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摘 要

开发高灵敏、响应速度快探针越来越受到人们的关注。最近，基于苏丹III(1)的比色传感器已经被应用于检测四氢呋喃、丙酮、乙腈和二甲基亚砜等有机溶剂中的痕量水。为揭示此探针分子的响应机理，本论文运用的是密度泛函理论方法，基于B3LYP/6-31G*水平计算了1以及其去质子体1F的几何结构，在此基础上用TDDFT方法计算了激发态，研究了苏丹III去质子化后对其电子结构和电子吸收光谱的影响。通过计算，结果表明探针分子1的最高占有分子轨道(HOMO)主要占据的是π键轨道，探针分子1F的最高占有分子轨道则是主要占据非键轨道。本论文主要是研究了1与1F的分子性质、前线分子轨道与电子吸收光谱等的性质，为有机物中水分检测提供理论指导。

关键词：水分检测，可逆比色传感器，密度泛函理论，电子结构，传感机理。

Abstract: The development of high sensitivity and fast response probes attracts more and more attention. Recently, colorimetric sensors based on Sudan III (1) have been applied to detect trace amounts of water in organic solvents such as tetrahydrofuran, acetone, acetonitrile and two methyl sulfoxide. In order to reveal the response mechanism of the probe molecule, the density functional theory (DFT) method was used in this paper to calculate the geometric structure of 1 and its deprotonation type 1F based on the B3LYP/6-31G(d) level. On this basis, the excited state was calculated by the TDDFT method, and the effects of the deprotonation of Sultan III on its electronic structure and the electron absorption spectrum were studied. The results show that the highest occupancy molecular orbital (HOMO) of the probe molecule 1 mainly occupies the pi bond orbital, and the highest occupancy molecular orbital of the probe molecule 1F is mainly the non-bond orbital. In this paper, the properties of molecular properties, frontline molecular orbitals and electron absorption spectra of 1 and 1F are mainly studied, which provide theoretical guidance for the detection of water in organic compounds.

Keywords: moisture detection, reversible colorimetric sensor, density functional theory, electronic structure, sensor mechanism.

目 录

1 引言 5

2 分子结构 5

3 计算方法 6

4 结果与讨论 7

4.1 前线分子轨道 7

4.2 能级 7

4.3 电子吸收光谱 8

4.4 光谱指认 9

结 论 10

参 考 文 献 11

致 谢 13

1 引言

在有微量水分或是在潮湿的环境下，显示出光信号变化的化学传感器，在环境监测、工业生产、食品加工、生物医学领域中是非常重要的。^[1]在合成化学与工业方法中，测定与消除常规使用的有机溶剂和试剂中的水是至关重要的。传统的费休滴定法、气相色谱法和其他光谱技术可用于有机溶剂中微量水的测定。^[2]但是，缺乏连续监控，使用有毒的化学物质，和冗长的实验使得它们不适用于所有人。电子湿度传感器市场上也有提供，但它们不太安全，价格昂贵，并且寿命有限。因此，很需要成本低，简单，高灵敏度的便携式设备用于检测有机溶剂与精细化学药品中的水含量。^[3]文献中已有很基于荧光敏感的湿度传感器。然而，比色检测相比于其他传统检测方法和荧光法更简单方便。比色水分传感器在有水分的条件下表现出的颜色变化，是可用肉眼观察到的，无需任何精密的分析仪器设备。另一方面，只有少数色度传感器可用于识别有机溶剂中微量的水。大多数已知的比色水分检测探针是昂贵的，不可逆的，反应响应的时间过长，需要多步合成，且灵敏度较低。因此，研制一种高灵敏度、可逆、快速响应的比色探针用于水分检测具有重要意义。最近，Jose等^[4]报道了一种高选择性、高敏感性和快速响应的可逆比色传感器，这种传感器也可以用于无墨书写。本文应用密度泛函理论(DFT)^[5-10]对这一分子的电子结构、光谱进行了计算研究, 为的是从理论上探讨去质子化对于比色探针特性的影响,微观上来探讨它的机理, 给比色探针的设计提供理论依据.

2 分子结构

化合物1与1.F的化学结构式如图1所示，Jose等提出了如下可能的机理, 这是一类典型的探针^[11],当探针分子在过量氟离子存在下，形成去质子的1F形式，当与被探测物质H₂O结合后,还原出羟基, 又形成化合物1，颜色相应从粉红色变为蓝色，再变为粉红色。

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