传统的PAEs荧光检测法主要是借助与具有荧光光谱特征的牛血清蛋白反应而进行的间接荧光检测。 以六种被列入环境优先控制污染物的PAEs为例, 对其苯环上4号位进行分子修饰, 以期获得具有高荧光光谱强度的PAEs衍生物, 利于直接荧光检测, 同时利用分子对接的方法模拟PAEs分子与牛血清蛋白的结合, 计算与牛血清蛋白结合后的PAEs分子荧光光谱强度, 并将其与PAEs衍生物的荧光光谱强度进行比较, 筛选荧光光谱显著增强的PAEs衍生物, 为PAEs衍生物的检测提供理论支持。 研究结果显示: 共设计出30种PAEs衍生物, 其中18种PAEs衍生物的荧光光谱强度增强显著（100%～1850%）, 说明PAEs衍生物直接荧光检测的强度相较于PAEs分子间接荧光检测的强度具有显著增强作用; 18种PAEs衍生物的功能特性（以稳定性、 绝缘性作为代表）受到的影响较小, 且PAEs衍生物的环境持久性均有所降低, 生物富集性无明显变化, 迁移性和毒性有不同程度的降低。 此外, PAEs衍生物之间、 与其他具有荧光特性的物质（多环芳烃）之间不存在干扰（最小波数差大于荧光光谱检测分辨率0.30 nm）, 占用轨道能量及最正密立根氢原子电荷数是导致PAEs衍生物具有荧光光谱特性的主要控制因素。

对17个PAEs训练集分子、 五个PAEs测试集分子, 应用Discovery Studio软件构建PAEs分子拉曼特征振动光谱的3D QSAR 药效团模型, 并对PAEs分子(以环境优先控制污染物DMP, DBP和DNOP为例)进行9种常见的疏水基团取代反应, 同时利用密度泛函理论B3LYP/6-31G(d)计算气态环境中取代前后PAEs的拉曼特征振动光谱, 筛选PAEs拉曼特征振动光谱显著增强的衍生物。 研究结果表明: 药效团模型(Hypo1)具有最大的相关系数(R2)083、 最小的均方根值(RMS)0182和总消耗值(total cost)71865, 且Configuration值为1268(<17), 说明所构建模型具有显著性及较好的预测能力; 获得基于Hypo 1药效团模型设计的PAEs分子衍生物23个: DMP(9), DBP(9)和DNOP(5), 上述衍生物分子正频计算值均大于0, 说明所设计的PAEs分子衍生物结构稳定, 其中DMP-CH2CH3, DBP-Cl, DNOP-C6H5的拉曼特征振动光谱峰强较DMP, DBP和DNOP分别增大了625倍、 205倍、 156倍, 说明PAEs分子衍生化对其拉曼特征振动光谱峰强具有显著增强作用。 此外, 利用密度泛函理论在相同的基组水平下计算了PAEs分子衍生物的取代反应能垒(以DNOP为例), 取代反应的难易程度: —CH2CH2CH3>—C6H5>—NO2>—SH>—Cl, 可作为筛选PAEs分子衍生化拉曼光谱增强反应的依据, 并为建立增强PAEs分子拉曼光谱的检测技术提供理论支撑。

为了从分子结构角度找到可以增强类二恶英类多氯联苯(PCBs)的拉曼光谱振动强度的结构变量, 利用密度泛函理论(DFT)在B3LYP/6-31G(d)水平下对13种类PCBs结构进行优化, 通过分子对接技术提取13种PCBs与联苯双加氧酶(Bpha, PDB∶3GZX)对接后的PCBs分子结构, 并计算了气态环境下对接前后PCBs分子的拉曼光谱振动强度和频率。研究结果表明: 13种PCBs的拉曼振动归属为苯环变形、C—C 伸缩、C—H摇摆、C—H 伸缩以及各种形式的耦合, 其中拉曼光谱频率在1 632.77~1 652.06 cm-1之间的振动最强, 苯环变形为特征振动; 对接后PCBs的二面角大小有明显的改变, 导致拉曼振动强度提高2.9%~213.98%, 频率在1 631.57~1 651.94 cm-1之间的拉曼峰整体发生蓝移, 二面角大小与拉曼振动强度呈现一定程度的线性关系, 随二面角逐渐减小, 拉曼振动增强。实验结果表明, 可通过调整PCBs的二面角大小达到提升PCBs辨识灵敏度的目的, 并为PCBs拉曼光谱检测提供理论依据。

