温度对β胡萝卜素光学质的影响(设计).pdf
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1、温度对B胡萝卜素光学质的影 响(设计)目录摘 要Abstract第一章绪论.0第一节类胡萝卜素的基本概念及其研究意义.01.1 类胡萝卜素的基本概念及其特点.01.2 类胡萝卜素的研究现状.2第二节分子光谱在类胡萝卜素研究中的作用.42.1紫外-可见吸收光谱.42.2激光拉曼光谱.6第二章分子的光谱.7第一节分子的紫外-可见吸收光谱.71.1 辐射跃迁的选择定则和吸收强度.71.2 类胡萝卜素分子的紫外-可见吸收光谱.9第二节分子的拉曼光谱.112.1散射理论.112.2拉曼散射的经典解释.122.3拉曼散射的量子解释.162.4类胡萝卜素分子的拉曼光谱.21第三章温度对B胡萝卜素拉曼光谱的影
2、响.23第一节引言.23第二节实验部分.25第三节实验结果与分析.243.1 温度对B胡萝卜素紫外一可见吸收光谱的影响.243.2 温度对B胡萝卜素拉曼光谱的影响.28结论.36致谢.36参考文献.36摘 要我们知道,类胡萝卜素作为多烯类生物分子的一种,是自然界中天然存在的 最丰富色素之一,而且广泛存在于涵盖人体在内的众多生物有机体内,在预防人类疾 病、光合作用等方面起至关重要的作用。番茄红素、B胡萝卜素和角黄素是类胡萝卜 素中最受人们关注和研究的三种类胡萝卜素。其中,B胡萝卜素在生物光合作用中有 采集、转移光能等功能;番茄红素有着预防癌症和人类老化的功能,更是物理学、化 学和生物学研究的热点
3、之一。它们都是具有共甄双键结构的多烯类生物分子,是研究光学非线性、共振拉曼光 谱等分子结构的非常理想样品,也是制造一些特殊功能光电器件的重要材料。我们对 其进行研究,不仅有理论价值,更有现实实用价值以及广阔的应用前景。本论文采用设计物理模型以及计算机模拟结合光谱实验等方法,从多角度多方面 对溶液中的类胡萝卜素(多烯类线形生物分子)光谱特性进行了研究。广泛涉及到了 计算化学、分子光谱学、溶液化学等生物、物理和化学多个学科。更值得一说的是,我们引进了一个重要的物理参量一拉曼散射截面用来研究拉曼光谱。这是因为拉曼散 射截面作为一个重要的参量在拉曼光谱的研究和应用中发挥着不可替代的作用。同拉 曼频移和
4、线宽表现了分子的微观特性一样,拉曼散射截面也表现了某一特定分子的光 散射特性,并且能直接反映分子极化率的大小及其变化。散射截面大小不仅与散射分 子的结构、激发光的频率有关,还和被散射分子所处的环境条件有关。我们测量了全反式B胡萝卜素在二甲基亚碉中81-25 C温度范围的紫外一可见 吸收和拉曼光谱。从不同温度下类胡萝卜素的结构有序变化出发,进而得到其结构有 序对五电子离域和拉曼散射截面等光学性质的影响。为人们进一步对类胡萝卜素的结 构与性质的探究提供了一定的参考资料。关键词类胡萝卜素B胡萝卜素紫外-可见光谱拉曼光谱AbstractWe know,carotenoids as a polyene
5、biological molecules,is a natural existence in nature,the most abundant pigment,and widely exists in human body,covering many biological organisms,plays a vital role in the prevention of human diseases,such as photosynthesis.Lycopene,beta-carotene and canthaxanthin is of concern and study the elemen
6、ts in three kinds of carotenoids carotenoids.Among them,beta carotene is collecting,transferring light energy function in photosynthesis;lycopene protect against cancer and human aging,is one of the hot research in physics,chemistry and biology.They are having a conjugated polyene structure of biolo
