有机污染物在碳纳米管吸附的定量结构-性质关系

刘芬 邹建卫 胡桂香 蒋勇军

引用本文: 刘芬, 邹建卫, 胡桂香, 蒋勇军. 有机污染物在碳纳米管吸附的定量结构-性质关系[J]. 物理化学学报, 2014, 30(9): 1616-1624. doi: 10.3866/PKU.WHXB201406182 shu
Citation:  LIU Fen, ZOU Jian-Wei, HU Gui-Xiang, JIANG Yong-Jun. Quantitative Structure-Property Relationship Studies on the Adsorption of Aromatic Contaminants by Carbon Nanotubes[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2014, 30(9): 1616-1624. doi: 10.3866/PKU.WHXB201406182 shu

有机污染物在碳纳米管吸附的定量结构-性质关系

  • 基金项目:

    国家自然科学基金(21272211) 

    宁波市科技计划(2011A610021,2013D1003)资助项目 

摘要:

对一系列共59个芳香性分子进行了HF/6-31G*水平上的结构优化,并在优化结构上进行了分子静电势及其导出参数的计算,应用多元线性回归方法建立了碳纳米管吸附有机污染物的平衡常数与分子结构间的定量关系. 结果表明,分子表面静电势参数(Vminσ+2 和ΣVind+)结合分子表面积(S)和最低空轨道能级(εLUMO)可以很好地用于构建碳纳米管吸附的定量结构-性质关系(QSPR)模型. 模型中引入的参数均具有明确的物理意义,其合理性可以从污染物与碳纳米管或水分子间相互作用的角度进行解释. 模型的稳定性和预测能力经“留一法”和Monte Carlo 交叉验证法进行了确证. 本文亦采用支持向量机(SVM)、最小二乘支持向量机(LSSVM)和高斯过程(GP)等三种方法建立了上述参数与碳纳米管吸附性质的非线性模型. SVM和LSSVM模型表现出强的拟合能力,但预测能力明显不如其他模型. GP模型无论是拟合能力还是预测能力都是最佳,但并没有明显地优于线性模型,说明对本文研究体系而言,其分子结构与性质间的关系主要以线性形式存在.

English

    1. [1]

      (1) Popov, V. N. Mater. Sci. Eng. R-Rep. 2004, 43, 61. doi: 10.1016/j.mser.2003.10.001

      (1) Popov, V. N. Mater. Sci. Eng. R-Rep. 2004, 43, 61. doi: 10.1016/j.mser.2003.10.001

    2. [2]

      (2) Spitalsky, Z.; Tasis, D.; Papagelis, K.; Galiotis, C. Prog. Polym. Sci. 2010, 35, 357. doi: 10.1016/j.progpolymsci.2009.09.003(2) Spitalsky, Z.; Tasis, D.; Papagelis, K.; Galiotis, C. Prog. Polym. Sci. 2010, 35, 357. doi: 10.1016/j.progpolymsci.2009.09.003

    3. [3]

      (3) Upadhyayula, V. K. K.; Deng, S.; Mitchell, M. C.; Smith, G. B. Sci. Total Environ. 2009, 408, 1. doi: 10.1016/j.scitotenv.2009.09.027(3) Upadhyayula, V. K. K.; Deng, S.; Mitchell, M. C.; Smith, G. B. Sci. Total Environ. 2009, 408, 1. doi: 10.1016/j.scitotenv.2009.09.027

    4. [4]

      (4) Baek, Y.; Kim, C.; Seo, D. K.; Kim, T.; Lee, J. S.; Kim, Y. H.; Ahn, K. H.; Bae, S. S.; Lee, S. C.; Lim, J.; Lee, K.; Yoon, J. J. Membr. Sci. 2014, 460, 171. doi: 10.1016/j.emsci.2014.02.042(4) Baek, Y.; Kim, C.; Seo, D. K.; Kim, T.; Lee, J. S.; Kim, Y. H.; Ahn, K. H.; Bae, S. S.; Lee, S. C.; Lim, J.; Lee, K.; Yoon, J. J. Membr. Sci. 2014, 460, 171. doi: 10.1016/j.emsci.2014.02.042

