توصيفگر ها :
طيف‌سنجي جرمي زمان پرواز , واجذب يونش ليزري , برنج خوراكي , شناسايي كيفي عناصر فلزي , انرژي يونش , نظريۀ تابعي چگالي , DFT , سديم
چكيده فارسي :
برنج از مهم‌ترين مواد غذايي در جهان است. دانه‌هاي برنج سرشار از عناصر معدني هستند كه مي‌توانند براي بدن انسان مفيد يا مضر باشند؛ بنابراين دستيابي به روشي ساده و كارآمد براي شناسايي و اندازه‌گيري اين عناصر داراي اهميت است. دراين پژوهش براي اولين‌بار براي شناسايي عناصر فلزي موجود دردانه‌هاي برنج يكي از مزرعه‌هاي دشت لنجان اصفهان، از روش طيف‌سنجي جرمي زمان پرواز - واجذب يونش ليزري (LDI-TOF-MS) استفاده شده است. همچنين تأثير نوع آماده‌سازي نمونه بر الگوي طيف جرمي، مورد بررسي قرار گرفت و نمونۀ برنج به سه صورت محلول در آب، به صورت قرص جامد و هضم شده در اسيد براي انجام طيف سنجي آماده شد. در طيف جرمي ثبت‌شده از قرص برنج، پيك عناصرNa،Mg،Al،K،Ca،Mn،Cr،Fe،CuوZn مشاهده شد. در اين روش آماده‌سازي، تابش ليزر دقيقاً روي قرص برنج متمركز است و نسبت به دو روش ديگر، روش مناسب‌تري براي شناسايي عناصر فلزي برنج خوراكي است. براي بررسي صحت شناسايي انجام شده، طيف جرمي برنج خوراكي به صورت تجربي شبيه‌سازي شد. براي اين منظور، از نشاستۀ خالص به عنوان مادۀ اصلي استفاده شد و با اضافه‌كردن نمك‌هاي ZnSO4 و CuSO4به اين ماده و ثبت طيف جرمي، مشخص شد كه پيك عناصر Znو Cuبه درستي شناسايي شده است. همچنين با‌استفاده از نرم‌افزار ايگور و جرم اتمي هر عنصر، طيف جرمي برنج خوراكي به صورت نظري شبيه‌سازي شد و با مقايسۀ طيف شبيه‌سازي‌شده و طيف ثبت‌شده از قرص برنج با روش LDI-TOF-MS، درستي شناسايي‌هاي انجام‌‌شده تأييد شد. نشاستۀ موجود در دانه‌هاي برنج از واحد ساختاري گلوكز تشكيل شده است. در بخش دوم پژوهش براي بررسي نظري تغيير انرژي يونش سديم، زماني كه در برهمكنش با مولكول گلوكز است، از نظريۀ تابعي چگالي (DFT) استفاده شد. NaوNa+ در برهمكنش با جفت الكترون‌هاي آزاد هر اتم اكسيژن گلوكز قرار گرفت و چندين پيكربندي اوليه انتخاب شد. هر پيكربندي با استفاده از مجموعه پايۀ 6-311++G(d,p) وتابعي M06-2X بهينه شد و از اختلاف انرژي ساختار كاتيوني و خنثي، انرژي يونش سديم در برهمكنش با مولكول گلوكز به‌دست آمد. نتايج نشان داد كه انرژي يونش سديم زماني كه در برهمكنش با گلوكز است،eV1-3 كمتر از انرژي يونش اتم سديم تنها در فازگازي (eV 1510/5) است. طبق نتايج محاسبات QTAIMوNBO مشخص‌شد كه علت كاهش انرژي يونش، انتقال بار از اتم‌هاي اكسيژن گلوكز به يون Na+ و پايدار‌تر‌شدن اين يون است. براي بررسي بيشتر، سطح Al2O3 كه در بخش اول به‌عنوان صفحۀ دافع استفاده شده بود، با نرم‌افزار Materials Studio با شاخص ميلر (001) به دو صورت طراحي شد. سپس پايدارترين كمپلكس [glucose-Na] و[glucose-Na+] در شش جهت مختلف روي اين سطوح قرار گرفت. محاسبات بهينه‌سازي براي اين ساختارها در حالت كاتيوني و خنثي با مجموعه پايۀ DNP+ و تابعيPW91 انجام گرفت و انرژي يونش سديم در اين ساختارها به‌دست آمد. نتايج نشان داد كه تغيير ساختاري مولكول گلوكز در اثر برهمكنش با سطح، روي پايداري اين كمپلكس‌ها و در‌نتيجه انرژي يونش سديم تاثير مي‌گذارد. همچنين با انجام محاسبات QTAIMمسير‌ها و ميزان برهمكنش Naو Na+با اتم‌هاي گلوكز و سطح Al2O3، بررسي گرديد.
