β-胡萝卜素分子结构有序性对拉曼散射截面影响的研究

论文摘要

β-胡萝卜素在光合作用中有采集,转移,淬灭单线态氧等功能;有双键结构的共轭多稀类分子在可见和紫外光谱区含有几个电子吸收带,因此它又是共振拉曼光谱研究的理想样品之一;在医学领域β-胡萝卜素又是一种有效预防癌症的天然生物大分子,近年来已从分子水平,细胞和基因等不同的途径阐述了抗癌机理和效果;同时它具有半导体特性使之成为一种重要的光电材料。因此对其研究具有重要的理论研究意义又有光明的应用前景。多稀类分子的性质,功能与其分子结构有极大的关系,尤其是这种链状大分子结构有序性与分子的性质,功能密切相关。因此研究结构有序性以及结构有序性对分子性质和功能的影响是倍受国内外研究人员重视的课题。大量分子结构信息反映在谱峰的峰强上而不单是反映在谱峰的所在位置上。对于分子光谱的研究,我们不应只满足于谱峰位置的测定与分析上,而应着手于谱峰强度的测定与分析上,这样才能真正打开分子光谱学的研究大门。拉曼散射截面作为分子散射入射光能力的一个重要的参数,它不仅与激发光的波长和分子结构有关,还与分子所处的环境有关。本文针对多稀类分子分子结构有序性对拉曼散射截面的影响进行研究,主要包括以下几个内容:第一章:介绍拉曼散射及相关效应研究的历史和现状,相关概念和技术,以及本论文的选题背景、研究内容和研究意义。第二章:对和本文相关的光散射理论加以针对性的描述和概括,包括极化率、诱导偶极矩的概念、拉曼散射经典、半经典理论和量子理论,以及分子间相互作用理论和模型。第三章:对液芯光纤自发拉曼散射技术（LCOF-RS）、液芯光纤内共振拉曼散射技术（LCOF-RRS）两种技术方法的特点加以了概括。第四章:实验.主要介绍实验的步骤,方法和实验仪器。第五章:（1）将!-胡萝卜素溶解在不同的溶剂中,利用可见吸收和拉曼光谱,分析了分子的有序性和拉曼散射截面的变化。只是采用共振增强效应,无法获得满意的解释,我们尝试了一种新的电子-声子偶合的CC相干振动模型对其进行试探性的解释。（2）将液芯光纤和共振拉曼联合,发挥两种技术的优点。获得了低浓度下极性溶剂——水中(10-6—10-10M)!-胡萝卜素拉曼散射截面变化规律。给出低浓度下的!-胡萝卜素的分子有序性和散射截面之间的定性关系,采用电子-声子相干振动给出了理论解释。（3）利用LCOF—RRS技术对!-胡萝卜素分子在非极性溶剂——二硫化碳中低浓度下(10-5-10-11M),拉曼散射截面的变化规律及分子结构有序性。在更低浓度下(10-7-10-11mol/L)随着浓度的降低!-胡萝卜素拉曼频移(1520 cm-1)发生红移、线宽变窄,该研究结论是相干振动的最有利的证据。第六章:论文总结,对本论文的所做工作进行总结,指出文章的优点与不足,对本课题进行展望。本论文的研究主要是研究了β-胡萝卜素的结构有序性同拉曼光谱的散射截面（强度）的定性关系,随有序性提高拉曼散射截面变大。β-胡萝卜素的溶剂效应可以方便地模拟其在不同的蛋白质环境下的频移特性,具有方便快捷的特点,采用完全的共振拉曼无法解释其散射截面的增强,而由于分子结构有序性的增加,引起CC相干振动具有不可忽视的作用。在不同的溶剂中拉曼散射截面发生如此大的变化,可以想象其在不同的蛋白质环境中也同样表现不同的散射截面,这很可能与β-胡萝卜素分子在光和作用或淬灭单线态氧的过程有关,需要进一步的研究和探讨。我们利用液芯光纤的光放大作用,进行了极低浓度下的拉曼散射截面的测试,显示了在低浓度下拉曼散射截面突然增大的特性,利用拉曼频移表征了分子的结构有序性,弥补了在很低浓度下难以获得电子吸收光谱的缺陷。在很低的浓度下获得共振拉曼散射,展示了共振拉曼在分子结构分析中具有红外吸收无法比拟的优势,在多稀分子中的分析、鉴别、检测中具有实际应用价值,特别是对分子工程学、分子生物学、分子医学、纳米材料等提供了一可行的测试研究手段,丰富了拉曼散射的研究内容、研究深度和广度,对于单分子的研究具有一定的借鉴价值。

