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1、學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計）題 目：二巰基苯并噻唑姓 名： 于靜_ _學(xué) 號： 2011021004_ _學(xué) 院： 化學(xué)化工學(xué)院_ _專業(yè)/屆別： 化學(xué)2015屆_ _ _指導(dǎo)教師： 莊志萍_職 稱： 教授_牡丹江師范學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計）二巰基苯并噻唑密度泛函理論研究摘要振動光譜是研究分子結(jié)構(gòu)的重要方法之一，本文使用密度泛函理論(DFT)對二巰基苯并噻唑的紅外光譜和拉曼光譜以及表面增強拉曼角度來進行研究。理論計算全部利用ADF程序運行，對二巰基苯并噻唑振動光譜進行計算,計算時采用了B3LYP密度泛函方法在B3LYP/6-31+G(d,p)水平下對二巰基苯并噻唑進行幾何構(gòu)型優(yōu)化和振動光譜的理論計算。

2、利用軟件對計算結(jié)果中的簡正振動模式進行可視化處理，并用Origin75進行繪制圖譜。本次實驗主要介紹了二巰基苯并噻唑的結(jié)構(gòu)，性能。同時介紹了，近年來最新的研究和應(yīng)用。例如，在生物化學(xué)，化學(xué)，其他領(lǐng)域的應(yīng)用。關(guān)鍵詞: 密度泛函理論；紅外光譜；拉曼光譜；表面增強拉曼；二巰基苯并噻唑Study on vibrational spectra of density functional theory FipronilAbstractVibrational spectroscopy is one of the important method for the study of molecular stru

3、cture, this paper using the density functional theory (DFT) infrared spectra and Raman spectra of fipronil to study. Theoretical calculations using Gaussian09 program runs on all, vibration fipronil molecular spectra are calculated, when calculated using the B3LYP density functional method in B3LYP/

4、6-31+G(D,P) calculated by geometry optimization and vibrational spectra of fipronil theory. Using Gaussview software to calculation results in the normal vibration modes of visual processing, and map with Origin75. This experiment mainly introduces the structure of fipronil, research and application

5、. For example, in biochemistry, chemistry, in other areas. Keywords: density functional theory; infrared spectrum; Raman spectra II目錄1 引言11.1氟蟲腈的簡介11.2 密度泛函理論的簡介11.3 紅外光譜的簡介21.4 拉曼光譜的簡介22基本原理42.1 密度泛函理論42.2拉曼光譜理論42.3紅外光譜理論53計算方法64結(jié)果與討論74.1氟蟲腈分子幾何構(gòu)型74.2光譜指認74.2.1氟蟲腈在紅外光譜上的指認114.2.2氟蟲腈在拉曼光譜上的指認115結(jié)論13

6、參考文獻14致謝161 引言1.1二巰基苯并噻唑的簡介二巰基苯并噻唑，英文通用名為2-Mercaptobenzothiazole， 商品名2-巰基苯并噻唑; 2-硫醇基苯并噻唑; 促進劑 M ，分子式：C7H5NS2，是一種有微臭和苦味淡黃色粉末，溶于丙醇、乙醇、氯仿、氨水、氫氧化鈉和碳酸鈉等堿性溶液，微溶于苯，不溶于水和汽油。二巰基苯并噻唑主要用作橡膠的硫化促進劑，也用作農(nóng)藥殺菌劑，稱氫硫劑或M劑，又可用作腐蝕抑制劑，純品也用作金屬特種試劑。其是目前國內(nèi)外橡膠硫化促進劑產(chǎn)銷量最大的品種之一，同時也是生產(chǎn)次磺酰胺類促進劑的主要原料。具有硫化促進作用快，硫化平坦性低以及混煉時無早期硫化等特點，作

