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和频光谱双偏振角方法对手性分子气液界面的定量分析

作　者: 魏锋
导　师: 王鸿飞；刘世林
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 物理化学
关键词: 手性气液界面二次谐波方法 DiA Langmuir单层膜双偏振角方法柠檬烯和频光谱方法
分类号: O647
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

近年来,界面研究在物理、化学、材料、生物等领域的研究中变得越来越重要。由于二阶非线性光学方法具有独特的界面灵敏性和界面选择性,二次谐波方法、和频光谱方法等二阶非线性光学方法在界面研究中的应用变得越来越广泛,已经成为获取界面分子层次认识的重要手段。手性界面的研究是界面科学中的一个重要分支。与圆二色谱、拉曼光学活性等线性光学方法相比,二阶非线性光学的手性测量方法有手性光谱响应大、灵敏度高等优势,是手性界面表征和分子层次信息分析的重要手段。本实验组近两年内发展了二次谐波线性偏振方法(Second Harmonic Generation - Linear Dichroism or SHG-LD)的偏振分析手段,可以用于获取界面二阶极化率之间的比例、相对相位、界面折射率等微观分析的关键信息,也可以用于精确测量界面的手性过剩量。本论文将二次谐波线性偏振方法用于探测不同成膜条件下DiA分子Langmuir膜,澄清了DiA分子Langmuir膜中手性响应的来源问题和磁偶极矩效应对非线性手性信号的贡献大小问题;将SHG-LD方法的测量和分析方法扩展至和频光谱方法的测量中,发展了和频光谱测量中的新手性检测和分析方法:双偏振角方法,并将它用于探测柠檬烯液体/空气界面的手性响应。本论文的主要内容为:第一章简要介绍了界面科学的发展和应用,二次非线性光学方法应用于界面研究的历史、现状和优势,用于界面手性表征的概况。总结了本论文研究工作的目的和意义。第二章介绍了非线性光学效应的基本原理,解释了和频光谱信号的基本公式和物理量,说明了进行和频光谱测量的实验方法和从微观分子超极化率获得宏观界面二阶极化率的计算方法,阐述了综合偏振选择定则、实验构型改变、零位偏振角方法等进行和频光谱数据分析获得界面分子层次信息的方法。第三章说明了二次谐波线性偏振方法对气液界面手性响应的测量方法、解释了二阶非线性光学中手性响应的来源和界面“真”“假”手性的区分办法。用不同成膜方式获得的膜压曲线和SHG-LD的偏振依赖曲线,说明了DiA分子Langmuir膜在压缩状态下的不稳定性和驰豫特性;阐述了手性Langmuir膜的形成机理和作用因素,对Langmuir膜中DiA分子的取向和表面富集程度做了定量化的表征,对Langmuir膜中的手性响应来源和磁偶极矩贡献大小这两个问题做了澄清。第四章用双偏振角方法的基本表达公式和数值模拟说明了双偏振角方法的优势,提出了从双偏振角方法实验数据中获取相对相位的解决方案;描述了双偏振角方法的实验可行性和校正方法;在R-柠檬烯与S-柠檬烯的气液界面验证了和频光谱双偏振角方法的实用性和精确度,并总结获得了一些双偏振角方法的经验和规律。第五章是结论和展望。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
插图索引  11-13
表格索引  13-14
第一章界面科学与二阶非线性光学方法  14-51
  1.1 界面科学及其表征手段  14-17
  1.2 二阶非线性光学方法的发展与应用  17-23
  1.3 手性分子界面的研究意义和研究现状  23-26
  1.4 本论文的研究目的及意义  26-29
  参考文献  29-51
第二章二阶非线性光学原理与和频光谱的定量分析方法  51-82
  2.1 二阶非线性光学与界面分子表征  51-57
    2.1.1 非线性光学效应  51-52
    2.1.2 二阶非线性光学效应的产生  52-53
    2.1.3 界面二阶非线性光学响应的产生与界面选择性  53-57
      2.1.3.1 界面二阶非线性光学响应的产生和界面选择性  53-56
      2.1.3.2 界面宏观对称性和界面二阶极化率非零项的判断  56-57
  2.2 和频光谱方法对气液分子界面的测量与表征  57-59