    5. [5]

      (5) Deng, S. G.; Upadhyayula, V. K. K.; Smith, G. B.; Mitchell, M. C. IEEE Sens. J. 2008, 8, 954. doi: 10.1109/JSEN.2008.923929(5) Deng, S. G.; Upadhyayula, V. K. K.; Smith, G. B.; Mitchell, M. C. IEEE Sens. J. 2008, 8, 954. doi: 10.1109/JSEN.2008.923929

    6. [6]

      (6) Mauter, M. S.; Elimelech, M. Environ. Sci. Technol. 2008, 42, 5843. doi: 10.1021/es8006904(6) Mauter, M. S.; Elimelech, M. Environ. Sci. Technol. 2008, 42, 5843. doi: 10.1021/es8006904

    7. [7]

      (7) Ye, C.; ng, Q. M.; Lu, F. P.; Liang, J. Acta Phys. -Chim. Sin. 2007, 23, 1321. [叶超, 巩前明, 卢方平, 梁吉. 物理化学学报, 2007, 23, 1321.] doi: 10.1016/S1872-1508(07)60066-7(7) Ye, C.; ng, Q. M.; Lu, F. P.; Liang, J. Acta Phys. -Chim. Sin. 2007, 23, 1321. [叶超, 巩前明, 卢方平, 梁吉. 物理化学学报, 2007, 23, 1321.] doi: 10.1016/S1872-1508(07)60066-7

    8. [8]

      (8) Kah, M.; Zhang, X.; Jonker, M. T. O.; Hofmann, T. Environ. Sci. Technol. 2011, 45, 6011.(9) Zeng, X. L.; Zhang, X. L.;Wang, Y. Chemosphere 2013, 91, 229. doi: 10.1016/j.chemosphere.2012.12.060(8) Kah, M.; Zhang, X.; Jonker, M. T. O.; Hofmann, T. Environ. Sci. Technol. 2011, 45, 6011.(9) Zeng, X. L.; Zhang, X. L.;Wang, Y. Chemosphere 2013, 91, 229. doi: 10.1016/j.chemosphere.2012.12.060

    9. [9]

      (10) Ghasemi, J.; Saadi, S. Anal. Chim. Acta 2007, 2, 99.(11) Lu, C. H.;Wang, Y.; Yin, C. S.; Guo,W. M.; Hu, X. F. Chemosphere 2006, 63, 1384. doi: 10.1016/j.chemosphere.2005.09.052(10) Ghasemi, J.; Saadi, S. Anal. Chim. Acta 2007, 2, 99.(11) Lu, C. H.;Wang, Y.; Yin, C. S.; Guo,W. M.; Hu, X. F. Chemosphere 2006, 63, 1384. doi: 10.1016/j.chemosphere.2005.09.052

    10. [10]

      (12) Feng, C. J.; Mu, L. L.; Yang,W. H.; Cai, K. Y. Acta Chim. Sin. 2008, 66, 2093. [冯长君, 沐来龙, 杨伟华, 蔡可迎. 化学学报, 2008, 66, 2093.](13) Xia, X. R.; Nancy, A.; Monteiro, R.; Riviere, J. E. Nat. Nanotechnol. 2010, 5, 671. doi: 10.1038/nnano.2010.164(12) Feng, C. J.; Mu, L. L.; Yang,W. H.; Cai, K. Y. Acta Chim. Sin. 2008, 66, 2093. [冯长君, 沐来龙, 杨伟华, 蔡可迎. 化学学报, 2008, 66, 2093.](13) Xia, X. R.; Nancy, A.; Monteiro, R.; Riviere, J. E. Nat. Nanotechnol. 2010, 5, 671. doi: 10.1038/nnano.2010.164

    11. [11]

