葡萄糖同分异构体太赫兹波谱研究
发布时间：2021-08-27 01:04
太赫兹波是指频段在0.1THz-10THz,波长在0.03mm-3mm(波数为3.33cm-1-333.33cm-1)之间的电磁波,位于微波和红外之间。目前,对有机分子的鉴别主要采用红外光谱法,但是红外光谱法适用的能级较高,对于检测低能级的分子间或者分子内的作用并不适用。太赫兹波能检测到较低能级的跃迁,对分子弱相互作用（如分子内氢键和分子间氢键）、分子间的伸缩振动和弯曲以及分子振动等的变化更为敏感,因此利用太赫兹时域光谱技术可以鉴别分子结构差异很小的物质,对于有机分子鉴别是一种重要的补充手段。太赫兹波波长较长,光子能量较低,不会对被检测物质产生有害的光致电离,从而可以实现对被测物质的无损检测。许多物质在物理外观,比如颜色、气味、形状等比较接近,通常难以通过人眼辨别,但是用途又各自不同,比如葡萄糖等糖类物质。基于此,本文利用太赫兹时域光谱中的透射法并结合了太赫兹波谱相关分析理论对四种物质的太赫兹谱进行研究。基于量子化学相关理论对四种物质的振动进行了计算,然后选择了太赫兹时域光谱中的透射法获得了四种分子的吸收谱。透射法是太赫兹物质检测中一种常用的...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心)北京市
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
水分子的对称振动、不对称振动、弯曲振动
葡萄糖同分异构体太赫兹波谱的研究202.1.2场效应场效应[58]是指，不同的原子或者基团之间不是通过化学键而是通过静电场在空间中相互作用，改变了原子或基团力常数，使相应化学键的吸收频率发生变化。如图3.2所示：图2.2伸展方向不同的溴代环己酮Fig2.2Bromocyclohexanonewithdifferentstretchingdirections以溴代环己酮分子为例，α式溴代环己酮分子中Br原子处于直立状态，在空间中与氧原子较远。而在β式溴代-4,4-二甲基环己酮分子中，由于邻位上两个CH3（甲基）的影响，Br在原子空间中的伸展方向接近氧原子，与α式溴代环己酮分子相比二者之间的距离更加接近，相对而言会发生更强烈的场效应，使相应化学键的振动频率升高。2.1.3诱导效应在有机化学中经常会发生某个基团取代有机分子中氢原子，这种基团称为取代基。由于取代基自身电负性（电负性：化学中用来表示原子吸引电子能力的强弱）的影响，会使相应化学键的振动频率发生变化，称之为诱导效。诱导效应与场效应类似，不过与场效应的不同之处在于，诱导效应是利用化学键进行影响，与分子的空间结构无关，根据作用效果不同，诱导效应又可以分为推电子效应和吸电子效应。2.1.4氢键效应氢键的形成主要与卤素原子或者电负性较强的原子有关，形如X-Y的化学键，X、Y均代表原子，其中Y原子为电负性较强的原子（如氧原子），由于X、Y电负性相差较大导致X-Y化学键产生电偶极矩，当带有电荷的Z原子（如氢原子）接近时，X-Y化学键对Z原子产生强烈吸引形成氢键X-YZ。氢键一般分为两种类型，一是分子内氢键，一是分子间氢键，如α-羟基蒽醌可以形成分子内氢键而β-羟基蒽醌容易形成分子间氢键，如下图所示：
第2章太赫兹波谱测量相关方法及理论21图2.3α-羟基蒽醌与β-羟基蒽醌Fig2.3α-hydroxyanthraquinoneandβ-hydroxyanthraquinone分子内氢键不会受到外界环境的影响，但是分子间氢键对溶剂的种类、极性、浓度以及实验的温度非常敏感。当固态物质溶于溶剂（如，水）中时，分子间距离扩大导致分子键氢键减弱甚至消失，而分子内氢键几乎不受影响，因此通过将固态物质溶于溶剂中的办法可以很好的区分分子内氢键和分子间氢键。2.2太赫兹波谱计算相关理论根据量子化学相关理论可以计算物质的太赫兹波谱，量子化学（quantumchemistry）计算方法是以量子力学理论为基础的一种计算方法，这种方法可以计算目标的许多性质，如在本实验中可以用量子化学软件对振动频率进行计算。在用量子化学软件进行计算时，计算目标的结构能量应接近最低能量状态，即物质的结构满足能量最低原理（物质在最低能量状态下比较稳定）。因此在对目标进行计算前，为了保证能够获得最准确的计算结果，首先要对计算的物质的结构进行优化，当被测目标达到最低能量时才可以继续计算，否则要对被测目标的结构继续优化直至获得能量最低状态下所对应结构。在利用量子化学软件对分子进行模拟计算时，需借助相应理论。在量子力学中，许多理论和性质都是通过对定态薛定谔方程Ψ(,)=Ψ(,)进行求解得到的，其中Ψ(,)称为波函数或状态函数，是指哈密尔顿算符。薛定谔方程解决了大部分物理和化学问题，成功的求解了一些多分子情况下的波函数，这是因为这些情况下多分子的电子间不存在相互作用。然而满足这样条件的情况很少，对于许多多电子情况，电子之间存在相互作用。于是如何对薛定谔方程进行求解，获取薛定谔方程中的波函数成为了问题的关键。一般情况下是通过近似的方法来获得分子的
