害,而量子化学计算可弥补实验检测的缺陷,快速准确的得到与实验符合的光谱数据。分子对接方法已经被广泛地应用于小分子与蛋白质之间相互作用的研究领域,可为分子修饰及衍生物开发提供指导。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于双取代修饰的PAEs分子灵敏性检测筛选方法,采用全新方法架构设计,能够有效提高目标PAEs衍生物检测获取的工作效率
本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案:本发明设计了一种基于双取代修饰的PAEs分子灵敏性检测筛选方法,用于获得目标PAEs衍生物,包括如下步骤:
步骤A.采用指定3种给电基团针对指定PAEs分子进行双位点修饰,获得18种待检测PAEs衍生物,然后进入步骤B;
步骤B.优化各种待检测PAEs衍生物的基态结构和激发态结构,更新各种待检测PAEs衍生物,然后进入步骤C;
步骤C.获得各种待检测PAEs衍生物分别所对应的荧光光谱,然后进入步骤D;
步骤D.分别针对各种待检测PAEs衍生物,根据待检测PAEs衍生物所对应的荧光光谱,模拟该待检测PAEs衍生物与牛血清蛋白的结合,并获得该待检测PAEs衍生物结合牛血清蛋白后所对应的荧光光谱,即获得各待检测PAEs衍生物分别结合牛血清蛋白后所对应的荧光光谱,然后进入步骤E;
步骤E.首先分别针对各待检测PAEs衍生物,获得待检测PAEs衍生物结合牛血清蛋白后所对应荧光光谱、相对该待检测PAEs衍生物所对应荧光光谱的荧光光谱强度变化;然后筛选获得其中荧光光谱强度增强变化超过预设阈值的各待检测PAEs衍生物,作为各个目标PAEs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,执行完步骤E之后,进入步骤F;
步骤F.将步骤E中筛选所获荧光光谱强度增强变化超过预设阈值的各待检测PAEs衍生物,作为各个初级PAEs衍生物;
分别针对各初级PAEs衍生物,计算获得初级PAEs衍生物分别所对应的能量值、正频值、能隙值,作为该初级PAEs衍生物所对应的功能特征,然后筛选获得同时满足预设能量值阈值、预设正频值阈值、预设能隙值阈值的各初级PAEs衍生物,作为各个目标PAEs衍生物。
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能量值阈值、预设正频值阈值、预设能隙值阈值的各初级PAEs衍生物,作为各个中级PAEs衍生物;
分别预测获得各中级PAEs衍生物所对应的POPs特性,然后筛选获得满足预设POPs特性要求的各中级PAEs衍生物,即为各个目标PAEs衍生物。
作为本发明的一种优选技术方案:所述步骤A中,将氨基、甲氧基、羟基引入到指定PAEs分子的苯环上,获得18种待检测PAEs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,优化各种待检测PAEs衍生物的基态结构,其中基组为6-31G(d)。
作为本发明的一种优选技术方案:所述步骤B中,采用含时密度泛函理论中的B3LYP方法,优化各种待检测PAEs衍生物的激发态结构,其中基组为6-31G(d)。
作为本发明的一种优选技术方案:所述步骤C中,采用含时密度泛函方法计算获得各种待检测PAEs衍生物分别所对应的荧光光谱。
作为本发明的一种优选技术方案:所述步骤D中,采用分子对接方法模拟该待检测PAEs衍生物与牛血清蛋白的结合。
作为本发明的一种优选技术方案:所述步骤D中,应用DiscoveryStudio4.0软件包中的Dock-Ligands模块,通过分子对接方法模拟该待检测PAEs衍生物与牛血清蛋白的结合。
作为本发明的一种优选技术方案:所述步骤G中,应用EPISuite软件分别预测获得各中级PAEs衍生物所对应的POPs特性。
本发明所述一种基于双取代修饰的PAEs分子灵敏性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:
本发明所设计基于双取代修饰的PAEs分子灵敏性检测筛选方法,方法操作简便、计算快速、容易实现,不仅可以理论验证分子改造方案的可行性,而且可以对PAEs衍生物进一步检测筛选,为实现PAEs的高灵敏性荧光光谱检测、以及环境友好型PAEs分子改造,提供直接的理论指导;