利用群论理论研究16种多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbons, PAHs)分子振动规律, 并对PAHs指纹区特征拉曼峰进行偏振去噪, 减少非特征拉曼峰对特征拉曼峰的干扰, 增强16种PAHs之间的拉曼辨识度。 群论分析发现16种PAHs分别属于Cs, C2v, C2h, D2h点群, 四个点群中的A′, A1, Ag, Ag类对称振动属于全对称振动, 其余对称振动为非全对称振动, 其中全对称振动均具有拉曼活性。 Gaussian 09杂化密度泛函理论计算与群论分析相结合, 发现16种PAHs全对称振动分布拉曼位移全区域, 涵盖16种PAHs基团振动模式； 全对称振动产生的波动性小, 具有一定的抗外部环境干扰能力, 稳定性相对较高, 并且其产生的拉曼峰更强。 根据全对称振动具有代表性、 稳定性、 显著性的特征, 本文将16种PAHs的全对称振动作为特征拉曼振动。 此外, 研究发现, 拉曼偏振效应与振动模对称性直接相关, 拉曼光谱的偏振效应具有增强PAHs特征拉曼峰、 降低PAHs非特征峰强度的作用。 16种PAHs通过拉曼光谱的偏振效应选择性调节作用后, PAHs特征拉曼峰信噪比可提高652%~182%, 说明利用拉曼偏振效应去除非特征拉曼峰的作用显著, 可有效降低特征峰的噪声干扰。 因此, 所建立的基于群论的PAHs分子拉曼偏振去噪方法可以改善其拉曼光谱信号质量, 提高PAHs同步拉曼光谱分析效率, 为实现16种PAHs同步拉曼光谱检测提供了理论依据。

选取环境中含量最多的9种多溴联苯醚（PBDEs）及已知具有高/中等生物毒性的14种PBDEs作为目标辨识物, 首先基于振动归属将上述PBDEs红外光谱分为6个谱区, 利用相似度分析评价各谱区对23种同系物的辨识能力并筛选易于辨识的红外谱区, 其次根据各谱区特征建立辨识方法并进行方法评价, 最终通过主成分分析及判别分析法在所研究谱区提取影响高/中等生物毒性PBDEs的红外特征信息并建立生物毒性判别模型。 研究结果表明, 位于961～1 153 cm-1的三角呼吸振动谱区和1 153～1 346 cm-1的C—O伸缩振动谱区对所选PBDEs间光谱相似度最小, 可利用三角呼吸振动谱区内吸收峰的数量分布特征（辨识最小频差为3.19 cm-1, 但不易与多氯联苯醚等结构相似物质间的区分）及C—O伸缩振动谱区的主峰分布及波形特征（辨识最小频差为0.74 cm-1, 与多氯联苯醚等结构相似物质间辨识涉及最小频差为0.67 cm-1）实现对23种PBDEs间的辨识（红外光谱常用最小分辨率为0.5 cm-1）; 基于判别分析法所构建的高/中等生物毒性PBDEs判别模型的判别正确度为100%/88.9%, 表明所提取的红外光谱信息可实现对PBDEs生物毒性的准确分类。

利用密度泛函与自洽反应场理论在B3LYP/6-31+G(d)水平下分别计算气态及24种不同极性溶剂中4,4’-二溴二苯醚(4,4’-dibrominated diphenyl ethers, BDE-15)的分子振动光谱(红外光谱、 拉曼光谱), 以气态分子振动光谱为基准, 筛选出对溶剂极性敏感的特征振动作为指标构建溶剂对BDE-15振动光谱溶剂化效应指标体系, 探究溶剂对BDE-15分子振动频率、 红外/拉曼峰强溶剂化效应及综合效应, 并寻求显著增强BDE-15分子特征振动频移/强度的溶剂。 研究表明: 从分子振动频率角度, 溶剂极性敏感的(频移>1 cm-1)分子特征振动均为伸缩振和面外弯曲振, 但24种溶剂对BDE-15分子振动频率溶剂化效应并不显著; 从分子振动峰强角度, 24种溶剂对BDE-15分子振动光谱峰强的增强效应主要发生在红外光谱的中低频区及拉曼光谱的高频区, 其中起显著增强(红外/拉曼效应指标值分别大于6与5)的溶剂为醇类、 乙腈、 二甲亚砜、 硝基苯; 不同极性溶剂对BDE-15拉曼峰强溶剂化效应及综合效应指标值均表现出随溶剂介电常数增长由线性到对数的增长趋势, 而红外峰强只保留低介电常数溶剂时的线性关系。 利用上述BDE-15分子振动光谱峰强增强方法对BDE-153, BDE-154和BDE-209进行验证, 醇类、 乙腈、 二甲亚砜、 硝基苯对三者的振动光谱红外/拉曼峰强的效应指标值分别大于6与5, 且最大峰强增倍数皆大于33, 说明所建BDE-15分子振动光谱增强特征振动方法有助于进一步开展基于分子振动光谱的PBDEs同系物间辨识研究。

