三元水溶液中氢键对分子结构影响的拉曼光谱研究

在自然界中,水分子的缔合现象对地球上的生命有很重大影响,氢键的形成是水分子缔合的根本原因。在水溶液中,氢键作用是影响溶液分子结构的主要因素。本研究采用显微共聚焦拉曼光谱对二甲基亚砜(DMSO)/乙腈/水三元水溶液进行测量,得到了含有氢键作用的水溶液体系拉曼频移的变化规律。通过对结果的分析得到了三元水溶液中氢键对分子结构与性质的影响,这将为进一步揭示氢键作用规律、丰富氢键理论提供有价值的实验依据。     

二甲基亚砜水溶液表面张力及粘度与氢键的拉曼光谱研究

利用ZL-10型全自动界面张力仪(柏金环法)和NDJ-5S型数显粘度计测量体积分数为5%～100%的二甲基亚砜(DMSO)水溶液及超纯水,得到表面张力和粘度的变化规律。用拉曼光谱仪测量不同浓度DMSO水溶液的拉曼光谱,得到体系中含氢键作用的拉曼频移变化规律。实验结果表明,DMSO水溶液的表面张力随浓度的变化受DMSO水溶液中氢键作用的影响,且与氢键强度成反相关。DMSO与水的氢键作用对粘度的影响较表面张力更为复杂,粘度随浓度的变化呈二次函数的反常现象,影响因素包含氢键强度,氢键网络结构和空间方向性多个方面。该研究探索一种利用拉曼光谱研究水溶液微观结构与宏观物理性质关系的实验方法。     

分子动力学模拟研究DMSO-水体系的结构和相互作用

用分子动力学模拟方法结合核磁共振化学位移和红外光谱结果,研究二甲基亚砜DMSO水溶液在全浓度范围内的结构和弱相互作用. 表明径向分布函数分析,DMSO水溶液中既存在着传统的强氢键又存在C—H…O弱相互作用. 氢键网络分析发现DMSO水溶液体系在水富集区域,水分子倾向于自身缔合形成稳定的分子簇结构,而随着DMSO浓度的逐渐增加,水的有序结构受到破坏. DMSO的摩尔分数为0.35是一个特殊点,多种性质偏离理想混合最远. 水分子和DMSO分子发生了交叉缔合作用形成稳定的分子聚集体. 分子动力学统计的平均氢键数与核磁共振化学位移和红外波数变化数据结果进行比较,结果吻合很好.     

拉曼光谱法研究1,3-二甲基脲溶液中的相互作用

尿素类化合物在生命科学领域中有非常重要的作用,其独特的化学结构可与水等其他氢键给体材料形成氢键。氢键是生命分子体系中较常见和重要的分子间弱的相互作用,振动光谱方法为分子间氢键相互作用的研究提供有力的测量手段,其中拉曼光谱为研究水溶液中氢键形成和变化规律提供了可能。测得了1,3-二甲基脲(DMU)晶体的拉曼光谱,利用密度泛函理论(DFT)在B3LYP/6-311G**水平上对气态单体DMU进行结构的优化,并结合文献对拉曼光谱的谱线进行了归属认证。然后测得了1,3-DMU与水二元体系的拉曼光谱。相比与DMU晶体,当DMU分子溶于水后,水-DMU氢键相互作用将取代DMU-DMU分子间相互作用,导致氮原子杂化方式由sp2向sp3杂化转变。由此溶解过程中DMU分子的骨架从平面结构变成了非平面结构。     

三种二元水溶液体系中氢键对拉曼线宽的影响

采用显微共聚焦拉曼光谱对三种二元水溶液(乙腈/水、二甲基亚砜(DMSO)/水和丙酮/水)进行测量,得到含有氢键作用的水溶液体系拉曼频移和线宽随浓度的变化规律。应用混合模型和相互作用体系的线宽经验公式对实验结果进行了分析。结果表明,含有氢键作用的水溶液体系中,氢键作用越强线宽越大,并且线宽随单位浓度变化率大;同种氢键体系中,线宽不仅受浓度浮动的影响,氢键作用也是一个重要的影响因素,定量分析证明线宽与浓度、氢键作用关系很好地符合Ojha等提出的线宽公式。     