本文编号：3365330
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心)北京市
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
水分子的对称振动、不对称振动、弯曲振动
葡萄糖同分异构体太赫兹波谱的研究202.1.2场效应场效应[58]是指，不同的原子或者基团之间不是通过化学键而是通过静电场在空间中相互作用，改变了原子或基团力常数，使相应化学键的吸收频率发生变化。如图3.2所示：图2.2伸展方向不同的溴代环己酮Fig2.2Bromocyclohexanonewithdifferentstretchingdirections以溴代环己酮分子为例，α式溴代环己酮分子中Br原子处于直立状态，在空间中与氧原子较远。而在β式溴代-4,4-二甲基环己酮分子中，由于邻位上两个CH3（甲基）的影响，Br在原子空间中的伸展方向接近氧原子，与α式溴代环己酮分子相比二者之间的距离更加接近，相对而言会发生更强烈的场效应，使相应化学键的振动频率升高。2.1.3诱导效应在有机化学中经常会发生某个基团取代有机分子中氢原子，这种基团称为取代基。由于取代基自身电负性（电负性：化学中用来表示原子吸引电子能力的强弱）的影响，会使相应化学键的振动频率发生变化，称之为诱导效。诱导效应与场效应类似，不过与场效应的不同之处在于，诱导效应是利用化学键进行影响，与分子的空间结构无关，根据作用效果不同，诱导效应又可以分为推电子效应和吸电子效应。2.1.4氢键效应氢键的形成主要与卤素原子或者电负性较强的原子有关，形如X-Y的化学键，X、Y均代表原子，其中Y原子为电负性较强的原子（如氧原子），由于X、Y电负性相差较大导致X-Y化学键产生电偶极矩，当带有电荷的Z原子（如氢原子）接近时，X-Y化学键对Z原子产生强烈吸引形成氢键X-YZ。氢键一般分为两种类型，一是分子内氢键，一是分子间氢键，如α-羟基蒽醌可以形成分子内氢键而β-羟基蒽醌容易形成分子间氢键，如下图所示：
第2章太赫兹波谱测量相关方法及理论21图2.3α-羟基蒽醌与β-羟基蒽醌Fig2.3α-hydroxyanthraquinoneandβ-hydroxyanthraquinone分子内氢键不会受到外界环境的影响，但是分子间氢键对溶剂的种类、极性、浓度以及实验的温度非常敏感。当固态物质溶于溶剂（如，水）中时，分子间距离扩大导致分子键氢键减弱甚至消失，而分子内氢键几乎不受影响，因此通过将固态物质溶于溶剂中的办法可以很好的区分分子内氢键和分子间氢键。2.2太赫兹波谱计算相关理论根据量子化学相关理论可以计算物质的太赫兹波谱，量子化学（quantumchemistry）计算方法是以量子力学理论为基础的一种计算方法，这种方法可以计算目标的许多性质，如在本实验中可以用量子化学软件对振动频率进行计算。在用量子化学软件进行计算时，计算目标的结构能量应接近最低能量状态，即物质的结构满足能量最低原理（物质在最低能量状态下比较稳定）。因此在对目标进行计算前，为了保证能够获得最准确的计算结果，首先要对计算的物质的结构进行优化，当被测目标达到最低能量时才可以继续计算，否则要对被测目标的结构继续优化直至获得能量最低状态下所对应结构。在利用量子化学软件对分子进行模拟计算时，需借助相应理论。在量子力学中，许多理论和性质都是通过对定态薛定谔方程Ψ(,)=Ψ(,)进行求解得到的，其中Ψ(,)称为波函数或状态函数，是指哈密尔顿算符。薛定谔方程解决了大部分物理和化学问题，成功的求解了一些多分子情况下的波函数，这是因为这些情况下多分子的电子间不存在相互作用。然而满足这样条件的情况很少，对于许多多电子情况，电子之间存在相互作用。于是如何对薛定谔方程进行求解，获取薛定谔方程中的波函数成为了问题的关键。一般情况下是通过近似的方法来获得分子的
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