7、為一種橡膠通用型硫化促進劑，應(yīng)用于橡膠加工工業(yè)。二巰基苯并噻唑是GABA-氯離子通道抑制劑，與現(xiàn)有殺蟲劑沒有交互抗性，對有機磷、有機氯、擬除蟲菊酯類殺蟲劑已經(jīng)產(chǎn)生抗性的或者敏感的害蟲均有較好的防治效果。適宜的作物有水稻、玉米、棉花、香蕉、甜菜、馬鈴薯、花生等，推薦劑量下對作物無藥害。同時對衛(wèi)生害蟲的蟑螂防治也有非凡的效果,如2%神農(nóng)滅蟑螂餌劑、1.1%海云滅蟑餌劑。目前二巰基苯并噻唑工業(yè)化生產(chǎn)合成路線主要是采用鄰硝基氯苯法、苯胺法、硝基苯和苯胺混合法這3種方法 1.2 密度泛函理論的簡介研究二巰基苯并噻唑振動光譜的密度泛函理論1對于進一步來研究其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)有著很重要的意義。人們已經(jīng)從實驗上對二

8、巰基苯并噻唑的幾何結(jié)構(gòu)進行了分析與指認,密度泛函理論是一種研究多電子體系電子結(jié)構(gòu)的方法,是計算化學(xué)領(lǐng)域最常用的方法之一,主要目標就是用電子密度取代波函數(shù)作為研究的基本量,從而用來計算激發(fā)態(tài)的性質(zhì),密度泛函理論DFT的發(fā)展,使分子振動光譜(尤其是大分子的振動光譜的計算)獲得了迅速的發(fā)展。DFT方法已被引入ADF程序,可處理數(shù)百個原子的分子體系,DFT在研究分子振動光譜方面無論是在計算效率方面還是在計算精度方面,都具有比較明顯的優(yōu)越性,尤其是在研究大分子振動光譜上,有更加明顯的優(yōu)勢,所以至今90年代以來，在許多原子分子的振動光譜研究中應(yīng)用密度泛函理論越來越普遍,尤其是近十年來隨著軟件效率的提高、方

9、法改進以及計算速度的大幅度提高和計算機硬件的飛速發(fā)展,說明密度泛函理論在分子振動光譜2方面研究中起著更加重要的作用。1.3 紅外光譜的簡介分子振動光譜3的研究主要是針對于對紅外光譜和拉曼光譜的研究,紅外光譜是用來研究表征分子結(jié)構(gòu)的一種有效的研究手段，與物質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，它被認為是一種重要分析分子結(jié)構(gòu)的工具。其主要應(yīng)用在分子構(gòu)型和構(gòu)象研究、化學(xué)化工、材料、天文、遙感、氣象、環(huán)境、地質(zhì)、生物、物理、醫(yī)學(xué)、藥物、農(nóng)業(yè)、能源、食品、法庭鑒定和工業(yè)過程控制等多方面的分析測定中都有十分廣泛的應(yīng)用。分子的結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵都可以用紅外光譜來研究，同時紅外光譜也可以用來測定物質(zhì)分子的鍵長和鍵角,由此分子的立體

10、構(gòu)型就可以被推測出來。由于物質(zhì)分子中的某些基團或化學(xué)鍵在不同化合物中所對應(yīng)的譜帶波數(shù)大致基本上都是固定的或只是在小波段范圍內(nèi)逐漸變化,由此可以得出很多種有機官能團(比如甲基、羥基、羰基,氰基，亞甲基，胺基等)在紅外光譜中都有較明顯的特征吸收，人們就可以通過紅外光譜測定未知樣品分子中存在哪類有機官能團,這就可以最終確定未知物化合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)。 1.4 拉曼光譜的簡介拉曼光譜4是分子對入色光所產(chǎn)生的頻率發(fā)生較大變化的一種散色現(xiàn)象,它的產(chǎn)生基于光子與分子的碰撞,當(dāng)這種碰撞突然發(fā)生時,可能發(fā)生彈性碰撞和非彈性碰撞兩種情況。其中,彈性碰撞只改變運動方向而能量并不會發(fā)生改變,拉曼光譜與紅外吸收光譜類似,也