论文目录

• 提要
• 第一章 绪论
• 1.1 拉曼散射及相关研究的介绍
• 1.1.1 拉曼光谱研究的历史和现状及其应用
• 1.1.2 拉曼散射和瑞利散射的能量转移模型
• 1.1.3 关于拉曼光谱图式的若干概括
• 1.1.4 选择定则拉曼光谱学与红外光谱学的互补性质
• 1.1.5 振动态-电子态的耦合与拉曼效应
• 1.1.6 非线性曼效应
• 1.2 拉曼散射截面（RCS）
• 1.3 常用拉曼光谱技术简介
• 1.3.1 激光拉曼光谱的特点
• 1.3.2 表面增强拉曼光谱技术
• 1.4 液芯光纤技术及其在光谱学研究中的应用
• 1.5 本论文的主要选题背景、研究内容和意义
• 第二章 光散射理论
• 2.1 诱导（振荡）电偶极子:散射辐射源
• 2.2 拉曼散射和瑞利散射的经典理论
• 2.2.1 光散射经典理论的基础
• 2.2.2 实对称极化率张量
• 2.2.3 退偏比
• 2.2.4 频率依赖性
• 2.2.5 固定于空间的分子的散射的方向特性（强度）和偏振
• 2.2.6 自由转动分子的散射的方向特性（强度）和偏振
• 2.2.7 基波振动的选择定则
• 2.3 拉曼散射和瑞利散射的量子理论
• 2.3.1 非相干光散射现象量子力学处理的基础:跃迁电偶极矩
• 2.3.2 半经典处理
• 2.3.2.1 辐射散射的跃迁矩的振幅
• 2.3.2.2 振动和转动的分离
• 2.3.2.3 振动跃迁
• 2.3.3 含时微扰论与拉曼散射和瑞利散射
• 2.3.3.1 引言
• fi'>2.3.3.2 含时微扰理论及（α）_fi
• 2.4 光散射的经典处理和量子力学处理的比较
• 2.5 分子间力和溶质与溶剂间的四种相互作用模型
• 2.5.1 分子间力
• 2.5.2 溶剂效应对分子光谱频率位移的影响
• 2.5.3 溶质和溶剂间四种相互作用模型
• 第三章 拉曼光谱技术
• 3.1 引言
• 3.2 拉曼光谱技术
• 3.2.1 普通的毛细管方法
• 3.2.2 液芯光纤内自发拉曼散射技术（LCOF）
• 3.2.3 液芯光纤内共振和预共振拉曼散射（LCOF-RRS）
• 3.3 结论
• 第四章 实验
• 4.1 样品和试剂
• 4.2 实验方法
• 4.2.1 毛细管内自发拉曼散射
• 4.2.2 液芯光纤内预共振拉曼散射
• 4.2.3 液芯光纤内共振拉曼散射
• 4.3 实验仪器
• 4.3.1 拉曼光谱仪
• 4.3.3 紫外光谱仪
• 4.3.4 其他
• 4.4 配制溶液
• 2的相关特性'>4.4.1 CS₂的相关特性
• 4.4.2 溶液的配制
• 4.5 液芯光纤的制作
• 4.6 光谱测量
• 第五章 β-胡萝卜素分子结构有序性对拉曼散射截面影响的研究
• 5.1 溶剂中β-胡萝卜素的分子结构有序性对拉曼散射截面的影响
• 5.1.1 引言
• 5.1.2 实验与仪器
• 5.1.3 相关理论和计算方法
• 5.1.4 实验结果
• 5.1.5 拉曼散射截面差异的共振解释
• 5.1.6 在不同溶剂中相对拉曼散射截面计算
• 5.1.7 β-胡萝卜素的RCS与分子有序性
• 5.1.8 小结
• 5.2 β-胡萝卜素水中的低浓度的RCS和分子结构有序性
• 5.2.1 引言
• 5.2.2 相关计算方法
• 5.2.3 实验
• 5.2.3.1 试剂和样品配置
• 5.2.3.2 拉曼光谱测量
• 5.2.4 不同浓度下水中β-胡萝卜素的拉曼散射截面
• 5.2.5 实验数据的误差分析
• 5.2.6 实验的理论分析
• 5.2.7 小结
• 2低浓度下的RCS以及分子的结构有序性'>5.3 β-胡萝卜素在CS₂低浓度下的RCS以及分子的结构有序性
• 5.3.1 引言
• 5.3.2 试剂和样品配制
• 5.3.3 仪器及测量
• 5.3.4 使用的公式
• 5.3.5 测试结果
• 5.3.6 分子结构有序性的光谱表征
• 5.3.6.1 分子结构有序性的吸收光谱表征
• 5.3.6.2 分子结构有序性的拉曼光谱表征
• 5.3.7 液芯光纤内共振拉曼
• 5.3.8 小结
• 第六章 论文总结和展望
• 6.1 论文结论
• 6.2 创新点
• 6.3 研究展望
• 参考文献
• 攻读博士学位论文发表情况
• 致谢
• 摘要
• Abstract