核自旋诱导的新磁光效应及金属卟啉激发态的理论研究

摘要

核磁共振谱(NMR)和核磁共振成像(MRI)是极其重要的分子结构检测和医学诊断技术;但是NMR和MRI发现至今，一直沿用六十多年前提出的核磁感应概念和方法。2006年开始报道一种新核磁共振信号检测方法，提出核自旋诱导的磁光效应(NSOR)，即线偏振光在液体分子的预极化核磁矩诱导下发生旋光。但是NSOR一直缺乏解析理论，根据Buckingham等人的极化率理论和法拉第效应理论，我们推导了核自旋诱导法拉第效应(NSOFR)的解析公式。根据外磁场Cotton-Mouton效应理论，我们首次提出并理论研究了核自旋诱导的新Cotton-Mouton效应(IBCM)。这两种核自旋诱导的磁光效应都与分子的结构信息密切相关，可能发展成为综合NMR和光学光谱的新分析技术。此外，金属卟啉是长期受关注的热点之一，但对其激发态的结构与光谱的量子化学研究还较少，我们用密度泛函理论(DFT)对金属卟啉第一激发单重态的姜-泰勒构型畸变问题进行了理论研究。
　　 第一章简述了核自旋诱导的新磁光效应及金属卟啉激发态的结构与光谱相关的基本知识，包括核磁共振原理、分子极化率、旋光效应、计算量子化学基础，并介绍了本论文的研究背景及意义。
　　 第二章研究了预极化核自旋与入射光平行时产生的核自旋诱导法拉第效应(NSOFR)。基于Buckingham等人的核磁矩诱导的反对称极化率理论和外磁场引起的法拉第效应理论，得出了圆柱体样品中抗磁性饱和分子的NSOFR的解析理论表达式，它包括分子内和分子间的核与电子之间的超精细作用(hfi)诱导产生的两部分贡献。分子内超精细作用的贡献分为轨道角动量项、费米接触项和自旋偶极作用项;对于抗磁性饱和闭壳层分子，轨道角动量项对分子内贡献起决定作用;但是对于含重原子(如Xe，Hg等)的分子，费米接触项是非常重要的。用新导出的NSOFR公式和普通法拉第效应实验中获取的维尔德(Verdet)常数，分别计算了水、液态的己烷、环己烷、甲醇、和气态氢中质子1H产生的NSOFR。水的计算值与实验值相吻合。预言三种碳氢化合物的NSOFR也跟水有相同数量级，符合其后的实验结果。本章得出核自旋诱导法拉第效应的解析理论，我们新导出的分子间hfi贡献项，跟分子内hfi贡献项同数量级，相关工作为国际同行多篇论文肯定。
　　 第三章研究了极化核自旋和外磁场同时存在，并都与入射光垂直时产生的Cotton-Mouton效应。它包含三项:磁场B引起磁致双折射(Cotton-Mouton效应);核自旋-自旋耦合张量引起的Cotton-Mouton效应(NSCM);第三项是我们新发现项，它是强直流磁场和核磁矩交叉效应诱导的新核自旋诱导Cotton-Mouton效应(IBCM)。我们基于Buckingham和Pople的磁致双折射理论推导出了IBCM的解析表达式。它包含温度无关项和相关项，后者与各向异性极化率和各向异性磁屏蔽的乘积成正比。对于强各向异性极化率和各向异性磁屏蔽分子的IBCM，温度相关项起决定作用，估算结果与NSOFR强度相近。在多光程实验方法中，根据时间反演对称性推论:IBCM可以将被消除，但是NSOFR被增强。此外，我们推演了同时存在法拉第效应和Cotton-Motton效应时的旋光总表达式。由于与各向异性极化率和各向异性磁屏蔽直接相关，本章提出的IBCM有可能成为一种新的分子结构分析手段。
　　 第四章用密度泛函理论(DFT)模拟计算了第三章得出的新Cotton-Mouton效应(IBCM)。对于非球形分子，温度相关项是主要的，只需用量化方法计算频率依赖各向异性极化率和各向异性磁屏蔽，就能根据公式得出IBCM。采用不同DFT算法和基组的计算结果与C6F6的实验数据作对比，优选了合适平面分子的算法和基组。计算了系列金属卟啉的IBCM，计算结果表明平面共轭分子有较大的各向异性极化率，从而具有与NSOFR相近量级的新Cotton-Mouton效应，有可能通过实验测得。此外，我们发现IBCM具有类似于共振拉曼的电子共振效应，当入射光接近共振激发波长时，IBCM的强度会急剧上升。本章用量子化学方法计算了金属卟啉的核自旋诱导新Cotton-Mouton效应(IBCM);发现IBCM旋光强度存在共振增强效应，有可能提供关于分子激发态的信息。
　　 第五章用密度泛函理论研究了系列锌卟啉配合物(ZnP, ZnTBP, ZnPc，ZnTAP)的基态、第一激发单重态(S1态)、第一激发三重态(T1态)的结构与光谱性质。通过与时间分辨共振拉曼实验数据对比，现有的量子化学方法对激发态结构与光谱计算结果是可信的;计算结果表明ZnP的S1态结构确实存在很弱的动态姜-泰勒效应。理论和计算结果都表明:由于ZnP的HOMO和HOMO-1轨道近简并，S1态具有强组态相互作用，姜-泰勒畸变很弱;T1态由于交换作用，几乎不存在组态相互作用，所以畸变较强。有关结果有助于解决长期以来关于金属卟啉第一激发单重态是否存在姜-泰勒畸变的争议。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 核磁共振

