盐溶液，有机物水溶液及其混合溶液的微观结构定量拉曼光谱研究

In this proposal we employ Raman spectroscopy and the novel division spectra analysis method to quantificationally study the micro-structure of aqueous salts, organic compounds and their mixtures. Firstly, we use the division spectra to analyze the Raman spectra in the OH stretching region of various aqueous salts, and the characteristic Raman spectra of the salts, from the analysis we can quantificationally obtain the number of the water molecules in the first hydration shell of salts and their spatial arrangements, the structure and concentration of ion pairs, further more we analysis the effects to the microstructrue by temperature, concentration and the electric fields. Secondly, we apply the division spectra to analyze the Raman spectra in the OH stretching region of various aqueous organic compounds, and the fingerprint region of the spectra of these compounds, according the analysis we can quantificationally obtain the the number of water molecules around the the organic compounds and the spatial arrangements, further we analysis the effect to the microstructure by the concentration and the temperature. Thirdly, we use the division spectra to analyze the raman spectra of salts/organic compounds/water mixtures, we can quantificationally obtain the arrangments of the water molecules around the solutes and other micro-structrue, and the effect to the structure by temperature and concentration will be analyzed. Through this proposal, we hope we can understand the microscopic physical chemical pictures of these aqueous solutions.

本项目拟使用拉曼光谱和新颖的拉曼光谱除谱分析手段定量地研究盐溶液，有机物水溶液及其混合物的微观结构。第一，使用拉曼光谱除谱分析各种盐水溶液的OH伸缩振动段拉曼光谱，再结合盐本身的特征拉曼光谱，定量的给出水分子在第一水合层中的数目及其排列情况，离子对的结构和浓度，进一步分析温度，浓度，电场对这些微观结构的影响。第二，使用拉曼光谱除谱分析各种有机物水溶液的OH伸缩振动谱段的拉曼光谱，再结合有机物特征的偏振拉曼光谱，定量的给出有机物周围水分子的数目和排列情况，非均匀溶解结构，进一步分析浓度，温度对这些微观结构的影响。第三，使用拉曼光谱除谱分析盐/有机物/水混合溶液的OH伸缩振动段拉曼光谱，再结合其它谱段光谱，定量的给出水分子在这些溶质周围的排列情况等微观结构，分析它们复杂的相互作用。通过本项目，希望最终能够给出盐溶液，有机物水溶液及其混合溶液的微观物理化学图像。

由于水溶液无处不在，同时生命完全依赖于水溶液，但是目前对于水溶液的微观结构和动力学依旧有很多基本问题并不清楚，尤其是对于其中的一些定量信息极度缺乏。本项目利用自己提出的拉曼光谱除谱新方法针对无机盐溶液，有机物水溶液，极其混合溶液中的定量微观结构做了研究。在研究中我们取得了下面的一些进展：第一，我们首次提出了拉曼除谱新方法，利用该方法我们可以获得无机盐水溶液中阴离子的第一水合层中水分子数目，我们测量了一些常见阴离子在极稀溶液下的水和层水分子数目；第二，我们还发现这个拉曼除谱新方法也适用于有机物中含氧原子的第一水合层结构，我们测量了丙酮，乙醚，四氢呋喃等的氧原子第一水合层光谱和水分子数目；第三，我们通过这个拉曼除谱测量了各浓度范围内的无机盐溶液，我们发现在极稀溶液下依旧有离子对的证据，也探讨了这些离子对随浓度的变化；第四，我们通过这个拉曼除谱测量了丙酮水溶液在各浓度下的光谱，我们首次给出了在全浓度范围内，丙酮水合层的光谱及微观结构；第五，我们通过测量不同温度下无机盐水溶液的除谱，我们首次获得了阴离子与水分子相互作用能，我们发现在这些相互作用能符合Hoffmeister系列，这为解释Hoffmeister序列提供了一些数据；第六，我们通过拉曼除谱获得的阴离子水合层随温度变化的光谱，我们首次提供了在非两体模型下，光谱中依旧会有不变点的实验证据；第七，我们利用拉曼除谱还分析了蛋白质水溶液，发现拉曼除谱可以获得水溶液中蛋白质的amide A谱带，这是首次在水溶液中获得该谱带；第八，我们测量了溶菌酶的热变性和化学变性过程中的拉曼光谱，我们首次提出需要协同的分析所有的光谱谱峰，我们发现这些谱峰的参数随着条件变化并不完全一致，这个数据提供了热变性和化学变性的多步骤的机理，这些机理的细节和分子动力学模拟一致；第九，我们将拉曼除谱方法拓展到紫外可见吸收光谱领域，首次发现了该方法也可以很有效的解析紫外可见吸收光谱的高度重叠问题，我们利用该方法分析了氯化铜水溶液的微观结构，首次获得含三个氯离子的离子对的实验证据，除此之外，我们还分析了有机物在水溶液中的构象研究等。这些研究将会对这些溶液的微观结构和动力学的认识有所帮助，更重要的是在这个研究过程中我们提出了除谱分析新方法。