Tính toán phổ dao động của D-Glucose bằng phương pháp DFT

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ THỦY TÍNH TOÁN PHỔ DAO ĐỘNG CỦA D-GLUCOSE BẰNG PHƯƠNG PHÁP DFT LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Hà Nội - 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ THỦY TÍNH TOÁN PHỔ DAO ĐỘNG CỦA D-GLUCOSE BẰNG PHƯƠNG PHÁP DFT Chuyên ngành : Quang học Mã số : 60440109 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. HOÀNG CHÍ HIẾU Hà Nội - 2015 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới: Thầy giáo TS.Hoàng Chí Hiếu người đã trực tiếp chỉ bảo tận tình, giúp đỡ em trong suốt thời gian học tập và hoàn thành luận văn này. Đồng thời, em rất cảm kích trước sự ủng hộ và giúp đỡ nhiệt tình của TS.Nguyễn Tiến Cường và ThS.Nguyễn Văn Thành đã chỉ bảo cho em về một số phần mềm và những vướng mắc trong quá trình làm việc. Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới tất cả các Thầy Cô, Tập thể cán bộ Bộ môn Vật lý quang, cùng toàn thể người thân, gia đình và bạn bè đã giúp đỡ, động viên để em có thể hoàn thành luận văn này. Qua đây, em cũng chân thành gửi lời cảm ơn đến các Thầy Cô trong Khoa Vật lý đã dạy bảo và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn của em. Hà Nội, ngày 05 tháng 02 năm 2015 Học viên cao học Nguyễn Thị Thủy MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP DFT 3 1.1. Giới thiệu về lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) 3 1.1.1. Bài toán của hệ nhiều hạt 4 1.1.2. Ý tưởng ban đầu về DFT: Thomas-Fermi và các mô hình liên quan 5 1.1.3. Các định lý Hohenberg-Kohn 10 1.1.4. Giới thiệu về orbital và hàm năng lượng Kohn-Sham 15 1.1.5. Phiếm hàm gần đúng mật độ địa phương (LDA – Local Density Approximation) 17 1.1.6. Phương pháp gần đúng gradient suy rộng (GGA) 18 1.1.7. Mô hình lý thuyết phiếm hàm mật độ trong Dmol 3 . 18 1.2.2. Nguồn gốc và cấu trúc phổ Raman 23 1.2.3. Các nguyên tắc chọn lọc cho phổ Hồng ngoại và phổ Raman 24 1.2.4. Sự dao động của phân tử 2 nguyên tử 30 1.2.5. So sánh phổ Raman và phổ Hồng ngoại 37 1.2.6. Ứng dụng của phương pháp phân tích phổ Raman 39 CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN 40 2.1. Tổng quan về Glucose. 40 2.1.1. Các phân tử Sacchride 40 2.1.2. Glucose 41 2.1.2.1. Định nghĩa 41 2.1.2.2. Trạng thái tự nhiên 41 2.1.2.3. Tính chất Vật lý 41 2.1.3. Công thức cấu tạo 42 2.1.4. Tính chất hóa học 44 2.1.5. Điều chế và ứng dụng 48 2.1.5.1. Điều chế 48 2.1.5.2. Ứng dụng 49 2.1.6. Tầm quan trọng của Glucose trong đời sống 49 2.1.7. Một số nghiên cứu quang phổ học dao động của Glucose 50 2.2. Phương pháp tính toán 55 2.3. Mô hình và các thông số tính toán 56 2.3.1 Cấu trúc phân tử của D-Glucose 56 2.3.2 Cấu trúc phân tử của H 2 O 59 2.3.3 Xây dựng mô hình D-Glucose có thêm phân tử H 2 O để nghiên cứu ảnh hưởng của H 2 O lên phổ Raman của D-Glucose. 60 CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 64 3.1 Đặc trưng phổ Raman của và D-Glucose 64 3.1.1 Vùng phổ từ 0 – 1700 cm -1 . 