密度泛函理论研究银上吸附对巯基吡啶的SERS化学增强效应

基于密度泛函理论计算和拉曼光谱理论分析,我们研究了对巯基吡啶(4MPY)分子的拉曼光谱和其在银上的表面增强拉曼光谱(SERS),并进一步探讨了SERS与界面吸附结构、异构化、质子化和氢键作用以及低能激发态的关系。首先,我们对两种分子异构体的相对稳定性和拉曼光谱进行了理论分析。在此基础上,进而研究了该分子与不同银簇作用时的拉曼光谱,结果表明,4MPY以巯基硫与银簇作用形成强的Ag―S键,导致拉曼光谱的线型不依赖于所选银簇的大小。接着我们考虑了吡啶氮端作用的两种情况。(1)当4MPY-银簇复合物同时以吡啶氮与水簇或水合质子簇形成氢键时,结果表明吡啶环的部分振动频率随氢键和质子化发生蓝移。(2)当考虑吡啶氮与银簇作用时,吡啶环三角畸变振动发生蓝移。上述情况不仅解释了实验观测的振动频率变化,而且表明了化学环境改变对相对拉曼强度的影响。最后,我们计算了当对巯基吡啶分子以单端或双端与银簇作用,在考虑激发光与低能激发态的能量匹配时,拉曼光谱强度与低能激发态的关系。计算结果表明,在双端吸附构型下,与吡啶氮成键的银簇受激发产生电荷转移态,不仅导致吡啶环v_(12)、v_1和v_(8a)振动的拉曼信号增强,而且选择性地增强吡啶环C―H面内对称弯曲振动v9a的拉曼信号。     

弱氢键作用对硫脲水溶液拉曼光谱影响的密度泛函理论计算

将拉曼光谱和密度泛函理论(DFT)计算结合能够把拉曼谱峰和分子结构及分子间氢键作用之间的变化联系起来,反映分子周围的结构信息.本文通过理论计算水分子和硫脲形成复合物的拉曼光谱,并结合实验报道的拉曼光谱,探究硫脲基频对分子局域结构的依赖性.通过轨道分析,发现水分子的氢键作用可以引起硫脲的前线轨道对易,这将影响到硫脲的拉曼光谱性质.最后计算也表明在中性水溶液中由于大的正Gibbs自由能变,硫脲不易发生异构转变.     

弱氢键作用对硫脲水溶液拉曼光谱影响的密度泛函理论计算

将拉曼光谱和密度泛函理论(DFT)计算结合能够把拉曼谱峰和分子结构及分子间氢键作用之间的变化联系起来, 反映分子周围的结构信息. 本文通过理论计算水分子和硫脲形成复合物的拉曼光谱, 并结合实验报道的拉曼光谱, 探究硫脲基频对分子局域结构的依赖性. 通过轨道分析, 发现水分子的氢键作用可以引起硫脲的前线轨道对易, 这将影响到硫脲的拉曼光谱性质. 最后计算也表明在中性水溶液中由于大的正Gibbs 自由能变, 硫脲不易发生异构转变.     

黄曲霉素B_2分子吸附在银团簇的表面增强拉曼散射机理

采用密度泛函理论(DFT)B3LYP方法,6-311G(d,p)(C,H,O)/LANL2DZ(Ag)基组,计算了黄曲霉素B2(AFB2)分子吸附在Ag2团簇的表面增强拉曼散射(SERS)光谱和预共振拉曼光谱,并与实验结果比较.结果显示:AFB2分子在基态Ag2团簇表面吸附时,增强因子最大达到102,对应吡喃(pyrane)环C=O伸缩振动,主要是由AFB2分子周围化学环境改变而引起的基态静极化率改变导致的化学增强.不同激发波长下的AFB2分子预共振拉曼光谱的增强强度不同:电荷转移态激发波长为1144和544 nm时拉曼信号增强了102倍,而选择电荷转移预共振波长432和410 nm作为入射光时,其拉曼信号增强了104倍,增强机理为银团簇和黄曲霉素分子之间的电荷转移共振增强.因此通过改变入射光波长,选择电荷转移共振激发波长,更有利于强致癌物AFB2分子的痕量检测.     

