刘金峰副教授在Nature Communications发表水溶液光谱特征最新理论研究成果


近日,永利国际基础医学与临床药学学院刘金峰副教授与华东师范大学何晓教授合作在国际知名期刊Nature Communications (IF: 14.919)发表最新理论研究成果Towards complete assignment of the infrared spectrum of the protonated water cluster H+(H2O)21,刘金峰副教授为该研究的第一作者,中国药科大学为第一完成单位。

水溶液环境是生物分子保持生物活性并进行生命活动所必须的环境,水溶液的组成及结构对生物分子的功能、药物的生物利用度等都起到至关重要的影响。长久以来,理解水溶液中氢离子的微观本质一直是认识水溶液结构与物性的重中之重。实验上,红外光谱能够反映分子结构的细微变化,通过光谱指纹确定相关吸收峰并进一步明确相关的特征基团,就可以表征物质的微观结构特征。氢离子在水溶液中的存在形式一般认为有2种,即Eigen(水合氢离子,H3O+(H2O)3)Zundel(两水共享氢离子,H2O···H+···OH2),两种结构在1000 cm-12660 cm-1位置附近存在显著的光谱特征差异。

长期以来的一个未解之谜就在于“幻数”水团簇H+(H2O)21出现的明显强度异常。自从2004Science首次报道了H+(H2O)21的红外光谱以来,近年来Science,Nature,PNAS,JACS等陆续报道了一系列的研究进展对H+(H2O)21光谱进行进一步的优化和指认。光谱特征峰的准确指认需要精确的理论计算来支撑,然而受计算方法和精度的限制,17年以来,H+(H2O)21的红外光谱只有个别特征峰被指认,而绝大部分光谱特征背后所表示的特征基团及其振动模式依然不清楚。

刘金峰副教授一直致力于复杂大分子体系的多尺度理论计算模拟研究,通过自主发展的分块量子化学算法和二阶振动拟简并微扰理论,突破传统高精度量子化学方法对模拟体系尺度的限制,在耦合簇理论水平对EigenH+(H2O)21团簇的电子结构及振动进行精确计算,首次获得与实验红外光谱高度吻合的结果(如图1),因而可以实现对包括水合氢离子以及中性水分子在内的所有振动光谱特征的完整指认(如图2),揭示了所有未知谱峰所表示的振动模式。


VQDPT2 (CCD/aVDZ)方法计算的H+(H2O)21红外光谱,及与实验和其他理论结果的比较

H+(H2O)21的不同O-H振动光谱及指认

该研究得到了国家自然科学基金青年项目、面上项目、中国药科大学中央高校基础科研业务费、中国药科大学“双一流”建设创新团队项目等的资助。

文章链接: https://www.nature.com/articles/s41467-021-26284-x

(供稿单位:基础医学与临床药学学院 ,供稿人:何聿娴、傅步沁,审稿人:吴旻玥)




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