11、可以通過對拉曼光譜的研究得到有關(guān)物質(zhì)振動或轉(zhuǎn)動的相關(guān)信息,是作為研究晶體中分子振動和晶格振動的一種重要手段。紅外光譜與拉曼光譜是互為補充的,當(dāng)一些物質(zhì)的電荷分布中心具有對稱的化學(xué)鍵時,他們的拉曼散色很強,但紅外吸收5很弱因此當(dāng)紅外光譜儀檢測不到就可以用拉曼光譜圖很好的將其展現(xiàn)出來。拉曼光譜分析法是基于拉曼散射效應(yīng),對與入射光頻率不同的散射光譜進行分析以得到分子振動、轉(zhuǎn)動方面信息,并應(yīng)用于分子結(jié)構(gòu)研究的一種分析方法。本文，我們研究了二巰基苯并噻唑的紅外光譜(IR),依據(jù)DFT理論計算結(jié)果，首次對二巰基苯并噻唑的振動光譜給出全面而準確地分析與指認。這些理論性的計算對于理解結(jié)構(gòu)的振動光譜和分子組成參

12、數(shù)都很有價值。1.5表面增強拉曼光譜的簡介 表面增強拉曼光譜（SERS）技術(shù)是當(dāng)今世界界面反應(yīng)較好的現(xiàn)場譜學(xué)技術(shù)之一和靈敏度最高的現(xiàn)場研究表面吸附，它是把常規(guī)電化學(xué)方法與譜學(xué)方法相結(jié)合的譜學(xué)電化學(xué)，它是在研究電化學(xué)體系和分子水平上現(xiàn)場表征的新技術(shù)。它在探究電極表面吸附分子物種的鍵接和取向，鑒別參與了電化學(xué)過程中的分子物種等這方面有了突出的優(yōu)勢并且取得了備受矚目的成果。表面增強拉曼散射現(xiàn)象第一次被觀測到,是在20世紀70年代,Fleischman小組在對粗糙化的Ag電極表面的吡啶進行研究時,發(fā)現(xiàn)當(dāng)分子靠近或吸附金屬Ag表面時，分子的拉曼散射信號被極大地增強。通過計算,這種銀電極表面的吡啶分子的拉

13、曼信號是其水溶液的106倍。這種現(xiàn)象后來被稱之為表面增強拉曼散射(Surface-enhanced Raman scattering,SERS) 2 基本原理2.1 密度泛函理論密度泛函理論(DFT)6是一種量子力學(xué)方法用于研究多電子體系電子結(jié)構(gòu)。它是在玻恩-奧本海默和量子力學(xué)7絕熱近似的從頭算方法的基礎(chǔ)上,和量子化學(xué)在分子軌道理論8發(fā)展而來的基礎(chǔ)上，這一方法基于一個定理上：體系的基態(tài)決定于電子密度的分布(Hohenberg-Kohn定理)9這是唯一的,獲得電子密度分布通過KS-SCF自洽迭代求解單電子多體薛定諤方程來獲得電子密度分布,容易通過應(yīng)用HF定理等方法,和分子動力學(xué)模擬的方法相結(jié)合,

14、組成了從頭算的分子動力學(xué)方法。盡管密度泛函理論10的概念來源于Thomas-Fermi模型,但是直到Hohenberg-Kohn定理提出之后才有了準確的理論依據(jù)。Hohenberg-Kohn第一定理提出體系的基態(tài)能量僅是電子密度的泛函11。Hohenberg-Kohn第二定理證明了用基態(tài)密度為變量得到基態(tài)能量只需要將體系能量最小化。使得密度泛函12提供了一個變分的原理。DFT13的方法挑戰(zhàn)的是設(shè)計更為精確的泛函。密度泛函理論14提供了從頭算和第一性原理的計算框架。在這個框架的作用下各式各樣的能帶計算方法就可以發(fā)展起來。2.2紅外光譜理論近些年來發(fā)展最為迅速的高新實用分析技術(shù)有一種就是紅外吸收光