不仅如此,其中所提供的高灵敏性PAEs分子改造方式研发周期短、成本低,可以节省大量的人力、物力和财力,为高灵敏性PAEs的荧光光谱检测提供了全新的思路。
附图说明
图1是本发明所设计基于双取代修饰的PAEs分子灵敏性检测筛选方法的流程示意图。
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。
本发明设计了一种基于双取代修饰的PAEs分子灵敏性检测筛选方法,用于获得目标PAEs衍生物,实际应用当中,如图1所示,具体执行如下过程。
PAEs的荧光光谱衍生分子修饰,即通过衍生方法手段使本身不发荧光的PAEs分子转变为能发荧光的PAEs衍生物,更有利于检测。通过对PAEs分子结构的分析发现,保留苯环和双酯基可使其结构完整,在苯环位置上引入给电子基团可以增强荧光强度,因此选取氨基(Amino,-NH2)、甲氧基(Methoxy,-OCH3)和羟基(Hydroxyl,-OH)这3种常用的给电子基团引入到代表性PAEs分子的苯环上,因此,执行如下步骤A。
步骤A.将氨基、甲氧基、羟基引入到指定PAEs分子的苯环上,获得18种待检测PAEs衍生物,然后进入步骤B。
步骤B.优化各种待检测PAEs衍生物的基态结构和激发态结构,更新各种待检测PAEs衍生物,然后进入步骤C。
上述步骤B在实际应用中,采用密度泛函理论(DFT)中的B3LYP方法,优化各种待检测PAEs衍生物的基态结构,其中基组为6-31G(d);采用含时密度泛函理论(TD-DFT)中的B3LYP方法,优化各种待检测PAEs衍生物的激发态结构,其中基组为6-31G(d)。
步骤C.利用Gaussian09软件,通过含时密度泛函方法计算获得各种待检测PAEs衍生物分别所对应的荧光光谱,然后进入步骤D。
步骤D.分别针对各种待检测PAEs衍生物,根据待检测PAEs衍生物所对应的荧光光谱,应用DiscoveryStudio4.0软件包中的Dock-Ligands模块,通过分子对接方法模拟该待检测PAEs衍生物与牛血清蛋白(BSA.)的结合,并获得该待检测PAEs衍生物结合牛血清蛋白(BSA.)后所对应的荧光光谱,即获得各待检测PAEs衍生物分别结合牛血清蛋白(BSA.)后所对应的荧光光谱,然后进入步骤E。
上述模拟该待检测PAEs衍生物与牛血清蛋白(BSA.)结合中,牛血清蛋白(BSA.)的蛋白质结构源自ProteinDataBank(http://www.rcsb.org/pdb),其PDBID为3V03。
步骤E.首先分别针对各待检测PAEs衍生物,获得待检测PAEs衍生物结合牛血清蛋白(BSA.)后所对应荧光光谱、相对该待检测PAEs衍生物所对应荧光光谱的荧光光谱强度变化;然后筛选获得其中荧光光谱强度增强变化超过预设阈值的各待检测PAEs衍生物,作为各个初级PAEs衍生物,然后进入步骤F。
步骤F.分别针对各初级PAEs衍生物,计算获得初级PAEs衍生物分别所对应的能量值(TotalEnergy,a.u.)、正频值、能隙值,作为该初级PAEs衍生物所对应的功能特征,然后筛选获得同时满足预设能量值阈值、预设正频值阈值、预设能隙值阈值的各初级PAEs衍生物,作为各个中级PAEs衍生物,然后进入步骤G。
上述步骤F在实际应用中,利用Gaussian09软件算获得初级PAEs衍生物分别所对应的能量值(TotalEnergy,a.u.)、正频值、能隙值。
步骤G.应用美国环境保护局开发的EPISuite软件分别预测获得各中级PAEs衍生物所对应的POPs特性,然后筛选获得满足预设POPs特性要求的各中级PAEs衍生物,即为各个目标PAEs衍生物。
上述步骤G在实际应用中,分别针对各中级PAEs衍生物,利用EPISuite软件预测获得各中级PAEs衍生物所对应的富集性、毒性、迁移性、持久性,即代表中级PAEs衍生物的POPs特性参数,由此评价PAEs衍生物的POPs特性参数值。其中,生物富集性参数为logKow值、毒性参数为LC50值、迁移性参数为Half-life值、持久性参数为PL值。
实际应用中,通过上述步骤A至步骤G的实施,所获目标PAEs衍生物,即为获得荧光光谱强度显著增强、且具有环境友好的PAEs衍生物。
上述技术方案所设计基于双取代修饰的PAEs分子灵敏性检测筛选方法,方法操作简便、计算快速、容易实现,不仅可以理论验证分子改造方案的可行性,而且可以对PAEs衍生物进一步检测筛选,为实现PAEs的高灵敏性荧光光谱检测、以及环境友好型PAEs分子改造,提供直接的理论指导;不仅如此,其中所提供的高灵敏性PAEs分子改造方式研发周期短、成本低,可以节省大量的人力、物力和财力,为高灵敏性PAEs的荧光光谱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 (10)
