乙醇—水团簇分子的光谱学特征及分子结构研究

论文摘要

本文采用荧光光谱分析技术，结合量子力学和量子化学理论对乙醇—水溶液中的团簇分子结构进行了研究。在讨论了乙醇—水溶液中新分子的空间取向特征、平面结构特点以及电子能级变化规律的基础上，得到了该分子结构的物理模型和空间结构信息，进而反演了团簇分子的结构。通过对乙醇—水溶液荧光光谱特征的实验研究，得到了乙醇—水团簇分子的三种可能类型，并从荧光量子产率和光吸收度等方面对三种可能的分子结构进行了理论研究。从数学上推导了乙醇和水形成配合物的结合常数，推断配合物分子的可能结构为：5个乙醇分子和6个水分子间通过氢键相连形成环式或链式结构；一个乙醇分子和两个水分子间隔相连形成的团簇结构；或一个乙醇分子和5个水分子相互连接形成新分子结构。通过对乙醇—水溶液偏振荧光光谱的检测，计算了该荧光的偏振度和分子各向异性度，表征了分子的空间取向行为，认为乙醇—水溶液中的团簇分子是在较大程度上具有固定取向的有序结构。理论分析认为氢键不仅对分子团簇的空间结构产生影响，而且对分子中的电子轨道也产生了影响，表现为分子的偶极矩和极性(偏振)特性的变化。通过对长波方向上宽展谱峰的实验和理论研究，得到了处于基态和激发态的团簇分子间形成激基缔合物的结论。在求解荧光强度随时间衰变过程方程的基础上，从理论上分析了形成激基缔合物的光物理过程。利用密度泛函理论计算了乙醇—水团簇分子电子跃迁的理论值。利用碰撞复合物和激基缔合物的形成机制研究了团簇分子基态能级发生改变的过程，进而对溶液的发光机制进行了定量研究。利用量子化学、量子力学并结合含时密度泛函理论反演了乙醇—水团簇分子的结构：多个乙醇和水分子在溶液中由氢键相连形成了环式或链式结构，且具有镶嵌型的平面结构特点和高度有序的空间结构特征。本文的研究结果可为分子间团簇结构的研究，以及乙醇分子与生物组织相互作用的研究提供理论和实验依据。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1. 醇类分子结构研究进展
• 1.1 研究背景
• 1.2 氢键
• 1.3 水分子的结构研究进展
• 1.3.1 液态水中的分子结构
• 1.3.2 冰中的分子结构
• 1.3.3 氢键对水分子的电子结构的影响
• 1.4 简单醇类分子结构的研究现状
• 1.4.1 不同相态下甲醇分子的结构研究
• 1.4.2 不同相态下乙醇分子的结构研究
• 1.5 本文的主要研究工作
• 2. 荧光光谱分析技术在分子结构研究中的应用
• 2.1 稳态荧光光谱——荧光的频域特征
• 2.1.1 荧光光谱及其特征
• 2.1.2 发射光强度
• 2.2 瞬态荧光光谱——荧光光谱的时域特征
• 2.2.1 荧光寿命
• 2.2.2 荧光寿命的特点
• 2.2.3 荧光寿命测量的现代方法
• 2.2.4 荧光寿命在研究分子动力学中的应用
• 2.2.5 利用荧光寿命进行物质结构分析
• 2.3 偏振荧光光谱与分子各向异性
• 2.3.1 光的偏振理论
• 2.3.2 荧光偏振光谱
• 2.3.3 荧光偏振度和分子取向间的关系
• 3. 乙醇—水溶液荧光光谱的频域和时域特征研究
• 3.1 乙醇—水溶液稳态荧光光谱研究
• 3.1.1 实验装置与方法
• 3.1.2 实验结果
• 3.1.3 分析与讨论
• 3.1.4 乙醇水溶液中三种可能的配合物结合常数的理论计算
• 3.2 乙醇—水溶液瞬态荧光光谱研究
• 3.2.1 实验装置与方法
• 3.2.2 实验结果
• 3.2.3 分析与讨论
• 3.3 本章小结
• 4. 乙醇—水溶液偏振荧光光谱特征研究
• 4.1 实验装置与方法
• 4.2 实验结果
• 4.3 分析与讨论
• 4.4 乙醇—水团簇分子的取向表征
• 4.5 本章小结
• 5. 乙醇—水团簇分子发射荧光的机制研究
• 5.1 密度泛函理论的计算结果
• 5.2 团簇单分子发射荧光的机理
• 5.2.1 两个处于基态的团簇单分子形成碰撞复合物
• 5.2.2 两个基态分子碰撞形成复合物的特点和能级变化
• 5.2.3 乙醇—水团簇分子的基态能级和轨道波函数
• 5.3 本章小结
• 6. 乙醇—水团簇分子激基缔合物的形成和分子结构反演
• 6.1 实验仪器和方法
• 6.2 实验结果—激基缔合物的光谱学特征
• 6.2.1 乙醇—水团簇单分子和激基缔合物的稳态荧光光谱特征
• 6.2.2 乙醇—水分子激基缔合物的瞬态荧光光谱特征
• 6.3 激基缔合物形成机理
• 6.4 乙醇水团簇单分子和激基缔合物间的能量转移机制
• 6.5 激基缔合物的发光机制研究
• 6.5.1 基态分子和激发态分子碰撞形成激基缔合物的成因
• 6.5.2 激基缔合物发射荧光的机制
• 6.6 本章小结
• 7. 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