65 3.1.2 Vùng phổ từ 2700–3200cm -1 67 3.1.3 Vùng phổ từ 3300–3900cm -1 68 3.2 Đặc trưng phổ Raman của phân tử H 2 O 70 3.3 Ảnh hưởng của H 2 O lên phổ Raman của D-Glucose. 71 3.3.1 Ảnh hưởng của H 2 O lên phổ Raman của D-Glucose trong khoảng tần số lân cận 1600cm -1 . 71 3.3.2 Ảnh hưởng của H 2 O lên phổ Raman của D-Glucose trong khoảng tần số 3600cm -1 – 3800cm -1 . 76 CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 i DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Các phiếm hàm GGA được sử dụng trong chương trình Dmol 3 19 Bảng 2.1: Các đỉnh dao động của D-Glucose khô trong vùng CH 55 Bảng 2.2: Các thông số về khoảng cách và góc liên kết của D-Glucose và D- Glucose khi đã tối ưu. 59 Bảng 2.3: Mô hình và các thông số về khoảng cách, góc liên kết của H 2 O khi đã tối ưu. 59 Bảng 3.1: Các mode dao động và loại dao động tương ứng của và D-Glucose trong khoảng từ 0 – 1700cm -1 . 66 Bảng 3.2: Các mode dao động và loại dao động tương ứng của và D-Glucose trong khoảng từ 2700 – 3200cm -1 . 68 Bảng 3.3: Các mode dao động và loại dao động tương ứng của và D-Glucose trong khoảng từ 3300 – 3900cm -1 . 70 Bảng 3.4: Các mode dao động và loại dao động tương ứng của H 2 O. 71 Bảng 3.5: Sự thay đổi số sóng của D-Glucose khi chưa có phân tử H 2 O và khi đã có một phân tử H 2 O, hai phân tử H 2 O trong khoảng lân cận 1600cm -1 . 72 Bảng 3.6: Sự thay đổi số sóng của D-Glucose khi chưa có phân tử H 2 O và khi đã có một phân tử H 2 O, hai phân tử H 2 O trong khoảng lân cận 1600cm -1 . 74 Bảng 3.7: Sự thay đổi số sóng của D-Glucose khi chưa có phân tử H 2 O và khi đã có một phân tử H 2 O, hai phân tử H 2 O trong khoảng lân cận 3600 - 3800cm -1 . 76 Bảng 3.8: Sự thay đổi số sóng của D-Glucose khi chưa có phân tử H 2 O và khi đã có một phân tử H 2 O, hai phân tử H 2 O trong khoảng lân cận 3600 - 3800cm -1 . 78 ii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 : Sự khác nhau về cơ chế giữa phổ Raman và phổ hồng ngoại 23 Hình 1.2: Các mode dao động chuẩn tắc của phân tử CO 2 (+ và – ký hiệu tương ứng cho các dao động tới và lui theo hướng vuông góc với mặt phẳng giấy 25 Hình 1.3: Sự thay đổi moment lưỡng cực của phân tử H 2 O trong suốt mỗi quá trình dao động chuẩn tắc 26 Hình 1.4: Sự phân cực của một phân tử gồm hai nguyên tử dưới tác động của điện trường 26 Hình 1.5: Sự thay đổi của các ellipsoid phân cực trong suốt quá trình dao động của phân tử CO 2 28 Hình 1.6: Sự khác nhau giữa dao động ν 1 và ν 3 trong phân tử CO 2 29 Hình 1.7: Sự thay đổi của các ellipsoid phân cực trong suốt quá trình dao động chuẩn tắc của phân tử H 2 O 29 Hình1.8: Các mức năng lượng của phân tử 2 nguyên tử 30 Hình 1.9: Dao động của phân tử 2 nguyên tử 31 Hình 1.10: Biểu đồ thế năng của một dao động điều hòa 32 Hình 1.11: Hàm sóng(trái ) và các phân bố xác suất phải của dao động tử điều hòa 34 Hình 1.12: Đường cong thế năng cho một phân tử hai nguyên tử. Đường cong nét liền cho thấy thế năng Morse xấp xỉ với thế năng thực tế. Đường nét đứt là đường cong thế năng cho dao động điều hòa. và là năng lượng phân ly theo lý thuyết và quang phổ. 35 Hình 2.1: Công thức cấu tạo của Glucose 42 Hình 2.2: Công thức cấu tạo dạng mạch hở của Glucose 42 Hình 2.3: Công thức cấu tạo mạch vòng của Glucose 43 Hình 2.4: Sự chuyển hóa qua lại giữa Glucose và Glucose. 