利用密度泛函与自洽反应场理论在B3LYP/6-311G(d)水平下对16种邻苯二甲酸酯(PAEs)进行结构优化,并计算气态环境及溶剂中PAEs的拉曼光谱振动频率和去偏振度。研究显示,16种PAEs拉曼振动归属为苯环变形、酯基振动、C—C伸缩、C—H摇摆、C—H伸缩与耦合振动。其中酯基官能团出峰位置在1 700～1 780 cm-1之间,拉曼峰较强,去偏振度较低(振动的对称性较强),可将酯基振动作为特征振动; 但气态环境下仅12种PAEs拉曼峰之间的最小波数差大于显微拉曼光谱仪的检出限(0.2 cm-1),即利用酯基频区的去偏振度和拉曼峰不能完全辨识16种PAEs。溶剂化效应分析显示,溶剂苯对16种PAEs具有明显的溶剂化增强效应,16种PAEs拉曼峰之间最小波数差均增大到0.2 cm-1以上,且峰强增加了23%～183%,说明溶剂化效应下可利用酯基频区的去偏振度和拉曼峰辨识16种PAEs。本文的研究结果为PAEs拉曼光谱检测提供了理论依据。

借助密度泛函理论中B3LYP/6-311++G(d, p)方法对美国EPA优先控制污染物中的16种多环芳烃(PAHs): 萘、 苊烯、 苊、 芴、 菲、 蒽、 荧蒽、 芘、 苯并［a］蒽、 稠二萘、 苯并［b］荧蒽、 苯并［k］荧蒽、 苯并［a］芘、 二苯并(a, h)蒽、 二苯并［g, h, i］芘以及茚苯(1, 2, 3-cd)芘进行结构优化, 并计算拉曼光谱振动频率和去偏振度, 在此基础上辨识多环芳烃的拉曼特征光谱。 研究显示, 16种PAHs的拉曼振动主要分布在3个频区: 200～1 000 cm-1(指纹区)、 1 000～1 700和3 000～3 200 cm-1(基团频率区), 3个频区主要振动归属分别为环变形(ring def), 碳碳伸缩(CCStr)、 碳氢摇摆(CHw)及其耦合振动(CCStrCCw), 碳氢伸缩(CHStr)。 进一步分析显示, 指纹区16种PAHs的去偏振度随苯环变形振动对称性增强而降低, 在该频区去偏振度最小的频移处苯环呼吸振动的对称性最强, 指纹区的峰强也在此处出现最大值。 任意PAHs在指纹区的最强峰之间的波数差较大, 在显微拉曼光谱的可分辨范围内, 因而利用指纹区的去偏振度和最强峰可将16种PAHs逐一识别。 烷烃、 烯烃、 炔烃、 醇类和酚类、 脂肪醚、 芳基烷基醚、 醛类、 酮类、 羧酸、 酯类、 胺类、 腈类、 酰胺类、 酸酐、 芳烃的振动频率和峰强分布不完全一致, 利用PAHs与这几类物质拉曼频率和峰强分布的差异可以逐一排出干扰。

借助密度泛函理论采用B3LYP/6-31G(d)方法对209种多溴联苯醚（PBDEs）同系物进行了结构优化和频率计算, 利用已知的PBDEs结构和频率参数值对计算结果进行验证, 平均模拟系数为0.989。 在此基础上, 选取苯环上只有H原子或Br取代基且红外光谱各振动形式间干扰较少的二苯醚和BDE-209为代表, 分别对PBDEs的苯环振动和C—Br振动进行归属。研究发现苯环三角呼吸振动具有普遍性、 强振动性和可区分性, 而红外光谱中C—Br振动常与其他振动形式相耦合不易区分, 故选取苯环三角呼吸振动作为PBDEs同系物的特征振动, 以分析其振动频率与溴取代基之间的规律。 研究结果表明: 邻对位取代基可显著提高苯环三角呼吸振动频率, 间位取代基作用相反; 低溴代物中邻位取代基越多特征振动频率越高, 而高溴代物中同时存在邻对位取代基的同系物频率较高; 取代类型相同时, 位于同一苯环取代基数越多的同系物振动频率较高。 利用SVM回归模型对溴取代基与苯环三角呼吸振动频率间变化规律进行模拟, 所建模型的模拟效率系数为0.956, 说明所建分析方法可为红外光谱检测和辨别PBDEs同系物提供一定的理论基础。

以二苯醚(DE)为参照物, 借助Gaussian软件的量子化学计算并结合自然键理论与跃迁密度矩阵平面图对9种对位卤代二苯醚的基态分子活性、紫外光谱及基态-激发态电子跃迁机理进行了对比分析。研究结果表明: 处于基态时的DE与4,4′-二氯二苯醚(CDE-15)分别最易发生亲电/核反应, 对位卤代基的引入缩小了DE的能级差。随着取代基体积的增大, 对位取代二苯醚紫外光谱的最大吸收波长变大, 吸收增强。所研究的10种物质有着相似的跃迁机理。