  2.3 和频振动光谱信息与界面分子层次信息之间的联系  59-66
    2.3.1 欧拉变换：宏观二阶极化率与微观二阶超极化率之间的转换  60-62
    2.3.2 界面和频振动光谱的光谱依赖和基团对称性分析  62-65
    2.3.3 微观二阶超极化率比例的求算方法与键加和理论  65-66
  2.4 和频振动光谱方法对界面分子/基团取向的定量分析方法  66-75
    2.4.1 和频振动光谱信号强度的简化表达与进行微观分析的方法  66-68
    2.4.2 和频振动光谱偏振选择定则：分子取向和实验构型对信号的影响  68-74
      2.4.2.1 分子取向对和频振动光谱信号的影响  69-71
      2.4.2.2 实验构型对和频振动光谱信号的影响  71-74
    2.4.3 零位偏振角方法用于界面取向角和界面层折射率的求算  74-75
  2.5 本章小结  75-76
  参考文献  76-82
第三章二次谐波线性偏振方法对气液界面手性响应的测量与分析  82-111
  3.1 研究背景  82-85
  3.2 界面分子手性贡献和二次谐波线性偏振的测量与分析方法  85-92
    3.2.1 （C∞）分子界面的手性响应的测量  85-87
    3.2.2 界面分子手性贡献的来源和“真”“假”手性响应的区分办法  87-92
  3.3 实验方法  92-94
    3.3.1 实验设备  92-94
    3.3.2 实验样品  94
  3.4 实验结果  94-102
    3.4.1 DiA分子的膜压曲线  95-96
    3.4.2 压缩状态下DiA分子手性Langmuir膜的驰豫现象  96-99
    3.4.3 静态DiA分子Langmuir膜的手性信号特征  99-102
      3.4.3.1 不同膜压下的手性信号特征  99-100
      3.4.3.2 DiA分子在界面中的取向与分子密度  100-102
  3.5 本章小结  102-104
  参考文献  104-111
第四章和频光谱双偏振角方法对手性分子界面的测量与分析  111-136
  4.1 研究背景  111-112
  4.2 手性分子界面（C∞）的和频光谱响应  112-114
  4.3 和频光谱方法针对手性分子界面的测量与研究  114-121
    4.3.1 纯偏振组合下手性信号的探测  114-115
    4.3.2 单偏振角方法（Single Polarization Angle:SPA）  115-117
    4.3.3 双偏振角方法（Twin Polarization Angle: TPA）  117-121
      4.3.3.1 双偏振角方法的公式与数值模拟  117-120
      4.3.3.2 双偏振角方法结果与二阶极化率的相位判断  120-121
  4.4 双偏振角方法的实验操作与光学校正  121-123
    4.4.1 双偏振角方法实验操作  121-123
    4.4.2 双偏振角方法校正方法  123
  4.5 实验设置  123-125
    4.5.1 实验装置：皮秒和频光谱系统  123
    4.5.2 实验样品与实验条件  123-125
  4.6 柠檬烯的手性光谱测量  125-131
    4.6.1 纯振角方法实验结果  125
    4.6.2 单偏振角方法实验结果  125-127
    4.6.3 双偏振角方法实验结果  127-131
  4.7 本章小结  131-132
  参考文献  132-136
第五章结论和展望  136-138
附录A 柠檬烯的红外与拉曼光谱  138-140
附录B 手性检测中光学器件的校准方法  140-143
  B.1 半波片和格兰棱镜的透射率校准  140
  B.2 双偏振角方法用于半波片角度的校准  140-143
附录C 双偏振角方法中的“真”“假”手性响应区分办法  143-145
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  145-147
致谢  147

和频光谱双偏振角方法对手性分子气液界面的定量分析

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