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

Nội dung tài liệu: Luận văn Tính toán phổ dao động của D-Glucose bằng phương pháp DFT

1. 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
2. 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
3. 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
4. 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 Dmol3. ............................... 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
5. 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 H2O ........................................................................ 59 2.3.3 Xây dựng mô hình D-Glucose có thêm phân tử H2O để nghiên cứu ảnh hưởng của H2O 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 H2O ..................................................... 70 3.3 Ảnh hưởng của H2O lên phổ Raman của D-Glucose. .................................. 71 3.3.1 Ảnh hưởng của H2O lên phổ Raman của D-Glucose trong khoảng tần số lân cận 1600cm-1. .............................................................................................. 71 3.3.2 Ảnh hưởng của H2O 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
6. DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Các phiếm hàm GGA được sử dụng trong chương trình Dmol3 ........... 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 H2O 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 H2O. ................... 71 Bảng 3.5: Sự thay đổi số sóng của D-Glucose khi chưa có phân tử H2O và khi đã -1 có một phân tử H2O, hai phân tử H2O trong khoảng lân cận 1600cm . 72 Bảng 3.6: Sự thay đổi số sóng của D-Glucose khi chưa có phân tử H2O và khi đã -1 có một phân tử H2O, hai phân tử H2O trong khoảng lân cận 1600cm . 74 Bảng 3.7: Sự thay đổi số sóng của D-Glucose khi chưa có phân tử H2O và khi đã có một phân tử H2O, hai phân tử H2O trong khoảng lân cận 3600 - 3800cm-1. ............................................................................................. 76 Bảng 3.8: Sự thay đổi số sóng của D-Glucose khi chưa có phân tử H2O và khi đã có một phân tử H2O, hai phân tử H2O trong khoảng lân cận 3600 - 3800cm-1. ............................................................................................. 78 i
7. 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 CO2 (+ 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 H2O 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 CO2 .................................................................................................................................. 28 Hình 1.6: Sự khác nhau giữa dao động ν1 và ν3 trong phân tử CO2 .................................... 29 Hình 1.7: Sự thay đổi của các ellipsoid phân cực trong suốt quá trình dao động chuẩn tắc của phân tử H2O .................................................................. 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 ii
8. 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. H2O trạng thái HOMO f. H2O trạng thái LUMO .............. 61 Hình 2.17: Các vị trí đặt phân tử H2O vào mô hình đã được tối ưu của D- Glucose. .............................................................................................. 62 Hình 2.18: Các vị trí đặt phân tử H2O 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. iii
9. -1 b. Phổ Raman của D-Glucose trong khoảng tần số 3300 - 3900 cm . ......... 69 Hình 3.5: Phổ Raman của phân tử H2O ..................................................................... 70 Hình 3.6: Phổ Raman thu được của D-Glucose trong khoảng lân cận 1600cm-1 a. Khi chưa có H2O b. Khi có 1 H2O ở vị trí 1 c. Khi có 1 H2O ở vị trí 2 d. Khi có 2 H2O ....................................... 72 Hình 3.7: Phổ Raman thu được của D-Glucose trong khoảng lân cận 1600cm-1 a. Khi chưa có H2O b. Khi có 1 H2O ở vị trí 1 c. Khi có 1 H2O ở vị trí 2 d. Khi có 2 H2O ....................................... 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 H2O b. Khi có 1 H2O ở vị trí 1 c. Khi có 1 H2O ở vị trí 2 d. Khi có 2 H2O ....................................... 77 Hình 3.11: Phổ Raman thu được của D-Glucose trong khoảng 3600 - 3800cm-1 a. Khi chưa có H2O b. Khi có 1 H2O ở vị trí 1 c. Khi có 1 H2O ở vị trí 2 d. Khi có 2 H2O ....................................... 78 iv
10. 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) v