44 Hình 2.5: Công thức cấu tạo của D-Glucose và L-Glucose. 44 Hình 2.6: Sơ đồ quá trình lên men rượu. 47 iii Hình 2.7: Sơ đồ quá trình lên men Axit Lactic. 49 Hình 2.8: Phổ Raman của dung dịch D-Glucose với nồng độ 22% và 50% theo Mathlouthi và Luu 51 Hình 2.9: Phổ FT-Raman của dung dịch α-D-Glucose “khô” và “ướt” theo Joanna Goral 52 Hình 2.10: Phổ FT-Raman của dung dịch β-D-Glucose “khô” và “ướt”theo Joanna Goral 53 Hình 2.11: Phổ FT-IR của D-Glucose khô trong vùng CH 55 Hình 2.12: Cấu tạo dạng mạch vòng của D-Glucose và D-Glucose. 57 Hình 2.13: Cấu trúc dạng mạch vòng của α-D-Glucose và β-D-Glucose được mô phỏng bằng phần mềm Materials Studio. 57 Hình 2.14: Cấu trúc dạng mạch vòng của α-D-Glucose và β-D-Glucose được mô phỏng bằng phần mềm Materials Studio khi đã tối ưu. 58 Hình 2.15: a. Đồ thị năng lượng của quá trình tối ưu hóa mô hình D-Glucose. b. Đồ thị năng lượng của quá trình tối ưu hóa mô hình D-Glucose 58 Hình 2.16: a. D-Glucose trạng thái HOMO b. D-Glucose trạng thái LUMO c. D-Glucose trạng thái HOMO d. D-Glucose trạng thái LUMO e. H 2 O trạng thái HOMO f. H 2 O trạng thái LUMO 61 Hình 2.17: Các vị trí đặt phân tử H 2 O vào mô hình đã được tối ưu của D- Glucose. 62 Hình 2.18: Các vị trí đặt phân tử H 2 O vào mô hình đã được tối ưu của D- Glucose. 62 Hình 3.1: a. Phổ Raman của α-D-Glucose trong khoảng tần số từ 0–4000 cm -1 . b. Phổ Raman của β-D-Glucose trong khoảng tần số từ 0–4000 cm -1 . 65 Hình 3.2: a. Phổ Raman của D-Glucose trong khoảng tần số 0 – 1700cm -1 . b. Phổ Raman của D-Glucose trong khoảng tần số 0 – 1700cm -1 . 66 Hình 3.3: a. Phổ Raman của D-Glucose trong khoảng tần số 2700 - 3200 cm -1 . b. Phổ Raman của D-Glucose trong khoảng tần số 2700 - 3200 cm -1 . 68 Hình 3.4: a. Phổ Raman của D-Glucose trong khoảng tần số 3300 - 3900 cm -1 . iv b. Phổ Raman của D-Glucose trong khoảng tần số 3300 - 3900 cm -1 . 69 Hình 3.5: Phổ Raman của phân tử H 2 O 70 Hình 3.6: Phổ Raman thu được của D-Glucose trong khoảng lân cận 1600cm -1 a. Khi chưa có H 2 O b. Khi có 1 H 2 O ở vị trí 1 c. Khi có 1 H 2 O ở vị trí 2 d. Khi có 2 H 2 O 72 Hình 3.7: Phổ Raman thu được của D-Glucose trong khoảng lân cận 1600cm -1 a. Khi chưa có H 2 O b. Khi có 1 H 2 O ở vị trí 1 c. Khi có 1 H 2 O ở vị trí 2 d. Khi có 2 H 2 O 73 Hình 3.8: Cấu hình của D-Glucose trước và sau khi tính toán. 75 Hình 3.9: Cấu hình của D-Glucose trước và sau khi tính toán. 76 Hình 3.10: Phổ Raman thu được của D-Glucose trong khoảng 3600 - 3800cm -1 a. Khi chưa có H 2 O b. Khi có 1 H 2 O ở vị trí 1 c. Khi có 1 H 2 O ở vị trí 2 d. Khi có 2 H 2 O 77 Hình 3.11: Phổ Raman thu được của D-Glucose trong khoảng 3600 - 3800cm -1 a. Khi chưa có H 2 O b. Khi có 1 H 2 O ở vị trí 1 c. Khi có 1 H 2 O ở vị trí 2 d. Khi có 2 H 2 O 78 v CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT : Lượng điện tích chuyển từ các phân tử từ tính sang phân tử phi từ AO: Quỹ đạo nguyên tử (Atomic orbital) DFT: Lý thuyết phiếm hàm mật độ (Density functional theory) : Tổng năng lượng : Ái lực điện tử của phân tử phi từ : Năng lượng liên kết giữa các phân tử : Năng lượng của trạng thái singlet : Năng lượng của trạng thái triplet : Năng lượng tương quan trao đổi HOMO: Quỹ đạo phân tử cao nhất bị chiếm (Highest occupied molecular orbital) HS: Spin cao (High spin) : Tham số tương quan trao đổi hiệu dụng : Động năng LS: Spin thấp (Low spin) LUMO: Quỹ đạo phân tử thấp nhất không bị chiếm (Lowest unoccupied molecular orbital) m: Moment từ n: Điện tích MDED: Mật độ biến dạng điện tử (Molecular Deformation Electron Density) MO: Quỹ đạo phân tử (Molecular orbital) S: Tổng spin SOMO: Quỹ đạo bị chiếm bởi một điện tử SE: Tương tác siêu trao đổi (Super Exchange Interaction) DE: Tương tác trao đổi kép (Double Exchange Interaction ) DOS: Mật độ trạng thái (Density Of States) LDA: Phiếm hàm gần đúng mật độ địa phương (Local Density Approximation) GGA: Phương pháp gần đúng gradient suy rộng (Generalized Gradient Approximation) LCAO: Tổ hợp tuyến tính các orbital nguyên tử (Linear Combination of Atomic Orbital) [...]... trúc của D-Glucose sang D-Glucose khi có ảnh hưởng của thành phần H2O lên cấu trúc phân tử D-Glucose đã được phát hiện bằng phương pháp SFG [18] Tuy nhiên, cần có tính toán lý thuyết để làm sáng tỏ những kết luận trên Với mục đích dùng kết quả thu được từ tính toán lý thuyết để làm sáng tỏ những kết quả thực nghiệm trước đó tôi đã thực hiện đề tài: Tính toán phổ dao động của D-Glucose bằng phương pháp. .. hàm sóng của các điện tử chương trình sẽ cho ta biết được các thông tin khác như mật độ điện tử, mật độ điện tích, tính chất quang, phổ phát quang, phổ dao động, năng lượng của phản ứng, mật độ trạng thái và cấu trúc vùng năng lượng… Chúng ta đã biết đến việc nghiên cứu các vật liệu bằng phương pháp phổ dao động như: phổ dao động FT-IR, phổ Raman, phổ tần số tổng…Tuy nhiên tất cả các phương pháp đó... tắc chọn lọc của chúng cũng khác nhau Theo cơ học lượng tử, một dao động hoạt động Hồng ngoại nếu moment lưỡng cực (dipole moment) bị thay đổi trong suốt quá trình dao động và dao động đó được gọi là hoạt động Raman nếu độ phân cực (polarizability) bị thay đổi trong suốt quá trình dao động Hoạt động hồng ngoại của các phân tử nhỏ có thể được xác định bằng bằng việc khảo sát mode của dao động chuẩn tắc... chuẩn tắc) Dao động của phân tử gồm 2 nguyên tử đồng cực là không hoạt động hồng ngoại, còn dao động của phân tử gồm 2 nguyên tử dị cực là hoạt động hồng ngoại Ví dụ: Hình 1.2: Các mode dao động chuẩn tắc của phân tử CO2 (+ và – ký hiệu tương ứng cho các dao động tới và lui theo hướng vuông góc với mặt phẳng giấy Phân tử CO2 gồm 3 nguyên tử Dao động của phân tử CO2 có thể phân tích thành 3 dao động chuẩn... động chuẩn tắc, mỗi dao động chuẩn tắc có một tần số riêng Trong đó, dao động chuẩn