7、gical molecules,is the ideal sample study on nonlinear optical,resonance Raman spectroscopy of molecular structure,the important material is also making some special function of optoelectronic devices.We studied its,not only have the theory value,but also practical value and broad application prospe
8、cts.In this paper,the design of physical model and computer simulation combined with spectral experiments and other methods,from the various aspects of the solution of the carotenoid(polyenes biological molecular alignment)were studied.Widely involves multiple disciplines of computational chemistry,
9、molecular spectroscopy,solution chemistry,biology,physics and chemistry.More worth mentioning is that,we introduce a physical parameter of the Raman scattering cross section and Raman spectroscopy to study.This is because the Raman scattering cross section as an important parameter plays an irreplac
10、eable role in the research and application of Raman spectroscopy in.With the Raman frequency shift and linewidth performance of microscopic characteristics of molecules,Raman scattering cross section showed light scattering characteristics of a particular molecule,and can directly reflect the size a
11、nd the changes of molecular polarizability.The scattering cross section and scattering size not only molecular structure,excitation frequency,and is related to the scattering by molecular environmental conditions.We measured the all-trans beta carotene in two DMSO in 81-25?C temperature range of UV-
12、Vis absorption and Raman spectroscopy.From the different temperature carotenoid structure changes,the ordered structure of n-electron delocalization effects and Raman scattering cross section of the optical properties.For further research on the structure and properties of carotenoids provide certai
