SERS光谱和DFT理论计算相结合探究分子在贵金属表面上的吸附行为

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表面增强拉曼现象(SERS)自1974年被Fleischmann等首次报道以来,相关的基础理论和应用研究一直是一个研究热点。SERS是吸附于银、金、铜粗糙表面的分子产生的特殊物理化学效应,多数分子SERS谱和普通拉曼谱差别较大,因此SERS光谱可用于研究分子-界面相互作用。利用量子化学计算通过模拟分子和金属原子或表面的相互作用,研究拉曼光谱的增强机理、分子的吸附取向、协助光谱归属等已成为近年来的研究热点。本学位论文通过表面增强拉曼光谱和密度泛函数理论(DFT)计算研究了三聚氰胺分子和2-氨基噻唑分子在贵金属表面的吸附构型以及SERS增强机理。主要内容如下:   (1)利用SERS光谱结合DFT计算方法研究了三聚氰胺分子在银纳米粒子表面的吸附行为。计算结果表明三聚氰胺分子主要是通过杂环上的氮原子和银发生反应的。对比复合物melamine-Ag-和melamine-Ag0的预测光谱可以看出,前者的预测光谱和实验光谱更符合。从计算优化的复合物melamine-Ag+的结构中可以推测出,三聚氰胺分子小角度倾斜站立在纳米粒子表面。对比不同浓度的三聚氰胺分子的SERS光谱也可以得出结论,高浓度时,三聚氰胺分子小角度倾斜站立在银纳米粒子表面上,且随着浓度的降低,倾斜角逐渐增大。   (2)应用DFT计算方法分别优化了2-氨基噻唑的氨基互变异构体和亚氨基互变异构体的结构参数和振动频率。通过对比实验普通拉曼光谱和计算拉曼光谱推测出,饱和水溶液中,2-氨基噻唑分子主要以氨基互变异构体的形式存在。对比不同浓度时分子在金纳米粒子表面上的SERS光谱得出结论:在金纳米粒子表面上,低浓度时,分子的从亚氨基互变异构体向氨基互变异构体转变;高浓度时,分子的氨基互变异构体通过噻唑环上的氮原子和金纳米粒子发生作用,当浓度低于0.03 mM时,分子通过噻唑环上和氨基上的两个氮原子共同吸附在金纳米粒子表面上。
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