2021年8月25日，日本東北大学森田明弘（Akihiro Morita）教授课题组与叶深（Shen Ye）教授课题组合作在专业杂志J. Phys. Chem. B上在线发表了题为 「Dispersion of Complex Refractive Indices for Intense Vibrational Bands」的系列科技论文，该研究开发了一种方法定量获取介质在红外吸收区间的复折射率。最近，该方法被整合至ComplexRI网站并免费公开。
ComplexRI网址: https://comp.chem.tohoku.ac.jp/ComplexRI/
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpcb.1c06190
01研究亮点
- 提出了拟合介质全反射红外光谱得到复折射率的方法，实现了红外领域复折射率的定量计算。
- 计算程序已被整合至ComplexRI网站，并面向大众免费开放。用户可自由上传全反射红外光谱而得到计算的复折射率。
- 应用介质复折射率的定量数据，阐明了界面菲涅尔系数对SFG（Sum Frequency Generation）光谱解析的影响。
02研究概要
【背景】
介质的折射率是研究介质与电磁波相互作用的基本性质。折射率通常由复数表示，其实部描述电磁波在介质中传播速度的相对大小，而虚部描述电磁波在介质中的吸收。根据外加电磁波频率的不同，介质的折射率也会产生很大变化。其中，在红外光谱，SFG（Sum Frequency Generation）光谱等技术广泛研究的红外吸收领域（约500-4000 cm-1）, 光谱的定量解析均需要介质在红外振动领域的复折射率。然而对于多数常用溶剂，特别是对于存在强红外吸收的振动领域，例如C=O振动领域，目前仍缺少红外振动领域复折射率的定量数据。
【结果与讨论】
本研究提出了一种方法，通过理论推导建立全反射红外光谱与介质复折射率的函数关系，进而利用最小二乘法拟合全反射红外光谱得到介质的复折射率的定量数据。此方法不局限于介质的种类，同时保证了精确性与普适性。论文中建立了包含水、乙醇、二氯甲烷等20多种常用溶剂红外振动领域复折射率的数据库。为了扩大此方法的应用范围，研究小组将全部理论计算方法与程序代码整合至原创计算软件ComplexRI中，并免费公开(网址:https://comp.chem.tohoku.ac.jp/ComplexRI/)，该程序无需下载安装，通过在网页界面中上传全反射红外光谱数据以及简单操作设置，即可获取复折射率数据。图一列举了利用ComplexRI计算碳酸二甲酯C=O振动
领域复折射率的结果与精度，计算过程所需时间小于1分钟。
图一：利用ComplexRI计算碳酸二甲酯的输出结果
进一步，研究人员应用复折射率的定量数据，研究了界面菲涅尔系数共振对SFG光谱解析的影响。结果表明：由于C=O振动的强红外吸收，导致C=O领域的界面菲涅尔系数共振不可忽略，并且在具有强非共鸣信号的固液界面中，菲涅尔系数的共振会极大的影响SFG光谱，导致界面分子的取向情报被掩埋。此时需要引入介质复折射率的定量数据对界面分子取向进行解析。
【未来展望】
本研究提供了获取介质复折射率定量数据的便利途径，在任何需要复折射率数据的研究领域中，此工作均可为光谱的定量解析提供理论以及数据支持。软件的免费公开也期待着能为更多需要相关数据的科研工作者服务。此外，本研究也为SFG光谱表征提供了理论支持，可望促进SFG光谱在固液界面表征中的应用。
本研究由東北大学完成；王琳（Lin Wang）助理教授为软件的主要开发者与论文的第一作者，通讯作者为森田明弘（Akihiro Morita）教授和叶深(Shen Ye)教授。鸣谢理化学研究所田原太平（Tahei Tahara）研究室对本软件开发的大力支持。本文受到文部科学省科学研究費補助金（18H05265, 19K15496, 20H00368）的研費经费支持。
03作者介绍
王琳（Lin Wang）博士，東北大学理学部化学科助理教授。王博士致力于利用分子模拟方法阐明界面的物理化学过程, 是SFG光谱理论计算领域的青年学者；曾获2021年度日本分子科学会奖励奖，在J. Phys. Chem. Letter，J. Phys. Chem.等物理化学知名科学杂志发表研究型论文27篇。其研究成果被引用500余次，h指数为13 (2022/04/06/, Google Scholar)。
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