13、n reference data.Key Words:Carotenoids p-carotene UV-visible spectroscopy Raman spectroscopy第一章绪论第一节类胡萝卜素的基本概念及其研究意义1.1 类胡萝卜素的基本概念及其特点在光合作用体系中,参与吸收、传递光能或引起原初光化学反应的色素,被称为光合色素。光合色素主要存在于叶绿体基粒内,包括叶绿素、辅助色素 和反应中心色素。在一些高等植物和大部分的藻类之中,光合色素包含叶绿素a(Chi a)、叶绿素b(Chi b)以及类胡萝卜素(Carotenoids);在光合色素-蛋白复合物之中,光合色素包括类胡萝卜
14、素与细菌叶绿素(BChl)。不同的光合 色素具有的吸收光谱不同,它们在吸光范围上相互补充,使光合作用能在不同 波长的各种光的驱动下进行,这是光合生物经过多年的进化而形成的对生存环 境的适应能力。进行光合作用的器官中除了叶绿素分子外,还包含辅助色素,辅助色素的存在是进行光合作用的生物适应生存环境的一种方式,这类色素分 子可以辅助叶绿素分子进行吸收靠它们自身不能吸收的光能。例如在湖水或海 水中,随着水的深度增加,大部分的红光会被吸收,但剩余的绿色光却不能被 叶绿素所吸收,在这样的情况下,有吸收绿色光能力的辅助色素分子便可以吸 收绿色光,然后将吸收的绿色光传递给叶绿素分子。我们要研究的类胡萝卜素 分
15、子便属于辅助色素分子。”类胡萝卜素是一种天然存在的具有脂溶性色的素分子,可以从自然界中直 接地分离和提取大约750种,其主要存在于藻类、高等植物和光合细菌中。由 于类胡萝卜素的存在,使得动物和植物可以呈现出各种各样的颜色,它也常常 被用作添加到饮料和食品中的色剂。类胡萝卜素分子具有的共同结构特征是共趣多烯骨架,其属于C2h对称点 群。该骨架一般含有40个碳原子,中间的部分是具有单双键交替结构的长链共 朝冗电子体系,这种共辗结构便决定了它们具有能轻易的从其它分子中吸收能 量的能力,而且很容易失去电子进而生成稳定的自由基。不同种的类胡萝卜素 o分子主要在于共辗链上的取代基和共辗链长度有所不同,(图
16、1.1)给出三种不 同取代基和不同链长的类胡萝卜素分子结构式。类胡萝卜素具有的很多光化学 和光物理性质都源于其具有独特的结构。Lycopene图1.1三种常见的类胡萝卜素的分子结构11.2 类胡萝卜素的研究现状1.2.1 类胡萝卜素在光合作用过程中的作用及其机理类胡萝卜素分子在光合作用过程中主要有两大功能:辅助对光能的捕 获,对激发能的分配有调节作用以及使光合器官避免受到强光损伤的作用中作 为光保护剂。我们将对其进行较为详细的阐述说明。辅助对光能的捕获,调节分配激发能:1941年,Manning和Dutton第一次发现岩藻黄素(一种类胡萝卜素存在于硅藻 属的Nitzschia clasteri
17、um的体内)吸收的光能在光合作用中被有效利用。对叶绿素a(Chi a)以及其辅助色素吸收光谱的研究也证明了类胡萝卜素对捕获 光能有辅助作用。研究表明,在波长为400-550nm的光谱范围内,叶绿素a(Chi a)分子对光能吸收很少,然而类胡萝卜素分子在此波段范围对光能却有很强的 吸收,从而拓宽了光合作用中对光能吸收的吸收光谱范围,起到了对光能吸收 的辅助作用。辅助色素分子和叶绿素分子的吸收光谱图(图L2)表明,它们是在 光合作用中最具互补性的,而且好与叶绿素分子互补,能够传递给叶绿素分子 的红吸收带最长,正因此,辅助色素分子能够辅助集光色素分子吸收光能。2B850图1.2 LH2复合物的吸收光
18、谱关于类胡萝卜素激发能的传递有两种理论:Dexter电子交换和Foster共 振能量传递机制。1935年,Jabfonski经过研究认为,类胡萝卜素分子的激发 能是通过Dexter电子交换机制进行的。1999年Damjanovic等研究人员指出,类胡萝卜素向叶绿素a(Chi a)分子的能量传递最可能是通过Foster共振能量 传递机制进行的,FGrster机制也要比Dexter机制更加有效。然而2003年,王 水才等研究人员的理论证明,PSH捕光天线中的叶绿素分子和类胡萝卜素分子吸 收光能后,分别以不相同的机制把吸收的能量通过核心天线处传到反应中心 处,从而稳定地进行光化学反应。同时,类胡萝卜
19、素分子会将接到的光能以 Forster或Dexter机制传递给周围的其它类胡萝卜素分子,而继最大几率地以 Dexter机制传递能量给叶绿素a(Chi a)岫叫光保护剂类胡萝卜素还有一个功能就是对反应中心的保护,使天线色素蛋白复合物 及其组织和细胞避免受到强光的损伤。有关类胡萝卜素分子对反应中心的保护 机理已经基本明确:当有强光照射在光合系统上时,叶绿素a(Chi a)分子在强 光照射下容易形成三线态的七/曲,而三线态的叶绿素a(Chi a)分子特别容易 与氧气结合从而生成单线态的氧,单线态的氧会对光合器官造成一定的伤害,3这样,类胡萝卜素分子就能够通过淬灭P/z/a,或者非常快速地使单线态的氧