基于新型超低频拉曼光谱的液态水分子高温研究

液态水是地球上大多数生化过程的化学支柱,对生物的新陈代谢是必不可少的。因此,它是一个跨科学领域的关键课题。水的理化特性被认为是氢键衍生结构的结果。然而,目前还很难在实验上定量地将水分子的理化特性与氢键结构联系起来形成完整的液态水分子结构理论。拉曼光谱因其快速、无损等优点成为表征液态水分子结构及其变化规律的主要手段。目前,水分子的拉曼光谱主要研究的是其高频振动模。然而,液态水较宽的低频拉曼模是氢键及其局部结构效应的结果,包含高频峰无法表征的特征信息,而超低频拉曼特征峰仍能在高温下揭示水分子（超）结构的许多关键细节。因此,在实验上实现对水分子的新型高温超低频拉曼光谱（5～200 cm-1频率区域）,探测得到理论预测的全部四种平动特征模,包括弯曲模（51.7 cm-1）、扭转模（81.4 cm-1）、对称（154.0 cm-1）和不对称拉伸模（188.6 cm-1）,并在225.2 cm-1处额外发现了平动-旋转耦合特征模。所有特征模都被精确指认。高温超低频拉曼光谱实验发现,首先在特征峰频率上,由于高温下氢键断裂导致水分子间的平均结构关联长度（SLG）迅速缩短,当温度从0 ℃升高到400 ℃,所有四种超低频特征模的频率都随温度升高而大幅蓝移。其次在特征峰强度上,拉伸模的强度在100和200 ℃间出现明显降低。而弯曲模的强度随着拉伸模频率从高频率到低频率依次升高,这是理论研究从未涉及的。最后在斯托克斯/反斯托克斯比值（R_S/AS）上,温度在150～170 ℃时（压强约为2 kbar）,R_S/AS迅速从1.1增加到1.3;当温度高于170 ℃时,R_S/AS随温度线性变化。综上所述,通过对水分子各共振模的频率蓝移、强度变化,以及斯托克斯/反斯托克斯比值等特征进行细致研究,得到温度对水分子结构,尤其是氢键衍生特性的影响。该新型高温超低频拉曼光谱方法,填补了部分理论空白,为深入全面地理解水分子结构提供了重要的实验依据。     

拉曼和全反射红外光谱法对四氢呋喃-水体系分子间氢键的研究

利用拉曼和全反射红外光谱法研究了四氢呋喃-水体系分子间氢键随着水含量增加的变化。对于单一四氢呋喃组分,分子间氢键存在于C—H键与C—O键之间;随着水含量的增加,四氢呋喃分子间氢键逐渐被四氢呋喃-水分子间氢键取代,C—O键的红外高频位移证明了这一过程。当水含量达到4.6%(体积分数)左右时,C—C—C—C环呼吸振动峰随水含量变化曲线出现转折点,该点组分中四氢呋喃和水的含量与共沸物基本一致,由此可见少量水对四氢呋喃物理性能的影响主要基于两者之间氢键作用方式的变化。     

用激光拉曼光谱研究液态乙醇的水合作用过程

为研究室温下乙醇-水二元混合物内部的分子间缔合情形,测得了不同体积配比溶液的拉曼光谱,发现位于2 800~3 050 cm-1波数区间的C—H伸缩振动频率随乙醇中加入水量的增加整体呈现蓝移趋势,而位于1 048 cm-1附近的CO伸缩振动频率的变化规律却与此相反。分析认为,这种现象主要由溶液内部分子间发生的不同水合作用所致,并据此阐明了液态乙醇的水合作用过程:水分子首先与纯乙醇中的自缔合短链发生氢键缔合作用,形成了含有较多乙醇分子数的乙醇水合团簇,直到溶液中水的体积含量达到50%时,乙醇的水合作用达到暂时饱和;而当水的体积含量继续增加到70%以后,水分子致使原有乙醇水合团簇解离形成较小尺寸的团簇,并与解离点位上的乙醇分子羟基发生进一步水合作用;而后,当水体积含量增至一定程度后,还会导致乙醇分子疏水基CH基团与水分子间形成弱氢键C—H…O。     

高压液态重水的拉曼光谱研究

应用金刚石压腔结合拉曼光谱技术研究了重水在291 K,0.1～800 MPa条件下的拉曼谱图。结果表明：压力增大的过程中,重水的拉曼伸缩振动光谱向低频方向移动,并且频移和压力基本呈线性相关。频移没有突变,没有发生相的转变。将重水的拉曼谱峰分解为代表分子内O—D振动的高频峰和代表分子间氢键振动的低频峰。研究这两种不同类型谱峰的性质,发现代表分子间氢键的低频峰峰面积在不同的压力范围内呈现出不同的变化特征,压力对分子间氢键的影响并不是持续不变的。拉曼峰的峰面积反映的是产生这种拉曼峰的振动的数目,峰面积的变化反映了特征振动数目的变化。由于分子间氢键的强相互作用,水分子总是倾向于形成对称的空间五分子四面体结构,因此最大峰面积代表了最稳定的五分子团簇结构。     

