文档介绍：博士学位论文
β-胡萝卜素的高压稳态和超快光谱研究
STEADY-STATE AND ULTRAFAST
SPECTROSCOPY OF β-CAROTENE UNDER HIGH
PRESSURE
刘伟龙
2009 年 6 月
国内图书分类号: 学校代码:10213
国际图书分类号:535 密级:公开
理学博士学位论文
β-胡萝卜素的高压稳态和超快光谱研究
博士研究生:刘伟龙
导师:苏文辉教授
副导师:郑植仁教授
申请学位:理学博士
学科:光学
所在单位:物理系
答辩日期:2009 年 6 月
授予学位单位:哈尔滨工业大学
Classified Index:
: 535
Dissertation for the Doctoral Degree in Science
STEADY-STATE AND ULTRAFAST
SPECTROSCOPY OF β-CAROTENE UNDER HIGH
PRESSURE
Candidate: Liu Weilong
Supervisor: Prof. Su Wenhui
Associate Supervisor: Prof. Zheng Zhiren
Academic Degree Applied for: Doctor of Science
Speciality: Optics
Affiliation: Dept. of Physics
Date of Defence: June, 2009
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
摘要
摘要
类胡萝卜素是自然界中最丰富的天然色素之一,广泛存在于包括人类在内
的生物有机体内,在光合作用、预防人类疾病等方面起重要作用。人们采用稳
态光谱、时间分辨超快光谱以及理论方法对类胡萝卜素的激发态能级结构及其
动力学特性进行了广泛的研究,为探索类胡萝卜素的光物理和光化学功能的机
制提供了重要信息。然而,这方面尚有一些不清楚的问题,如某些中间电子态
或振动态是否存在、其弛豫过程如何,以及外界环境对各电子态和振动态能级
及其弛豫过程有何影响等。这些问题导致人们还不能准确地了解类胡萝卜素在
自然界中发挥其重要生物功能的物理机制。
本文认为将高压极端条件与常规的光谱学手段相结合是解决上述问题的有
效方法。由于高压条件可以放大分子间相互作用,所以研究高压条件下的稳态
吸收和拉曼光谱,能够深入探讨环境因素对类胡萝卜素的电子态和振动态能级
的影响;由于某些不同起源的光谱成分在高压下呈现不同的变化规律,所以进
行高压条件下的时间分辨超快光谱研究会使某些常压条件下不易区分的过程变
得易于区分和指认,从而有望澄清类胡萝卜素激发态动力学研究中的一些不易
解决的问题。基于上述思想,本文选择常压条件下类胡萝卜素家族中研究成果
最为丰富的β-胡萝卜素(β-carotene)为研究对象,研究了其高压稳态及飞秒
时间分辨瞬态吸收光谱,同时进行了相应的理论分析。本文的研究成果揭示了
影响类胡萝卜素稳态及超快光谱特征的内在和外在因素,提出了新的激发态能
量弛豫路径,为深入探讨类胡萝卜素在自然界中发挥其生物功能的物理机制提
供了重要依据。
为了给高压实验结果的分析提供必要的基础,本文首先研究了常压条件下
β-carotene 吸收光谱的溶剂效应。实验测得了β-carotene 在 32 种溶剂中的吸收
光谱,用多模时域公式对光谱进行了分析。结果表明,β-carotene 吸收光谱的
0-0 带能量和带宽受溶剂极化率影响较大,受溶剂极性影响较小,溶剂极性对
带宽的影响比对 0-0 带能量的影响大得多。除了溶剂极性和极化率等参数之
外,溶剂分子的大小和运动状态等微观因素也是影响吸收光谱的原因。
随后进行了高压条件下β-carotene 在正己烷和二硫化碳溶液中的稳态吸收
和拉曼光谱研究。在二硫化碳溶液中,β-carotene 吸收光谱随压力的红移和展
宽程度都比正己烷溶液中的大,这是由于二硫化碳中溶质溶剂之间的色散相互
作用对压力更敏感。为了解释不同溶剂中β-carotene 分子 S0→S2 的跃迁偶极矩
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哈尔滨工业大学理学博士学位论文
随压力变化趋势相反的实验结果,提出有效溶剂分子模型,这一