受限体相与界面结构与动力学的超快振动光谱表征方法与实验研究

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与体相环境不同,限域环境具有独特的结构和动力学特性,如催化活性。因此了解受限体相与界面的结构和动力学具有十分重要的意义。微乳液是一种透明、澄清的热力学稳定系统,一般由水、油、表面活性剂等组成,可以以胶团、双连续相、囊泡等结构形式存在。表面活性剂的两亲性是微乳液形成的主要原因,这种两亲性的分子在生物体中十分常见,如细胞的磷脂双分子层。表面活性剂形成的界面使微乳液中受限的油相和水相都表现出与本体相很大的区别,因此可以通过研究微乳液结构来了解受限体相与界面的结构和动力学。由于微乳液结构复杂,很难在分子水平上进行表征。因此人们一直在寻找合适的手段来进一步研究微乳液结构。近年来发展起来的超快非线性红外光谱技术可以在飞秒时间尺度上探测红外官能团的动力学性质,在研究分子结构动力学方面有很大的应用前景。  本论文采用六氰基亚铁酸钾[K4Fe(CN)6]和六羰基钨[W(CO)6]作为探针分子分别研究胶团和双连续结构水相和有机相的结构。利用泵浦探测红外光谱技术和二维红外光谱技术(2D IR)来观测探针分子的振动弛豫过程,转动弛豫过程和光谱扩散过程等动力学信息。通过探针分子动力学的区别来指认两种不同微乳液结构的区别,从而深入了解微乳液结构变化引起的受限体相与界面的结构和动力学的改变。在以下几个方面取得了进展:  1、通过电导率实验和傅里叶变换红外光谱(FTIR)表征制备的两种微乳液结构。然后研究了探针分子在胶团和双连续两种微乳液结构的FTIR光谱,了解不同微乳液结构对探针分子稳态光谱的影响。  2、研究了K4Fe(CN)6在胶团和双连续两种不同微乳液结构水相中振动弛豫、转动弛豫和光谱扩散过程。研究发现,双连续结构的连通性会使其中探针分子振动弛豫过程变慢,但会加快转动过程和光谱扩散过程。  3、研究了W(CO)6在胶团和双连续两种不同微乳液结构油相中的振动弛豫和光谱扩散过程。结果表明,双连续结构中水分子的存在使得表面活性剂分子有序排列,并且加速有机相中探针分子的振动弛豫过程和光谱扩散过程。  除了研究上述微乳液的受限体相与界面的结构和动力学之外,还研究了具有表面增强红外光谱(SEIRS)活性的界面结构。利用聚苯乙烯(PS)微米球模板技术来制备表面有序的金属三角阵列结构,改变PS微球的直径可以制备不同尺寸的金属三角阵列结构。调节制备的金属三角阵列结构的尺寸可以使其在中红外光的作用下产生表面等离子共振吸收,并增强吸附在金属表面的化合物的红外振动。本论文利用光学显微镜和FTIR光谱对制备的金属三角阵列基底和吸附化合物后的金属三角阵列进行了表征。结果表明,通过这种方法可以制备结构有序的金属三角阵列基底,其表面等离子激元吸收处于中红外波段,并且三角阵列结构可以增强吸附在金属表面的化合物的红外信号。
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