15、譜法17，目前廣泛應(yīng)用于分子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)研究和化學(xué)組成，例如對未知物的解析、判斷有機化合物的分子結(jié)構(gòu)和高分子化合物的分子結(jié)構(gòu)、化學(xué)反應(yīng)過程的控制及反應(yīng)機理的研究等等?，F(xiàn)今紅外光譜18的研究已經(jīng)從中紅外擴充到了遠紅外和近紅外，它的應(yīng)用范圍也迅速發(fā)展到生化、高聚物、環(huán)境治理、染料業(yè)、食品、醫(yī)藥等諸多領(lǐng)域。對于化學(xué)工作者來說，紅外光譜已成為實際工作中不可缺少的工具。紅外光譜法的應(yīng)用極其廣泛，可提供大量信息并且具有特征性?？梢罁?jù)分子紅外光譜的吸收峰的位置，吸收峰的數(shù)目及其強度，可以鑒定未知物的分子結(jié)構(gòu)或確定其化學(xué)基團；依據(jù)吸收峰的強度與分子組成或其化學(xué)基團的含量相關(guān)，可進行定量分析和純度鑒定。利用紅外光

16、譜分析研究時，其樣品相態(tài)不受限制，其熔點、沸點和蒸汽壓亦不受限制。無論是固態(tài)、液態(tài)以及氣態(tài)樣品都能直接測定，甚至對一些表面涂層和不溶、不熔融的彈性體（如橡膠），也可直接獲得其紅外光譜19。此外，紅外光譜法還具有樣品用量少，不破壞試樣，操作方便，重復(fù)性好，靈敏度高，可回收等特點。2.3拉曼光譜理論拉曼光譜15是分子和入射光子發(fā)生非彈性散射的結(jié)果，分子吸收頻率0的光子，發(fā)射01的光子，與此同時分子從低能態(tài)躍遷到高能態(tài)，分子吸收頻率0的光子，發(fā)射01的光子，與此同時分子從高能態(tài)躍遷到低能態(tài)。分子能級的躍遷僅僅涉及到轉(zhuǎn)動能級發(fā)射的是小拉曼光譜；然而涉及到振動-轉(zhuǎn)動能級這時發(fā)射的是大拉曼光譜。和分子紅外

17、光譜不同的是極性分子和非極性分子都能產(chǎn)生拉曼光譜。拉曼光譜16的應(yīng)用范圍遍布物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)及醫(yī)學(xué)等多個領(lǐng)域，對于測定分子結(jié)構(gòu)、純定性分析和高度定量分析有很大價值和作用。2.4表面增強拉曼光譜理論 為了解釋 SERS 的增強機制，人們提出了不同的理論模型。由于分子的拉曼散射是分子在外電場作用下被極化而產(chǎn)生極化率，交變的極化率在再發(fā)射的過程中，受到分子中原子間振動的影響，從而產(chǎn)生拉曼散射光。散射光的增強可能是由于作用在分子上的局域電場的增加和分子極化率的改變，可以形象地把分子的極化偶極矩看成是電磁效應(yīng)和分子效應(yīng)的乘積。目前學(xué)術(shù)界普遍認同的 SERS 機理主要有物理增強機理和化學(xué)增強機理兩類,

18、 物理增強機制通過局 域場和偶極發(fā)射起作用，化學(xué)增強機制通過分子的極化率起作用。 3計算方法全部計算利用ADF程序進行,運用密度泛函理論(DFT)方法,B3LYP/6-31+G(d,p)水平上對二巰基苯并噻唑分子振動光譜和結(jié)構(gòu)進行幾何優(yōu)化研究,用B3LYP水平的密度泛函理論方法,采用對體系所有原子均加彌散函數(shù)和對重原子加d極化函數(shù)及氫原子加p極化函數(shù)的6-31+G(d,p)基組,對二巰基苯并噻唑分子進行全幾何構(gòu)型優(yōu)化的計算19。在優(yōu)化的集合構(gòu)型基礎(chǔ)上,利用關(guān)鍵詞進行紅外強度、振動頻率的計算。全部計算在Dell工作站上進行 Windows 操作系統(tǒng)下,用ADF程序進行優(yōu)化,利用 Gaussvie

19、w對計算結(jié)果中二巰基苯并噻唑的簡正振動模式進行可視化處理20。并基礎(chǔ)與簡正坐標分析上,對二巰基苯并噻唑分子的簡正振動模式進行了較為詳盡地指認。4 結(jié)果與討論4.1二巰基苯并噻唑分子幾何構(gòu)型圖4-1 在B3LYP/6-311+G(d, p)水平下得到的二巰基苯并噻唑分子結(jié)構(gòu)Figure 4-1 in the B3LYP/6-311+G (D, P) fipronil molecular structure level由圖4-1可知二巰基苯并噻唑分子結(jié)構(gòu)中共有12個C原子組成，1個O原子，4個N原子,2個Cl 原子，6個F原子，1個S原子和4個H原子，其在0-1800 cm-1范圍內(nèi)振動類型和頻率