20、衰 退回到原来的基态(三线态),从而起到对光合器官的保护作用皿。1.2.2 类胡萝卜素在生理方面的功能和应用类胡萝卜素充当功能性的营养添加剂8胡萝卜素作为维生素A的前体,能在动物体内通过生化反应能转化为维 生素A,是动物体获取维生素A的主要来源。缺乏B胡萝卜素缺乏时,会产生维 生素A缺乏症。尽管绝大部分的类胡萝卜素对生物体都没有营养作用,却有着 不能够被忽略的抗氧化作用,这就是它们在近年来倍受广大学者和大众关注的 根本原因。我们知道,人体在进行生命活动时都会产生自由基,一旦自由基积 累过多时,就会在一定程度上对人体造成一些伤害,如细胞衰老、组织损伤、畸形细胞产生等伤害,科学家们认为这是人体逐渐
21、衰弱、多病、逐渐衰老的主 要原因之一。类胡萝卜素、维生素C和维生素E都会对自由基有一定程度上的 抑制作用,因而,它们都被认定为“抗氧化剂”。类胡萝卜素具有的抗氧化功 能己得到了公认,其抗氧化功能甚至都比维生素C和维生素E要好得多。类胡萝卜素预防癌症的作用类胡萝卜素能有效预防食道癌出现。对加拿大、中国及菲律宾的众多食道 癌患者进行调查都表明了 B胡萝卜素对食道癌有一定的缓解作用。B胡萝卜素 也曾被用于治疗得了重度口腔癌的高危险患者。用B胡萝卜素来治疗得了口腔 粘膜白斑病的患者,可以使得了该病患者的病情得到明显的缓解。然而,B胡 萝卜素对直肠癌和大肠癌产生的抑制作用却没有得到足够明确的证明。13-
22、15类胡萝卜素还具有其他生理方面的功能:皮肤保健,眼保健,着色功能,增强动物的生殖能力等。第二节分子光谱在类胡萝卜素研究中的作用2.1紫外-可见吸收光谱分子紫外-可见吸收光谱的产生归结于价电子能级的跃迁,包括反键电 4子、成键电子和非键电子(游离基电子、离子、孤对电子等)的跃迁。一般情况 下,电子能级之间的间隔为120ev,这一能量范围恰好落于紫外光区与可见 光区。任何一个电子能级间的跃迁,都有分子的转动能级和振动能级的变化伴 随。因此,电子跃迁时的吸收线就会变成包含分子转动和振动精细细结构的比 较宽的光谱带。它的应用范围主要包括:定量分析,其被广泛用于各种物质中超微量、微量及其常量的有机物质
23、 和无机物质的测定。结构分析,紫外-可见吸收光谱还可以被用于推理氢键的强度、空间阻碍 效应、几何异构、互变异构等现象。对反应动力学的研究,研究反应物的浓度与时间的函数关系,测定反应 级数和反应速度,推断出反应机理。研究溶液的平衡,例如测定稳定常数、酸碱离解常数、络合物的组成等。借助紫外-可见吸收光谱,能非常准确地鉴定出类胡萝卜素分子种类。类胡萝卜素属于多烯类化合物,是具有碳碳双键与单键相互交替结构的共 辗冗电子体系。在这类具有单双键交替结构的共甄多烯类生物分子中,吸收带 的波长会随着共匏双键数量的增加而发生红移,这便是类胡萝卜素分子的紫外-可见吸收光谱最主要的特点。利用紫外-可见吸收光谱对类胡
24、萝卜素分子的微结 构以及外界不同环境对类胡萝卜素分子结构的影响的研究都是非常具有优势 的。类胡萝卜素分子在可见蓝绿光谱区范围的强跃迁是允许吸收SS2的跃迁,吸收光谱一般情况下会呈现三或四个精细的振动结构;而当有端基与一些共趣 骨架发生相互的排斥作用进而会使其与共甄多烯不再共平面时,分子的构型分 布会一定程度的展宽,振动结构也会变得不再像以前一样明显叱。类胡萝卜素的吸收带波长也与类胡萝卜素分子所处的环境温度有关,在不同的 温度环境条件下,溶液中的类胡萝卜素分子的吸收带波长也会有所改变。2.2激光拉曼光谱激光的拉曼光谱作为研究物质的分子结构强而有力的工具,具有受水的干 扰少、分辨率高、制样简单等优
25、点,现已被广泛地应用于分子结构的研究、分 5子识别、无机和有机以及分析化学、石油化工、生物化学、催化和环境科学、半导体电子技术、高分子化学等各种各样的领域。最近几年,人们为了能够提 高拉曼光谱的信号强度,提出了一些更加新的和实用的激光拉曼分析技术以及 与其他分析技术,例如表面增强拉曼光谱(SERS)技术,傅里叶变换拉曼光谱(FT-Raman)技术,激光拉曼遥测技术和激光拉曼显微技术,高压、高温原位 激光拉曼光谱技术等吐2支激光的拉曼光谱在类胡萝卜素的分子结构研究中起着 非常重要的作用,它能够显示出充裕的分子结构信息,比如:光谱的频率变化 可以显示出分子的键角、键长变化的信息;拉曼光谱相对强度的
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