1．2．1 核磁矩

1．2．2 化学位移，自旋-自旋耦合

1．3 分子极化率

1．3．1 频率依赖极化率

1．3．2 拉曼散射原理

1．3．3 介电常数ε和折射率n

1．3．4 外磁场及核磁矩诱导的极化率

1．4 旋光效应

1．4．1 圆双折射的旋光角

1．4．2 自然旋光原理

1．4．3 法拉第效应(Faraday effect)

1．4．4 核自旋诱导的光学法拉第效应(NSOFR)

1．4．5 科顿-莫顿效应(Contton-Mouton effect)

1．4．6 核自旋诱导的Contton-Mouton效应(NSCM)

1．5 计算量子化学基础

1．5．1 Hartree-Fock方法

1．5．2 组态相互作用方法(CI)

1．5．3 多体微扰理论

1．5．4 耦合簇理论

1．5．5 密度泛函理论(DFT)

1．5．6 含时密度泛函理论(TDDFT)

1．5．7 基组(basis sets)

1．5．8 振动光谱理论

1．6 论文研究背景、进展及意义

1．6．1 核自旋诱导的新磁光效应研究的背景、进展和意义

1．6．2 金属卟啉的研究背景与意义

参考文献

第二章 液体中核自旋诱导的Faraday效应的解析理论

2．1 引言

2．2 理论

2．2．1 分子内和分子间超精细作用诱导的反对称极化率α’(I)xyz和α’(B)xyz

2．2．2 预极化核磁矩产生的磁场和对NSOR的贡献Φ(B)

2．2．3 分子内超精细作用对NSOR的贡献Φ(I)

2．3 液体样品NSOR的计算

2．3．1 预极化水中1H的NSOR

2．3．2 液态预极化饱和碳氢化合物的1HNSOR

2．3．3 标准状态下预极化H2气的1H的NSOR

2．3．4 讨论

2．4 结论

附录

参考文献

第三章 强直流磁场下液体的核自旋诱导的新Cotton-Mouton效应

3．1 引言

3．2 理论

3．2．1 在强直流磁场B下，含预极化核磁矩m(I)z的分子的极化

3．2．2 核自旋诱导的光学Cotton-Mouton效应

3．2．3 Φ(IB)C-M的量级估算

3．3 讨论

3．3．1 核自旋诱导光学旋转和时间反演对称性

3．3．2 从NSOR中分离出新的NSCM效应Φ(IB)C-M

3．3．3 分子间相互作用对Φ(IB)C-M的影响

3．4 结论

附录

参考文献

第四章 核自旋诱导的新Cotton-mouton效应的DFT计算研究

4．1 引言

4．2 理论

4．3 IBCM的密度泛函理论研究

4．3．1 频率依赖各向异性极化率Δα(0)计算

4．3．2 原子核的各向异性磁屏蔽Δσ(I)计算

4．3．3 IBCM效应Φ(IB)C-M的计算

4．4 结论

参考文献

第五章 金属卟啉激发态构型畸变的理论研究

5．1 引言

5．2 计算方法

5．3 结果和讨论

5．3．1 ZnP基态

5．3．2 ZnP第一激发单重态(S1)的构型畸变

5．3．3 ZnP第一激发三重态(T1)的构型畸变

5．3．4 ZnP光谱分析

5．3．5 ZnPc、ZnTAP、ZnTBP的S1态构型畸变

5．4 结论

参考文献

在读期间发表的学术论文和参加的学术会议

致谢