20、大小在表4-4中列出，按照計算與理論值及強度一一對應(yīng)的方法,觀察TCH光譜的指認有一定的可信度。4.2光譜指認表4-1 二巰基苯并噻唑分子的幾何優(yōu)化參數(shù)Table 4-1 fipronil molecular geometry optimization parameters鍵長Å鍵角deg二面角degC1C21.40C4C3Cl14119.7F11C9C1C2-43.6C2H71.08C2C1C9118.6C1C2C3Cl14-180.0C3Cl141.80C16H20H22121.6H22N20C16N15-5.0C9F121.40C16N15N19112.4C16N15N19C1

21、80.26N15N191.40C17C16N15105.6N15C16C17S25174.6C16N151.38C18C23N24178.3N19C18C23N24-21.7C16N201.36C18C17S25129.9C18C17S25O2631.5S25O261.67N15N19C18104.5N19N15C4C3-94.2由表4-1可知二巰基苯并噻唑C1C2鍵介于單鍵雙鍵之間一種特殊的鍵長為1.40 Å，C2H7單鍵鍵長為1.08 Å，C3Cl14單鍵鍵長為1.80 Å，C9F12單鍵鍵長為1.40 Å，S25O26雙鍵鍵長為1.67Å

22、，鍵角C4C3Cl14 是119.7°，C16N15N19 形成的鍵角為112.4°，C18C17S25形成的鍵角為129.9°，N15N19C18 形成的鍵角為104.5°，主要二面角H22N20C16N15是苯環(huán)面與氨基面所形成的夾角為-5.0°，C18C17S25O26 是吡咯環(huán)與硫氧雙鍵兩個面形成的夾角為31.5°，N19N15C4C3 是苯環(huán)與吡咯環(huán)形成的夾角為-94.2°，N19C18C23N24是吡咯環(huán)與碳氮鍵兩個面之間所形成的夾角為-21.7°。 圖4-2腈分子的Raman光譜圖Figure 4-2

23、 fipronil Raman spectra of molecules 圖4-3二巰基苯并噻唑分子的IR光譜圖Figure 4-3 fipronil molecular spectra of IR表4-4二巰基苯并噻唑的紅外光譜和拉曼光譜計算數(shù)據(jù)Table 4-4 IR and Raman spectra of fipronil calculation dataModelRaman（Calculate）IR（Calculate）Assignmentsb15A175(C-N)27A346373V(C-C);(C-H);(C=O)32A454(N-H);(C-S)39A508535(C-C);(

24、C-H)43A645(N-H)48A733724(C-H);(C-H)52A805814(C-H)53A866895(C-H);59A10751075V(S=O);(C-H)66A11201120V(S=O)66A11741183(C-H)67A1237V(C-C);V(C-N)68A1300V(C-C);V(C-N);(C-H)69A13271327(C-F);V(C-N)71A14081408V(C=C)72A1426(C-H)73A14621462V(C=C)74A1483V(C-N);(N-H);(C-H)75A15341534V(C=C);V(C=N)76A1597(N-H);(C-

25、H)79A16421669V(C=C);(N-H)注釋：v- Stretching vibration plane，- In plane bending vibration，- Out of plane bending vibration4.2.1二巰基苯并噻唑在紅外光譜上的指認在紅外光譜實驗中，二巰基苯并噻唑分子：模式15(A對稱性)理論計算得到紅外光譜在頻率為175cm-1,指認為C-N鍵的面外彎曲振動。模式27(A對稱性)理論計算得到紅外光譜在在紅外實驗中，頻率為373cm-1，指認為C-C伸縮振動，C-H面內(nèi)彎曲振動和C=O面外彎曲振動。模式32(A對稱性)理論計算