共聚焦拉曼光谱研究过饱和硝酸铵液滴中NH4+, NO3- 和H2O之间的相互作用

将硝酸铵液滴沉积在石英基底上,通过降低该液滴周围环境的相对湿度,测定了该液滴由低浓度直至过饱和状态下高信噪比的拉曼光谱.其中,相对湿度的变化可以精确控制液滴浓度的改变.在相对湿度(RH)由72.1%降低至37.9%的过程中,硝酸铵液滴v1-NO-3峰位保持在1048cm-1,半峰宽为10cm-1.该现象表明NO-3周围的水分子被NH4+取代后不会对v1-NO-3造成影响,说明水分子和NH4+所形成的氢键具有相同的强度.对2500-4000cm-1范围内的拉曼光谱进行成分分析,2890、3090、3140、3220、3402及3507cm-1分别被指认为NH+4伞状弯曲振动的泛频、NH+4伞状弯曲振动与摇摆振动的组合谱带、NH+4的对称伸缩振动、NH+4的反对称伸缩振动、水峰中强氢键成分和弱氢键成分.从拟合结果得出:强氢键在氢键结构中所占百分含量随液滴相对湿度的降低而减少,弱氢键所占百分含量随液滴相对湿度的降低而增加.该变化趋势是NO-3和NH+4之间复杂相互作用的结果.     

乙二醇的分子间氢键结构动力学的飞秒非线性红外光谱

利用稳态线性红外光谱和飞秒泵浦-探测红外光谱技术, 研究了在乙腈(MeCN)、丙酮(AC)、四氢呋喃(THF)和二甲基亚砜(DMSO)溶剂中乙二醇(EG)的结构和羟基(―OH)伸缩振动动力学. 结果表明, 乙二醇的―OH伸缩振动的频率位置、峰宽以及振动弛豫动力学都表现出强烈的溶剂依赖性. 乙二醇溶液中至少存在两种形式的分子间氢键, 一种是溶质-溶剂团簇的分子间氢键, 另一种是溶质-溶质团簇的分子间氢键. 量子化学计算预测的―OH伸缩振动频率的溶剂依赖性与我们的红外光谱实验观测结果一致. 进一步, 我们发现在乙腈中参与形成溶质-溶剂团簇氢键的乙二醇―OH伸缩振动具有最慢的弛豫动力学, 丙酮和四氢呋喃次之, 而最快的弛豫动力学过程发生在二甲基亚砜中. 在每一溶剂条件下, 乙二醇/乙二醇溶质团簇中―OH伸缩振动弛豫都更快一些. 本文结果有助于认识在溶质-溶质、溶质-溶剂分子团簇共存的体系中不同分子间氢键的结构动力学特性.     

二维红外光谱研究聚碳酸酯薄膜中水的扩散

利用二维衰减全反射红外光谱方法,研究了水在聚碳酸酯(PC)薄膜中的扩散过程,发现水的羟基弯曲振动谱带中可以分辨出分别位于1672、1646和1621 cm-1的吸收峰,而羟基伸缩振动谱带中可以分辨出分别位于3560、3425和3255 cm-1的吸收峰,由此可知水分子在聚碳酸酯薄膜中存在3种状态,分别为与羰基形成强、中强氢键作用的水分子和进入PC微孔中的弱氢键作用的水分子。 经过二维相关分析得到水分子进入PC薄膜的顺序为首先形成中等强度的氢键,然后形成弱和强2种强度的氢键。     

甲醇团簇的多光子电离质谱及其从头算

用355 nm激光对脉冲分子束超声膨胀冷却的甲醇分子进行多光子电离, 飞行时间质谱仪观测到除甲醇碎片离子外的质子化甲醇团簇(CH3OH)nH+(n=1-16), 且离子的种类及相对强度与激光相对于脉冲分子束的延时无关, 取决于团簇离子内在结构的稳定性. 结合从头算密度泛函理论, 在B3LYP/6-31G(d)基组水平上优化得到了(CH3OH)n和(CH3OH)nH+(n=1-4)的稳定构型. 振动频谱分析显示, 团簇中最强的红外振动模主要来自氢键H伸缩振动的贡献. 团簇电离后发生于团簇内的质子转移反应也可能与激光电离引起的与氢键有关的振动模激发密切相关.     

三原子分子振转激发态成簇现象理论研究

在只考虑弯曲振动与总角动量的耦合,而冻结伸缩振动的模型下,采用Jacobi多项式作为弯曲振动的基函数,用严格的变分法研究了H_2O分子的振转激发态的成簇现象.本文计算了H_2O分子的振转能级和函数,研究了振动激发态下转动高激发态光谱中出现的成簇态.     

