受激氫鍵分段長度和能量的聲子計量譜學測定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明設(shè)及一種受激氨鍵中分段長度和能量的測定方法，尤其設(shè)及一種受激氨鍵 分段長度和能量的聲子計量譜學測定方法。
【背景技術(shù)】
[000引氨鍵化H-0,或者拓展為X:H-Y，其中X和Y電負性強于H，如N和巧對我們的日 常生活至關(guān)重要。0:Η非鍵和0-H共價鍵的鍵長和鍵能W及極化在外界條件例如外加電場、 磁場、機械壓縮和拉伸、原子低配位、熱激勵等作用下的變化對調(diào)控藥品、食品、疏水和親水 界面功能表現(xiàn)W及制氨等工業(yè)過程至關(guān)重要。（本文中"代表相鄰氧原子上的孤對電子 對，表示成鍵共用電子對。）
[0003] 然而，現(xiàn)有的檢測技術(shù)或者數(shù)值方法還無法提供在外界刺激或受限條件下氨鍵鍵 長和鍵能改變的定量信息或弛豫趨勢。例如，中子衍射和X射線衍射實驗根據(jù)結(jié)構(gòu)因子和 徑向分布函數(shù)探測0-0間距，而無法區(qū)分在相鄰妒離子間Η+質(zhì)子的位置。0Κ-邊緣吸收 或發(fā)射電子譜收集的是結(jié)合能位移信息，其正比于Η-0共價鍵鍵能的（~4.OeV)，而0:Η非 鍵的鍵能0.lev(不足前者2. 5%)的作用可W忽略不計。由于低靈敏度、低信噪比W及"特 征不明"，0:H非鍵聲子頻率200cm1)并沒有得到足夠重視。
[0004] 圖1(a)所示為化(111)面基板上8-徑基哇嘟（8-hq)分子中單個氨鍵的實空 間可視圖，掲示了非鍵與弱電荷分配之間的作用；借助原子力顯微鏡，分辨出氨鍵網(wǎng)絡(luò)， 成鍵位置、方向和長度（J.Zhang,P.C.，B.化an,W.Ji,Z.Cheng,andX.Qiu,Real-Space IdentificationofIntermolecularBondingwithAtomicForceMicroscopy.Scien ce，2013. 342化158) :p. 611-614)。圖1(b)所示為5K時，使用超高真空掃描隧道顯微鏡 觀察到的化C1基質(zhì)上四聚物水分子的實空間圖像W及LUM0和HOMO電子軌道圖，化）中 的LUM0(高于費米能級）W及冊M0(低于費米能級）表示軌道能量狀態(tài)。（Guo，J.，et al.，民eal-spaceimagingofinterfacialwaterwithsubmolecularresolution.Nat Mater, 2014. 13(2) :p. 184-9)。
[0005] 像圖1中所示的分子成像對研究特定條件下單分子的屬性確實有用。但是，真實 溶液或固相試樣中由大量水分子構(gòu)成的Ξ維氨鍵網(wǎng)絡(luò)在工作條件和微擾下的演化和功能 顯得更為重要。在運樣的凝聚狀態(tài)下的氨鍵的表現(xiàn)對于實際應(yīng)用至關(guān)重要。因此，現(xiàn)有用 來采集和提煉不同情況下氨鍵（0:H-0)鍵長和鍵能協(xié)同弛豫的綜合信息的一系列理論，技 術(shù)W及數(shù)值方法并不理想。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種受激氨鍵分段長度和能量的聲 子計量譜學測定方法，通過該方法可W獲得定量的、精煉的〇:H非鍵和H-0共價鍵分段鍵 長、鍵能W及弛豫的信息。可適用于對水溶液，血液，體液，尿液，奶制品，食品，藥物W及水 /蛋白質(zhì)，疏水/親水界面等液相和固相體系。也適用于電場、磁場、分子低配位、機械壓縮 /拉伸、熱激發(fā)等場作用。此外，通過本發(fā)明的方法也可w確定諸如黏度、相變臨界溫度、極 化和去極化等特性，運將使得人們可W按照所需的實際情況來調(diào)控氨鍵（〇:H-〇)。
[0007] 本發(fā)明的受激氨鍵分段長度和能量的聲子計量譜學測定方法，該方法包括聲子微 分計量譜分析和配位選區(qū)聲子微分計量譜分析兩步，具體步驟如下
[0008] -、聲子微分計量譜分析：
[0009] 1)用拉曼光譜儀測量50 - 4000cm1頻率范圍或用紅外光譜儀測量400 - 4000cm1 頻率范圍內(nèi)常溫常壓下去離子水（18. 2ΜΩ.cm)的聲子譜，作為參考譜；
[0010] 。相同測試條件下，測量待測樣品相應(yīng)的光譜，獲得樣品譜；
[0011] 3)將得到的所有光譜扣除背景后分別進行面積歸一化處理；