      (14) Apul, O. G.;Wang, Q, L.; Shao, T.; Rieck J. R.; Karanfil, T. Environ. Sci. Technol. 2013, 47, 2295.(15) Wang, Q. L.; Apul, O. G.; Xuan, P. F.; Luo, F.; Karanfil, T. RSC Adv. 2013, 3, 23924. doi: 10.1039/c3ra43599g(14) Apul, O. G.;Wang, Q, L.; Shao, T.; Rieck J. R.; Karanfil, T. Environ. Sci. Technol. 2013, 47, 2295.(15) Wang, Q. L.; Apul, O. G.; Xuan, P. F.; Luo, F.; Karanfil, T. RSC Adv. 2013, 3, 23924. doi: 10.1039/c3ra43599g

    12. [12]

      (16) Frisch, M. J.; Trucks, G.W.; Schlegel, H. B.; et al. Gaussian 09, Revision A.02; Gaussian Inc.:Wallingford, CT, 2009.(17) STATISTICA forWindows, Version 5.5; Statsoft Inc.: Tulsa, OK, 1999.(18) Zhou, P.; Tian, F. F.; Lv, F. L.; Shang, Z. C. J. Chromatogr. A 2009, 1216, 3107. doi: 10.1016/j.chroma.2009.01.086(16) Frisch, M. J.; Trucks, G.W.; Schlegel, H. B.; et al. Gaussian 09, Revision A.02; Gaussian Inc.:Wallingford, CT, 2009.(17) STATISTICA forWindows, Version 5.5; Statsoft Inc.: Tulsa, OK, 1999.(18) Zhou, P.; Tian, F. F.; Lv, F. L.; Shang, Z. C. J. Chromatogr. A 2009, 1216, 3107. doi: 10.1016/j.chroma.2009.01.086

    13. [13]

      (19) Pwealta-Inga, Z.; Lane, P.; Murray, J. S.; Boyd, S.; Grice, M. E.; O′Connor, C. J.; Politzer, P. Nano Lett. 2003, 3, 21. doi: 10.1021/nl020222q(19) Pwealta-Inga, Z.; Lane, P.; Murray, J. S.; Boyd, S.; Grice, M. E.; O′Connor, C. J.; Politzer, P. Nano Lett. 2003, 3, 21. doi: 10.1021/nl020222q

    14. [14]

      (20) Murray, J. S.; Brinck, T.; Lane, P.; Paulsen, K.; Politzer, P. J. Mol. Struct. -Theochem 1994, 307, 55. doi: 10.1016/0166-1280(94)80117-7(20) Murray, J. S.; Brinck, T.; Lane, P.; Paulsen, K.; Politzer, P. J. Mol. Struct. -Theochem 1994, 307, 55. doi: 10.1016/0166-1280(94)80117-7

    15. [15]

      (21) Sang, P.; Zou, J.W.; Zhou, P.; Xu, L. Chemosphere 2011, 83, 1045. doi: 10.1016/j.chemosphere.2011.01.063(21) Sang, P.; Zou, J.W.; Zhou, P.; Xu, L. Chemosphere 2011, 83, 1045. doi: 10.1016/j.chemosphere.2011.01.063

    16. [16]

      (22) Zou, J.W.; Zhao,W. N.; Shang, Z. C.; Huang, M. L.; Guo, M.; Yu, Q. S. J. Phys. Chem. A 2002, 106, 11550. doi: 10.1021/jp025984o(22) Zou, J.W.; Zhao,W. N.; Shang, Z. C.; Huang, M. L.; Guo, M.; Yu, Q. S. J. Phys. Chem. A 2002, 106, 11550. doi: 10.1021/jp025984o

    17. [17]