盐对甲醇微观结构的影响

利用拉曼光谱研究盐对甲醇微观结构的影响.比较了不同盐/甲醇体系的O—H伸缩谱段和C—O伸缩谱段的超额拉曼光谱,对比给出了阴、阳离子与甲醇的相互作用.O—H伸缩谱段的超额拉曼光谱明显地显示了阴离子与甲醇形成弱氢键,氢键强度排序为CH3OH-CH3OHCl--CH3OHNO3--CH3OHClO4--CH3OH,在这个波段内,基本观察不到阳离子与甲醇的相互作用.在C—O伸缩谱段内,阴阳离子均有显著的体现,且与它们作用的甲醇C—O伸缩振动频率有如下的关系:CH3—OH(阴离子)CH3—OH(体相)CH3—OH(阳离子).根据C—O伸缩谱段的超额拉曼光谱,拟合了该谱段的拉曼光谱,由分解的谱峰强度得到阴、阳离子第一溶剂化层中甲醇分子的数目,结果显示在该浓度(～0.005)下离子对第一溶剂化层以外的甲醇氢键网络结构没有明显影响.     

高分辨偏正拉曼光谱对丙酸酐C=O振动模的拉曼光谱非一致效应研究

根据C=O振动的各向同性和各向异性拉曼光谱和红外光谱特点讨论研究了丙酸酐分子的局部有序排列以及振动耦合机理. 利用三级联共聚焦拉曼光谱仪测定了不同浓度丙酸酐的各向同性与各向异性拉曼光谱图, 分别采集了丙酸酐在四氯化碳和甲醇中的光谱以及不同极性溶剂中的光谱, 具体分析了丙酸酐C=O振动模的浓度效应、 溶剂效应以及拉曼光谱非一致效应(NCE). 结果表明, 丙酸酐C=O振动模的NCE效应随着浓度的降低而减小; 随着溶剂极性的减小而增加. 利用密度泛函理论的B3LYP-D3/31-311G(d,p)基组计算了丙酸酐单体和二聚体的几何稳定构型, 用聚集态理论模型解释了丙酸酐分子的NCE效应、 浓度效应与溶剂效应. 理论计算结果与实验结果相吻合.     

1,4—二羟蒽醌红外光谱的振动分析

测量了１，４－羟基蒽醌及其氘化物的红外光谱，用ＮＲＣＣ程序进行了振动分析，由于同时考虑了分子内与分子间的氢键，统一处理面内与面外振动，计算结果优于文献报道，并纠正了一些错误归属。     

四甲基脲与水二元混合体系的拉曼光谱研究

密度泛函B3LYP方法在6-311G*基组水平对四甲基脲(TMU)气态的几何构型进行全面优化,计算了最优构型的拉曼光谱,并与实验得到的拉曼光谱进行比较,对TMU的各拉曼谱带进行归属。实验测得了TMU与水不同体积比二元混合体系的拉曼光谱,得到了TMU分子的特征拉曼谱线在不同浓度下的频移情况,受氢键和缔合水分子空间位阻的共同作用,在H2O/TMU体积比小于2时,TMU羧基伸缩振动频率向低波数的变化与体积比成线性关系,当体积比大于2时,其振动频率为定值1585cm-1,其它拉曼带的频率受到溶剂的非专一化作用而随溶液中水的增加变化不大。     

白酒中乙醇分子和水分子四聚缔合的理论研究

白酒新酒老熟的过程,可以理解为白酒中乙醇分子和水分子之间相互作用的过程,老熟使得乙醇分子与水分子的缔合形态发生了变化,从而引起白酒"口感"的变化。乙醇分子与水分子的缔合形态可以通过其形成的聚合团簇进行理解,而形成的团簇形式往往由氢键相互作用所决定。乙醇分子与水分子能够形成的团簇类型众多,本文着眼于乙醇分子与水分子之间形成的四聚缔合团簇,使用理论计算的方法,对团簇的结构和稳定性、氢键相互作用、红外光谱和振动分析等进行了深入的研究,以期对白酒中两类分子之间的存在形态有更好的理解。     

黄曲霉素B2分子吸附在银团簇的表面增强拉曼散射机理

采用密度泛函理论（DFT）B3LYP方法,6-311G（d,p）（C,H,O）/LANL2DZ（Ag）基组,计算了黄曲霉素B₂（AFB₂）分子吸附在Ag₂团簇的表面增强拉曼散射（SERS）光谱和预共振拉曼光谱,并与实验结果比较. 结果显示：AFB₂分子在基态Ag₂团簇表面吸附时,增强因子最大达到10²,对应吡喃（pyrane）环C=O伸缩振动,主要是由AFB₂分子周围化学环境改变而引起的基态静极化率改变导致的化学增强. 不同激发波长下的AFB₂分子预共振拉曼光谱的增强强度不同：电荷转移态激发波长为1144 和544 nm时拉曼信号增强了10²倍,而选择电荷转移预共振波长432和410 nm作为入射光时,其拉曼信号增强了10⁴倍,增强机理为银团簇和黄曲霉素分子之间的电荷转移共振增强. 因此通过改变入射光波长,选择电荷转移共振激发波长,更有利于强致癌物AFB₂分子的痕量检测.     