چكيده انگليسي :
Rice is one of the most important foods in the world. rice grains are rich in mineral elements that can be beneficial or harmful to the human body. Therefore, achieving a simple and efficient method to identify and measure these elements is important. In this study, for the first time, to identify the metallic elements present in rice grains from one of the farms in Lenjan Plain of Isfahan, the Laser Desorption Ionization-Time Of Flight Mass Spectrometry technique (LDI-TOF-MS) has been used. Also, the effect of the type of sample preparation on the mass spectral pattern was investigated and the rice sample was prepared in three forms of dissolved in water, as a solid tablet and digested in acid for mass spectrometry. In the recorded mass spectrum of rice tablets, peaks of Na, Mg, Al, K, Ca, Mn, Cr, Fe, Cu and Zn elements were observed. In this method, the laser radiation is focused exactly on rice tablets and compared to the other two methods, it is a more suitable method for identifying the metal elements of rice grains. To check the accuracy of the identification, the mass spectrum of rice was experimentally simulated. For this purpose, pure starch was used as the main material, and by adding ZnSO4 and CuSO4 salts to this material and recording the mass spectrum, it was determined that the peaks of Zn and Cu elements were correctly identified. Also, by using Igor software and the atomic mass of each element, the mass spectrum of rice was theoretically simulated and by comparing the simulated spectrum and the recorded spectrum of rice tablets with the LDI-TOF-MS method, the correctness of the identifications was confirmed. The starch in rice grains is made up of the structural unit of glucose. In the second part of the research, to theoretically investigate the change in sodium ionization energy when it interacts with glucose, density functional theory (DFT) was used. Na and Na+ was placed in the interaction with the pair of free electrons of each oxygen atom of glucose and several initial configurations were selected. Each configuration was optimized using 6-311++G(d,p) basis set and M06-2X functional, and The sodium ionization energy in interaction with glucose molecules was obtained from the difference between the energy of the cationic and neutral structures. The results showed that the ionization energy of sodium when interacting with glucose is 1-3 eV less than the ionization energy of sodium atom only in gas phase (5.1510 eV). According to the results of QTAIM and NBO calculations, it was found that the reason for the decrease in ionization energy is the transfer of charge from the oxygen atoms of the glucose to the Na+ ion and this ion becoming more stable. For further investigation, the Al2O3 surface, which was used as a repellent plate in the first part, was designed in two ways with the Miller index (001) using the Materials Studio software. Then the most stable complexes [glucose-Na] and [glucose-Na+] were placed on these surfaces in six different directions. Optimization calculations for these structures in the cationic and neutral states were performed with the DNP+ basis set and PW91 functional, and the ionization energy of sodium was obtained from the energy difference of the neutral and cationic states. The results showed that the structural change of the glucose due to the interaction with the surface affects the stability of these complexes and consequently the ionization energy of sodium. Also, by performing QTAIM calculations, the paths and the degree of interaction of Na and Na+ with the atoms of the glucose and the surface of Al2O3 were investigated.