      (23) Xu, H. Y.; Zou, J.W.; Jiang, Y. J.; Hu, G. X.; Yu, Q. S. J. Chromatog. A 2008, 1198 -1199, 202.(24) Tropsha, A.; lbraikh, A. Handbook of Chemoinformatics Al rithms; CRC Press: Boca Raton, FL, 2010; pp 213-233.(25) Manchester, J.; CzermiDski, R.J. Chem. Inf. Model. 2008, 48, 1167. doi: 10.1021/ci800009u(23) Xu, H. Y.; Zou, J.W.; Jiang, Y. J.; Hu, G. X.; Yu, Q. S. J. Chromatog. A 2008, 1198 -1199, 202.(24) Tropsha, A.; lbraikh, A. Handbook of Chemoinformatics Al rithms; CRC Press: Boca Raton, FL, 2010; pp 213-233.(25) Manchester, J.; CzermiDski, R.J. Chem. Inf. Model. 2008, 48, 1167. doi: 10.1021/ci800009u

    18. [18]

      (26) Vapnik, V. N. The Nature of Statistical Learning Theory, 2nd ed.; Springer-Verlag: New York, 1999; pp 138-146.(27) Obrezanova, O.; Csányi, G.; la, J. M. R.; Segall, M. D. J. Chem. Inf. Model. 2007, 47, 1847. doi: 10.1021/ci7000633(26) Vapnik, V. N. The Nature of Statistical Learning Theory, 2nd ed.; Springer-Verlag: New York, 1999; pp 138-146.(27) Obrezanova, O.; Csányi, G.; la, J. M. R.; Segall, M. D. J. Chem. Inf. Model. 2007, 47, 1847. doi: 10.1021/ci7000633

    19. [19]

      (28) Schroeter, T. S.; Schwaighofer, A.; Mika, S.; Laak, A. T.; Suelzle, D.; Ganzer, U.; Heinrich, N.; Müller, K. R. Med. Chem . Res. 2007, 2, 1265.(29) Zhou, P.; Chen, X.;Wu, Y. Q.; Shang, Z. C. Amino Acid 2010,  38, 199. doi: 10.1007/s00726-008-0228-1(28) Schroeter, T. S.; Schwaighofer, A.; Mika, S.; Laak, A. T.; Suelzle, D.; Ganzer, U.; Heinrich, N.; Müller, K. R. Med. Chem . Res. 2007, 2, 1265.(29) Zhou, P.; Chen, X.;Wu, Y. Q.; Shang, Z. C. Amino Acid 2010,  38, 199. doi: 10.1007/s00726-008-0228-1

    20. [20]

      (30) Ren, Y. R.; Chen, S. C.; Zou, X. C.; Tian, F. F.; Zhou, P. Scientia Sinica Chimica 2012, 42, 1179. [任彦荣, 陈绍成, 邹晓川, 田菲菲, 周鹏. 中国科学: 化学, 2012, 42, 1179.](30) Ren, Y. R.; Chen, S. C.; Zou, X. C.; Tian, F. F.; Zhou, P. Scientia Sinica Chimica 2012, 42, 1179. [任彦荣, 陈绍成, 邹晓川, 田菲菲, 周鹏. 中国科学: 化学, 2012, 42, 1179.]

    21. [21]

      (31) Sang, P.; Zou, J.W.; Dai, D. M.; Jiang, Y. J. Chemometrics Intell. Lab. Syst. 2013, 127, 166.(31) Sang, P.; Zou, J.W.; Dai, D. M.; Jiang, Y. J. Chemometrics Intell. Lab. Syst. 2013, 127, 166.

    22. [22]

      (32) Sang, P.; Zou, J.W.; Yu, Y. L.; Huang, M. L. Chemometrics Intell. Lab. Syst. 2012, 112, 8.

      (32) Sang, P.; Zou, J.W.; Yu, Y. L.; Huang, M. L. Chemometrics Intell. Lab. Syst. 2012, 112, 8.

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  633
  • 文章访问数:  966
  • HTML全文浏览量:  50
文章相关
  • 发布日期:  2014-08-29
  • 收稿日期:  2014-04-30
  • 网络出版日期:  2014-06-18
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章