tắc tần số ν1 là không hoạt động Hồng ngoại (vì là dao động của 2 nguyên tử đồng cực, moment lưỡng cực không thay đổi trong suốt quá trình dao động) , còn dao động chuẩn tắc tần số ν2 và ν3 là hoạt động Hồng ngoại (vì là dao động của 2 nguyên tử dị cực, moment lưỡng cực thay đổi trong suốt quá trình dao động) (Hình 1.2)... dựa trên lý thuyết DFT có độ chính xác cao trong việc nghiên 1 cứu phổ dao động của các vật liệu [19] Vì vậy, chúng tôi đã sử dụng phương pháp DFT để tính toán phổ dao động của một số vật liệu nhằm giải thích các kết quả thực nghiệm đã thu được trước đó Đối tượng được lựa chọn cho nghiên cứu của tôi là Glucose – một monosaccharide phổ biến và quan trọng nhất, xuất hiện trong rất nhiều các sản phẩm... phương pháp DFT Bố cục của luận văn được sắp xếp như sau: Mở đầu Chương I: Tổng quan về phương pháp DFT Chương II: Phương pháp nghiên cứu và xây dựng mô hình tính toán Chương III: Kết quả và thảo luận Chương IV: Kết luận 2 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP DFT 1.1 Giới thiệu về lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) Trong cơ học lượng tử, để nghiên cứu hệ có N điện tử chúng ta phải đi giải phương trình... độ của vạch tán xạ Rayleigh nhưng lại lớn hơn nhiều so với cường độ các vạch tán xạ đối Stokes 1.2.3 Các nguyên tắc chọn lọc cho phổ Hồng ngoại và phổ Raman [22] a Nguyên tắc chọn lọc cho phổ Hồng ngoại Để xác định một dao động là hoạt động hồng ngoại (IR) hay hoạt động Raman, các quy tắc chọn lọc được sử dụng cho từng loại dao động chuẩn tắc (normal vibration) Do nguồn gốc của phổ Hồng ngoại và phổ. .. triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật, người ta có thể thu được phổ Raman bằng phương pháp biến đổi FT-Raman Các thiết bị FT-Raman được sản xuất lắp ghép với thiết bị FT-IR hay hoạt động độc lập như một thiết bị FT-Raman chuyên dụng 22 1.2.2 Nguồn gốc và cấu trúc phổ Raman Hình 1.1 : Sự khác nhau về cơ chế giữa phổ Raman và phổ hồng ngoại a Phổ hồng ngoại Như ta biết, các dịch chuyển dao động có thể quan... được các mode dao động cụ thể hoặc có sự nhầm lần giữa những cộng hưởng Fermi với các mode động thực tế Do vậy, sự cần thiết của những tính toán lý thuyết trên các cấu trúc được mô phỏng tương tự cấu trúc thực nghiệm sẽ cho ta các phổ dao động để làm sáng tỏ kết quả thực nghiệm Trên thế giới có nhiều nghiên cứu đã chứng tỏ rằng về việc sử dụng phần mềm DMol3 tính toán dựa trên lý thuyết DFT có độ chính . DMol 3 tính toán dựa trên lý thuyết DFT có độ chính xác cao trong việc nghiên 2 cứu phổ dao động của các vật liệu [19]. Vì vậy, chúng tôi đã sử dụng phương pháp DFT để tính toán phổ dao động của. thu được từ tính toán lý thuyết để làm sáng tỏ những kết quả thực nghiệm trước đó tôi đã thực hiện đề tài: Tính toán phổ dao động của D-Glucose bằng phương pháp DFT . Bố cục của luận văn. cứu quang phổ học dao động của Glucose 50 2.2. Phương pháp tính toán 55 2.3. Mô hình và các thông số tính toán 56 2.3.1 Cấu trúc phân tử của D-Glucose 56 2.3.2 Cấu trúc phân tử của H 2 O