胸腺嘧啶振动光谱的DFT理论研究及与实验结果的比较

文章运用DFT(density functional theory,密度泛函理论)计算了Th(Thymine, 胸腺嘧啶)的分子振动光谱,计算时,作者采用了B3LYP混合泛函和6-31G基函数组, 并对重原子和轻原子使用离散函数和极化函数;考虑到胸腺嘧啶晶体粉末中每两个分子之间可能形成氢键,作者加入两个水分子来模拟晶体内分子间氢键的影响。同时,在实验上测量了胸腺嘧啶的拉曼光谱和红外光谱,理论计算结果与实验结果基本一致,结果表明,同已报道的计算结果相比,文章的计算结果总体上更接近实验值。通过理论和实验数据的比较分析,对胸腺嘧啶的每个振动模式进行了归属。     

Hydrogen bonding in amylose/DMSO complexes studied by vibrational spectroscopy and density functional theory calculations

The intermolecular interactions in amylose/dimethyl sulfoxide (DMSO) complexes are discussed both experimentally and theoretically by means of Raman and infrared spectroscopies. The study is based on a preliminary analysis of well known systems such as pure liquid DMSO or DMSO in mixture with water: for such systems, an analysis of the CS stretching region is carried out both by means of Raman and infrared spectra. In particular, Raman spectra reveal a high sensitivity to the strength and to the type of interaction involving the DMSO molecules. These results, applied to the investigation of amylose‐DMSO complexes, show the presence of different hydrogen‐bonded complexes which coexist in this compound. In particular, DMSO molecules are identified both on the external surface of the V‐amylose helix, where they can interact via one hydrogen bond and in the inner channel of the helix where they can interact via two hydrogen bonds. The present findings open the possibility of applying vibrational spectroscopy to the characterization of inclusion compounds of amylose which are currently being involved in many fields of nanosciences. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.     

The concentration effect on the ‘hydrophobic’ and ‘hydrophilic’ behaviour around DMSO in dilute aqueous DMSO solutions. A computer simulation study

We have carried out a molecular dynamics study of dimethyl sulfoxide (DMSO) in water at 298 K at two different densities by simulating two different concentrations: 0.055 and 0.19 mole fraction. We have found an enhancement in the structure of water, an effect that becomes more pronounced as the concentration of DMSO increases. At both concentrations there is a well-defined hydration structure around the oxygen atom of DMSO, which is able to establish strong hydrogen bonds with surrounding water molecules. An increase in the concentration of DMSO depletes the solution of bulk water molecules, reducing the number of hydrogen bonds that water can have in the immediate vicinity of DMSO but increasing the strength of the hydrogen bonds made between the oxygen atom of DMSO and water. There is clear evidence of ‘hydrophobic’ hydration around the methyl groups of DMSO, which is enhanced as the concentration of DMSO increases.     

利用拉曼光谱分析冰Ih相的表面薄层的氢键结构

水是生活中一种最基本且最重要的物质,由于它的一些奇特性质和反常物性,得到了广泛的研究,而拉曼光谱是研究水分子结构的一种非常合适的方法,它通过获得分子的振动和转动信息来理解分子结构和分子间的相互作用。在常压下测量了-20～-190 ℃温度范围内冰Ih相的表面薄层的拉曼光谱,实验结果发现随温度降低,冰Ih相的O∶H范德瓦尔斯键向高波数方向移动,而O-H极性共价键向低波数方向移动;且拉曼频移与温度呈线性关系,通过对不同振动模式的斜率进行比较,判断其键长的伸缩变化关系,从而证明了冰Ih相密度随温度的减小而增大,采用氢键理论(结构)给予了解释。同时,发现在-150 ℃时,O-H键反对称伸缩振动模式和O∶H键振动模式的拉曼峰强发生了突变,这表明冰Ih相发生了相变--冰Ⅺ相(冰Ih的质子有序相)。     

