基于群论的16种多环芳烃拉曼光谱研究

发布时间：2017-06-16 10:13

  本文关键词：基于群论的16种多环芳烃拉曼光谱研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：列入美国EPA优先控制污染物名单中的16种多环芳烃(PAHs)是最重要的环境污染物之一。环境中PAHs的检测是PAHs监测及污染控制重要关键环节。PAHs常规检测中需要复杂的前处理过程,而拉曼光谱分析方法快速、无需样品预处理、可多组分同步测量,且不受水的拉曼光谱信号影响,具有在线监测环境介质中PAHs的潜能。但是,PAHs分子产生的拉曼峰丰富而繁杂；具有相同官能团分子的拉曼峰容易高度重叠,不利于实现PAHs的拉曼同步辨识。本文就实现16种PAHs拉曼光谱同步辨识进行了深入研究,从分子结构的对称性出发,应用群论分析PAHs的振动规律、确定分子的特振动；结合极化率确定PAHs的特征峰,并利用分子的偏振特性屏蔽非特征峰的干扰。此外,还计算了PAHs拉曼光谱对地表环境中的温度和压强变化的响应,并验证通过群论确定的PAHs拉曼特征峰在不同环境介质中具有热力学稳定性。本文的研究具体包括以下几个方面：(1)利用群论理论确定PAHs的特征振动。根据多环芳烃(PAHs)分子的结构对称性,确定PAHs分子的对称元素进而推断出分子所属点群。16种PAHs的各种基团和振动模的拉曼位移分布显示：3个区域主要振动归属分别为环变形、碳炭伸缩、碳氢摇摆及其耦合振动以及碳氢伸缩；包含所有价键振动类型的全对称振动和全非对称振动分覆盖拉曼位移全区域,非全对称振动主要分布在指纹区。进一步分析表明,所有全对称振动都具有拉曼活性且拉曼强度更高,可作为PAHs的特征拉曼振动。以全对称振动为特征振动避免通过分子的键来作为特征振动等经验性,以及推广的局限性。(2)然后,结合Gaussian 09计算的拉曼光谱确定16种PAHs的特征峰。结果显示,16种PAHs相同特征基团全对称振动产生的拉曼峰分布区域较为一致,可用以确定PAHs的存在及排除其他类物质如烷烃、烯烃、炔烃、醇类和酚类物质的干扰。而指纹区的拉曼峰对分子的细微结构差异敏感,可以此区域的拉曼峰辨识16种PAH之间的差异。指纹区的非全对称振动产生的非特征拉曼峰,可通过分子的偏振特性屏蔽,增强PAHs之间的辨识度。(3)最后通过Gaussian09密度泛函数方法计算了在地表环境温度压强变化范围内的拉曼光谱,分析其热力学响应规律。计算结果显示,在此热力条件的变化范围内指纹区拉曼光谱无显著拉曼位移变化,PAHs的特征拉曼光谱在地表环境环境温度和压强的变化范围内具有一定的稳定性。本文利用群论理论,根据分子结构的对称性,实现了16种PAHs拉曼光谱的同步辨识,并分析了其环境热力学稳定性,对于环境中PAHs拉曼光谱在线监测和原位监测具有重要意义。
【关键词】：多环芳烃 拉曼光谱 群论 去偏振度 指纹区 温度 压强
【学位授予单位】：华北电力大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X830
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第1章 绪论13-23
• 1.1 研究背景13-18
• 1.1.1 多环芳烃简介13-16
• 1.1.2 环境中多环芳烃的检测16-18
• 1.2 国内外研究进展及存在的不足18-20
• 1.2.1 PAHs的拉曼光谱分析研究进展18-20
• 1.2.2 PAHs拉曼光谱研究的不足之处20
• 1.3 本文的主要研究内容和意义20-23
• 第2章 理论分析方法23-33
• 2.1 群论简介23-29
• 2.1.1 群论的定义23-24
• 2.1.2 对称元素的对称操作24-27
• 2.1.3 群的表示27-28
• 2.1.4 群论在化学中的应用28-29
• 2.2 化学模拟方法与计算软件29-33
• 2.2.1 量子化学计算方法29-32
• 2.2.2 量子化学计算软件32-33
• 第3章 基于群论的PAHs分子对称性分析33-51
• 3.1 引言33
• 3.2 分析方法33-34
• 3.2.1 群论分析33-34
• 3.2.2 Gaussian 09计算34
• 3.3 结果分析34-50
• 3.3.1 PAHs所属点群的确定34-36
• 3.3.2 PAHs分子的简正振动36-39
• 3.3.3 PAHs振动拉曼位移分布规律39-47
• 3.3.4 PAHs分子振动拉曼活性的判定47-48
• 3.3.5 不同对称模对极化率的贡献48-50
• 3.4 本章小结50-51
• 第4章 基于群论的PAHs特征峰辨识51-65
• 4.1 引言51-52
• 4.2 计算方法52
• 4.3 结果分析52-64
• 4.3.1 PAHs与其他有机物之间的辨识52-54
• 4.3.2 16种PAHs分子之间的拉曼光谱辨识54-59
• 4.3.3 指纹区非特征峰干扰屏蔽59-64
• 4.4 本章小结64-65
• 第5章 PAHs特征峰的热力学干扰分析65-80
• 5.1 引言65-66
• 5.2 计算方法66-67
• 5.3 结果分析67-79
• 5.3.1 温度对指纹区PAHs拉曼光谱的影响67-73
• 5.3.2 环境压强对PAHs拉曼光谱特征峰的影响73-79
• 5.4 本章小结79-80
• 第6章 结论与展望80-84
• 6.1 结论80-81
• 6.2 本文创新点81-82
• 6.3 研究工作展望82-84
• 参考文献84-94
• 攻读硕士学位期间发表的论文94-96
• 致谢96

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