[0012] 4)當待測樣品中溶質(zhì)的光譜與水的光譜無重疊部分時，將經(jīng)3)處理后的樣品譜 減去對應(yīng)的參考譜，得到該樣品的聲子微分譜；
[0013] 當待測樣品中溶質(zhì)的光譜與水的光譜有重疊部分時，則先從經(jīng)3)處理后的樣品 譜中扣除溶質(zhì)信號的影響后再減去對應(yīng)的參考譜，得到該樣品的聲子微分譜；所述的扣除 溶質(zhì)信號影響采用如下公式：
[0014] AI=I樣品譜-山溶質(zhì)+(l-x)I去離子水]
[0015] 其中，X為待測樣品中溶質(zhì)的摩爾分數(shù)，ΔI為扣除溶質(zhì)信號的影響后該樣品的聲 子微分譜的信號強度，為實驗測量的樣品光譜強度，為實驗測量的不含水的溶質(zhì) 光譜強度，胃為實驗測量的去離子水的光譜強度；
[0016] 5)根據(jù)非對稱禪合雙振子氨鍵理論W及頻率和氨鍵分段長度及能量的關(guān)系初步 分析受激氨鍵弛豫情況：
[0017] 在聲子微分譜中出現(xiàn)X軸W上的譜峰，則表示待測樣品相對于純水而言，外界激 勵（如加熱、濃度、外加電場、磁場等等）引起對應(yīng)水的特征增加，而如果出現(xiàn)X軸W下的波 谷，則表示外界激勵引起對應(yīng)水的特征減少；聲子微分譜譜峰和波谷的面積值代表外界激 勵引起的特征強度增加和減弱的程度；
[0018] 通過計算聲子微分譜中聲子頻移，直接確定待測樣品中0:H非鍵和H-0共價鍵鍵 能和鍵長的變化趨勢：如果H-0共價鍵或0:H非鍵頻移為正，則表示該分段頻率升高，對應(yīng) 的鍵長變短，鍵能增大；反之亦然；
[0019] 計算聲子微分譜峰寬，該值表示水的極化程度；
[0020] 二、配位選區(qū)聲子微分計量譜分析：
[0021] 1)在上述聲子微分計量譜分析的基礎(chǔ)上，將歸一化處理后的參考譜和樣品譜的 2800-3800cm1頻段分解成Ξ個高斯峰，分別對應(yīng)于塊體水組分、水合層組分和H-0懸鍵組 分；
[0022] 2)用樣品譜的Ξ個高斯峰分別減去參考譜的相應(yīng)組分高斯峰，得到配位選區(qū)聲子 微分譜；
[0023] 3)根據(jù)非對稱禪合雙振子氨鍵理論W及頻率和鍵長度和能量的關(guān)系分析各組分 中受激氨鍵弛豫情況：
[0024] 當樣品譜的某一高斯峰相對于參考譜相應(yīng)高斯峰藍移，則表示對應(yīng)組分中氨鍵鍵 長變短，鍵能增大，反之亦然；且可通過頻率變化值計算對應(yīng)組分中氨鍵鍵長、鍵能的變化 量，公式如（2)所示；
[00巧]計算配位選區(qū)聲子微分譜中半峰寬的變化，表示對應(yīng)組分的極化程度；
[0026] 當配位選區(qū)聲子微分譜中X-軸上方出現(xiàn)波峰，則表示樣品中該組分增加；
[0027] 計算波峰積分面積變化量，表示外界激勵引起的該組分聲子豐度變化的程度；
[0028] 當配位選區(qū)聲子微分譜中X-軸下方出現(xiàn)波谷，則表示樣品中該組分減少；計算波 谷積分面積變化量，表示外界激勵引起的該組分聲子豐度變化的程度。
[0029] 上述技術(shù)方案所基于的理論依據(jù)如下：
[0030] 氨鍵化H-0)協(xié)同弛豫
[0031] 目前的研究進展（Huang,Y. ,etal. ,Hy化ogen-bondrelaxationdynamics:Reso Ivingmysteriesofwaterice.CoordinationChemistry民eviews, 2015. 285:p. 109-165 .)表明，在外界擾動作用下氨鍵的協(xié)同弛豫決定了氨鍵的特性，如適應(yīng)性、協(xié)同性、記憶性、 可恢復性W及靈敏度。運些可W解釋冰水的反常物理性質(zhì)。圖2(a)中，氨鍵（0:H-0)近似 成一個非對稱禪合雙振子，其中包括0-0之間的庫倫排斥W及〇:H非鍵（范德瓦爾斯作用， 在圖左）和H-0共價鍵短程相互作用（圖右）。由于庫倫斥力，在外部刺激下兩個氧原子都 將沿著氨鍵W相對于坐標原點相同的方向偏離原來的位置，但是位移量不同（圖2(b))。 〇:H-〇兩段的差異性使得0:H非鍵部分弛豫量總是比H-0更多。Z0:H-0鍵角弛豫影響氨鍵 的空間構(gòu)型，但是對鍵長和鍵能的影響不大。圖2(c)是氨鍵拉伸模和彎曲模的光譜信息， 其源于氨鍵的傅里葉變換而與實空間的分布無關(guān)，圖中由上至下依次為傅里葉紅外吸收光 譜、拉曼散射光譜和中子衍射光譜（Aswani,R.andJ.C.Li,Anewapproachtopairwise potentialsforwater-waterinteractions.JournalofMolecularLiquids,