26、得到紅外光譜在頻率為454 cm-1，指認為C-N面外彎曲振動和C-S面內(nèi)彎曲振動。模式39(A對稱性)理論計算得到紅外光譜在頻率為535cm-1,指認為C-C鍵伸縮振動。模式43(A對稱性)理論計算得到紅外光譜在頻率為645cm-1,指認為N-H鍵的面外彎曲振動。模式48(A對稱性)理論計算得到紅外光譜在頻率為724cm-1,指認為C-H鍵的面內(nèi)彎曲振動。模式52(A對稱性)理論計算得到紅外光譜在頻率為814cm-1,指認為C-H鍵的面外彎曲振動。模式53(A對稱性)理論計算得到紅外光譜在頻率為895cm-1,指認為C-H鍵的面外彎曲振動。模式59(A對稱性)理論計算得到紅外光譜在頻率為10

27、75cm-1,指認為S=O鍵的伸縮振動。模式66(A對稱性)理論計算得到紅外光譜在頻率為1120cm-1,指認為S=O鍵的伸縮振動。模式67(A對稱性)理論計算得到紅外光譜在頻率為1237cm-1,指認為C-C伸縮振動和C-N鍵的伸縮振動。模式68(A對稱性)理論計算得到紅外光譜在頻率為1300cm-1,指認為C-C鍵的伸縮振動,C-N鍵的伸縮振動和C-N鍵的面外彎曲振動。模式69(A對稱性)理論計算得到紅外光譜在頻率為1327cm-1,指認為C-F鍵的面外彎曲振動,C-N鍵的伸縮振動。4.2.2二巰基苯并噻唑在拉曼光譜上的指認 二巰基苯并噻唑分子先在B3LYP/3-21G(d，p)，再在B3

28、LYP/6-31+G(d, p)的方法下的幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化的結(jié)果顯示：模式27(A對稱性)理論計算得到拉曼光譜在頻率為346cm-1,指認為C-C伸縮振動，C-H面內(nèi)彎曲振動和C=O面外彎曲振動。模式39(A對稱性)理論計算得到拉曼光譜在頻率為508cm-1,指認為C-C鍵伸縮振動。模式48(A對稱性)理論計算得到拉曼光譜在頻率為724cm-1,指認為C-H鍵的面內(nèi)彎曲振動。模式52(A對稱性)理論計算得到拉曼光譜在頻率為805cm-1,指認為C-H鍵的面外彎曲振動。模式53(A對稱性)理論計算得到紅外光譜在頻率為866cm-1,指認為C-H鍵的面外彎曲振動。模式59(A對稱性)理論計算得到拉曼光

29、譜在頻率為1075cm-1,指認為S=O鍵的伸縮振動。模式66(A對稱性)理論計算得到拉曼光譜在頻率為1120cm-1,指認為S=O鍵的伸縮振動。模式69(A對稱性)理論計算得到拉曼光譜在頻率為1327cm-1,指認為C-F鍵的面外彎曲振動,C-N鍵的伸縮振動。 5結(jié)論二巰基苯并噻唑分子在 B3LYP/6-31+G(d,p)水平下的幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化,理論結(jié)果顯示B3LYP/6-31+G(d,p)是非常接近分子振動問題。計算結(jié)果表明B3LYP/6-31+G(d,p)得到的理論計算頻率與預(yù)測結(jié)果基本是一致的,說明密度泛函理論是可靠的,這為了解二巰基苯并噻唑的振動光譜提供了一個非常有價值的信息,對于研究

30、其表面增強拉曼光譜的研究具有直接的幫助和參考價值,同時也對二巰基苯并噻唑的進一步研究也將是一件很有意義的工作,此外,也為其振動光譜和結(jié)構(gòu)分析的研究提供了有價值的依據(jù)。參考文獻1 黎樂民.密度泛函理論中國科學(xué)家談科學(xué)J.科學(xué)觀察,2007,2: 26-29.2 劉莎莎.表面增強拉曼光譜化學(xué)增強的理論研究J.大連理工學(xué),2009,14:28-31. 3 王獻偉.磷團簇及磷摻雜堿土金屬Be、Mg、Ca密度泛函理論研究J.河南大學(xué),2008,96:15-34. 4 R. G. Parr and W. Yang Density functional Theory of Atom and Molecule

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