Raman investigation of hydration structure of iodide and iodate

In the troposphere,the destruction of ozone and the formation of new particles are closely related to the iodine content,which mainly comes from iodide(I~-) and iodate(IO_3~-) in the seawater.Therefore,understanding the interactions between I~-,IO_3~-and water molecules plays a certain role in alleviating the destruction of the ozone layer.Raman spectroscopy is commonly used to obtain the information of the interaction between I~-,IO_3~-and water molecules quickly and accurately.Herein,the effect of I~-and IO_3~-on the change in Raman band characteristics of water is investigated to reflect the associated intermolecular interactions change.With the addition of the two ions,the Raman band corresponding to OH stretching vibration moves towards the high wavenumber,indicating the formation of hydration structure.The narrowing of the Raman band from OH stretching vibration under weak hydrogen bond agrees well with the hydrogen bond variation,while the abnormal broadening of the Raman band from OH stretching vibration under strong hydrogen bond indicates the formation of H-down structure.With the increase of ions concentration,the frequency shift of the Raman band from OH stretching vibration under both weak and strong hydrogen bonds becomes more apparent.Meanwhile,the frequency shift of I~-is more obvious than that of IO_3~-,which indicates that I-is more likely to form the hydration structure with water than IO_3~-.These results contribute to analyzing the different interactions between I~--water and IO_3~--water,then helping to prevent ozone depletion.     

基于分子对接的类二恶英类多氯联苯的拉曼光谱增强

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。     

利用二维同步荧光相关光谱研究温度对胶原溶液中分子聚集行为的影响

采用恒波长同步荧光法和二维相关分析技术研究了不同浓度Ⅰ型胶原溶液中胶原分子聚集行为随温度升高(10~70 ℃)的变化规律。选取0.2,0.4,1.6 mg·mL-1的胶原溶液,在初始温度下各浓度溶液中胶原分子分别处于单分子状态、较低程度和较高程度的聚集态。研究表明：波长差为9 nm的同步荧光光谱中,激发波长282和292 nm处荧光峰分别归属于未参与形成氢键的Tyr(酪氨酸)残基和参与形成氢键的Tyr残基。对升温过程同步荧光数据进行二维相关分析,得两荧光值对温度的响应顺序,进而推测得到：当温度低于30 ℃时,0.2 mg·mL-1溶液中出现了胶原分子间形成Tyr残基参与的氢键的趋势。0.4和1.6 mg·mL-1的溶液中原有聚集体可能发生进一步聚集,形成疏水微区。当逐步接近胶原变性温度(36~38 ℃)时,推测0.4和1.6 mg·mL-1胶原溶液中的疏水微区和聚集体有被破坏的趋势,而0.2 mg·mL-1胶原溶液保持分子间形成氢键的趋势。超过胶原变性温度时,各浓度溶液中胶原分子三股螺旋结构发生松散。当超过45 ℃时,胶原分子三股螺旋结构松散的趋势更为明显。     

Molecular mechanism of gelation upon the addition of water to a solution of poly(acrylonitrile) in dimethylsulfoxide

The solidification of a solution of poly(acrylonitrile) (PAN) in dimethylsulfoxide (DMSO) upon introduction of water into the solution is studied by Raman spectroscopy. In the absence of water, DMSO molecules are found to produce dipole-dipole bonds with PAN molecules. Upon the introduction of water, DMSO molecules produce hydrogen bonds with it and bands at 1005 and 1015 cm⁻¹ appear in the Raman spectrum, which are assigned to the valence vibrations of S=O bonds involved in the hydrogen bonds. Simultaneously, water molecules produce hydrogen bonds with PAN molecules: R-C≡N...H-O-H...N≡C-R, where R is the carbon skeleton of a PAN molecule. Accordingly, a band at 2250 cm⁻¹ arises in the Raman spectrum, which is assigned to the valence vibrations of C≡N bonds producing hydrogen bonds with a water molecule. When the water content is low and the DMSO concentration is high, the length of the hydrogen bonds varies in wide limits and the band at 2250 cm⁻¹ is wide. As the water content rises, DMSO molecules come out of PAN, the variation of the hydrogen bond length in it decreases (the band at 2250 cm⁻¹ narrows), and a high-viscosity system (gel) arises that consists of PAN molecules bonded to water molecules via “equally strong” hydrogen bonds.     

激光诱导等离子体对水OH伸缩振动受激拉曼散射的影响

利用532 nm脉冲激光进行水的受激拉曼散射研究,通过改变激光焦点与水-空气界面的距离,获得截然不同的OH伸缩振动受激斯托克斯和反斯托克斯谱线.焦点距水-空气界面大于20 mm时,只存在±3400cm-1的斯托克斯和反斯托克斯谱线;焦点距离水-空气界面小于20 mm时,存在±3000和±3400cm-1的斯托克斯和反斯托克斯谱线;继续缩小焦点与水-空气界面的距离,3000 cm-1谱线被增强,而3400 cm-1谱线被削弱.研究结果表明,激光诱导水产生的等离子体增强了局部水分子的氢键,导致OH伸缩振动红移,同时过剩电子增强了水的OH伸缩振动受激拉曼散射.