1.一种基于双取代修饰的PAEs分子灵敏性检测筛选方法,用于获得目标PAEs衍生物,其特征在于,包括如下步骤:
步骤A.采用指定3种给电基团针对指定PAEs分子进行双位点修饰,获得18种待检测PAEs衍生物,然后进入步骤B;
步骤B.优化各种待检测PAEs衍生物的基态结构和激发态结构,更新各种待检测PAEs衍生物,然后进入步骤C;
步骤C.获得各种待检测PAEs衍生物分别所对应的荧光光谱,然后进入步骤D;
步骤D.分别针对各种待检测PAEs衍生物,根据待检测PAEs衍生物所对应的荧光光谱,模拟该待检测PAEs衍生物与牛血清蛋白的结合,并获得该待检测PAEs衍生物结合牛血清蛋白后所对应的荧光光谱,即获得各待检测PAEs衍生物分别结合牛血清蛋白后所对应的荧光光谱,然后进入步骤E;
步骤E.首先分别针对各待检测PAEs衍生物,获得待检测PAEs衍生物结合牛血清蛋白后所对应荧光光谱、相对该待检测PAEs衍生物所对应荧光光谱的荧光光谱强度变化;然后筛选获得其中荧光光谱强度增强变化超过预设阈值的各待检测PAEs衍生物,作为各个目标PAEs衍生物。
2.根据权利要求1所述一种基于双取代修饰的PAEs分子灵敏性检测筛选方法,其特征在于,还包括步骤F如下,执行完步骤E之后,进入步骤F;
步骤F.将步骤E中筛选所获荧光光谱强度增强变化超过预设阈值的各待检测PAEs衍生物,作为各个初级PAEs衍生物;
分别针对各初级PAEs衍生物,计算获得初级PAEs衍生物分别所对应的能量值、正频值、能隙值,作为该初级PAEs衍生物所对应的功能特征,然后筛选获得同时满足预设能量值阈值、预设正频值阈值、预设能隙值阈值的各初级PAEs衍生物,作为各个目标PAEs衍生物。
3.根据权利要求2所述一种基于双取代修饰的PAEs分子灵敏性检测筛选方法,其特征在于,还包括步骤G如下,执行完步骤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能量值阈值、预设正频值阈值、预设能隙值阈值的各初级PAEs衍生物,作为各个中级PAEs衍生物;
分别预测获得各中级PAEs衍生物所对应的POPs特性,然后筛选获得满足预设POPs特性要求的各中级PAEs衍生物,即为各个目标PAEs衍生物。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述一种基于双取代修饰的PAEs分子灵敏性检测筛选方法,其特征在于:所述步骤A中,将氨基、甲氧基、羟基引入到指定PAEs分子的苯环上,获得18种待检测PAEs衍生物。
5.根据权利要求1至3中任意一项所述一种基于双取代修饰的PAEs分子灵敏性检测筛选方法,其特征在于:所述步骤B中,采用密度泛函理论中的B3LYP方法,优化各种待检测PAEs衍生物的基态结构,其中基组为6-31G(d)。
6.根据权利要求1至3中任意一项所述一种基于双取代修饰的PAEs分子灵敏性检测筛选方法,其特征在于:所述步骤B中,采用含时密度泛函理论中的B3LYP方法,优化各种待检测PAEs衍生物的激发态结构,其中基组为6-31G(d)。
7.根据权利要求1至3中任意一项所述一种基于双取代修饰的PAEs分子灵敏性检测筛选方法,其特征在于:所述步骤C中,采用含时密度泛函方法计算获得各种待检测PAEs衍生物分别所对应的荧光光谱。
8.根据权利要求1至3中任意一项所述一种基于双取代修饰的PAEs分子灵敏性检测筛选方法,其特征在于:所述步骤D中,采用分子对接方法模拟该待检测PAEs衍生物与牛血清蛋白的结合。
9.根据权利要求8所述一种基于双取代修饰的PAEs分子灵敏性检测筛选方法,其特征在于:所述步骤D中,应用DiscoveryStudio4.0软件包中的Dock-Ligands模块,通过分子对接方法模拟该待检测PAEs衍生物与牛血清蛋白的结合。
10.根据权利要求3所述一种基于双取代修饰的PAEs分子灵敏性检测筛选方法,其特征在于:所述步骤G中,应用EPISuite软件分别预测获得各中级PAEs衍生物所对应的POPs特性。
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