酞菁铅在石墨烯表面吸附行为的拉曼光谱研究

利用石墨烯增强拉曼散射效应可以获得与石墨烯接触的某些分子的拉曼增强信号, 并且对于不同的分子或振动模, 其拉曼增强因子不同. 根据这一特征, 本工作利用拉曼光谱技术对石墨烯表面上酞菁铅(PbPc)分子Langmuir-Blodgett (LB)膜在退火过程中吸附构型的变化进行了跟踪研究. 发现随着退火温度的升高, 石墨烯表面上PbPc分子的拉曼信号经历了一个先增强后减弱的过程, 在升华温度点附近强度达到最大, 表明PbPc发生了由直立向平躺取向的转变; 同时, 在PbPc分子升华温度点附近, 由于对称性破坏导致散射截面低的振动模出现, 并且该振动模强度随着退火温度的进一步升高而增强, 表明非平面的PbPc分子受石墨烯π-π相互作用的影响而形变加剧, 向平面结构转变; 在更高的退火温度下, 则出现一些不属于PbPc分子的拉曼振动峰, 表明PbPc分子在石墨烯表面由Pb(II)被还原成Pb(0).     

HNO与(HF)1≤n≤3分子间的蓝移与红移氢键

运用量子化学从头算方法研究了HNO与分子簇(HF)1≤n≤移氢键, 重极化与重杂化和分子内超共轭导致了氢键的蓝移; 所有的X…H—F(X=O, N, F)氢键都是红移的, 分子间超共轭导致了氢键的红移. 在多分子体系形成的氢键链中, 分子间超共轭作用呈现规律性递变, 它导致了氢键强度与频率位移的规律性变化, 电子密度拓扑分析结果反映和支持了这种规律性变化.     

拉曼光谱研究CaCl2和MgCl2对水结构的影响

测试了CaCl2、MgCl2溶液(浓度小于1.0 mol•L-1)的OH伸缩振动区域的拉曼光谱.对所得到的拉曼光谱进行了计算机去卷积处理,并由此计算了不同溶液中水的四面体结构的百分数.研究表明,CaCl2、MgCl2对水中四面体结构有破坏作用，且CaCl2的破坏作用比MgCl2大.与17O核磁共振结果对比与分析,认为CaCl2、MgCl2虽然破坏水中的四面体结构,但通过促进含氢键数少的水分子形成氢键,故从总体上促进水的缔合结构.     

溴蒸气掺杂聚苯乙炔的导电机理

通过溴蒸气的吸附, 聚苯乙炔(PPA)的电导率比吸溴前提高近12个数量级. 采用固体紫外光谱、X光电子能谱研究了溴与PPA之间的p-π共轭效应, 探讨了掺溴PPA的导电机理. 研究表明, PPA掺溴产生了溴负离子和电子转移复合物, 促使导电率提高. 实验证明压力作用的增大有利于增强溴与PPA之间的共轭作用, 温度升高导致掺溴PPA中p-π共轭结构减少, 导致电导率降低.     

温度对短链多烯生物分子β胡萝卜素拉曼光谱的影响

用Gobin Yvon hr800拉曼光谱仪及与之相连接的Linkam,Thms600加热装置,测量了含9个C-C共轭双键的β胡萝卜素分子在二甲基亚砜中在25～73℃范围内的拉曼光谱.结果表明,短链多烯生物分子β胡萝卜素在液体中有很大的拉曼散射截面[6.5×10-23cm2/(molecule·Sr)],除共振效应外,β胡萝卜素分子结构有序产生较强的弱阻尼C-C键相干振动,是获得大拉曼散射截面的重要因素.温度对多烯类链状线性分子结构有序性影响很大.温度升高,分子结构有序性下降,C-C键弱阻尼相干振动减弱,C-C键长变短,各C-C键键长略有不同,使拉曼散射截面减少,拉曼光谱谱线蓝移,振动频率成分增加使线宽增加.