本發(fā)明屬于團(tuán)簇構(gòu)型搜索研究領(lǐng)域，涉及分子團(tuán)簇體系的量子化學(xué)計算、電遷移性模擬以及dma-ms系統(tǒng)測定分析，尤其涉及一種基于分子碰撞截面閉合的分子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)確定方法。

背景技術(shù)：

1、量子化學(xué)方法是應(yīng)用量子力學(xué)的基本原理和方法來研究化學(xué)分子體系的一種方法。這種方法通過求解薛定諤方程或近似方法，描述和預(yù)測分子的結(jié)構(gòu)、能量等各種化學(xué)性質(zhì)。量子化學(xué)方法在研究原子和分子的結(jié)構(gòu)、反應(yīng)性以及相互作用等方面發(fā)揮著重要作用。在過去的幾十年里，kohn-sham發(fā)展的密度泛函理論(dft)已成為分子結(jié)構(gòu)計算中最常用的方法，其利用電子密度代替波函數(shù)，通過求解kohn-sham方程來描述分子的物理化學(xué)性質(zhì)如結(jié)構(gòu)、能量、電子分布等。目前密度泛函理論在研究化學(xué)系統(tǒng)分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)方面具有廣泛的應(yīng)用，并在環(huán)境化學(xué)和材料科學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。然而，量子化學(xué)計算雖然可以獲得團(tuán)簇結(jié)構(gòu)，但是得到的模擬結(jié)構(gòu)與實測結(jié)果的一致性卻難以考證。

2、質(zhì)譜是研究分子團(tuán)簇的重要工具，用于測量分子團(tuán)簇的化學(xué)組分信息，但是無法獲得團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)信息。差分電遷移率分析儀(dma)是目前已知的唯一一種能夠測量真實電遷移率、具有高傳輸效率和篩分分辨率的空間分散型離子遷移譜設(shè)備。由于不同的帶電團(tuán)簇其荷質(zhì)比、空間結(jié)構(gòu)和碰撞截面不同，因而具有不同的遷移速度，在經(jīng)過電場作用后，它們被分離，逐個到達(dá)收集電極，完成篩分過程。dma通過這種方式能夠篩分出具有特定電遷移率的穩(wěn)定離子流，并利用分離確定的電遷移率來推斷計算帶電團(tuán)簇的碰撞截面。將dma與質(zhì)譜(ms)串聯(lián)使用便可以同時具有電遷移粒徑篩分與化學(xué)組分分析能力，從而實現(xiàn)離子電遷移率和質(zhì)荷比的實時同步測量。

3、碰撞截面(ccs)是分子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)一項關(guān)鍵參數(shù)，用于評估分子團(tuán)簇與自由態(tài)氣體分子之間的相互作用。這種相互作用的復(fù)雜性受多種因素影響，包括氣體分子與帶電納米顆粒的大小、質(zhì)量、相對速度以及它們之間的潛在相互作用。這些粒子不斷進(jìn)行無規(guī)則運動，相互之間發(fā)生碰撞，待測量帶電分子團(tuán)簇的特性與其攜帶的載氣分子之間的碰撞效應(yīng)密切相關(guān)。為了有效計算分子團(tuán)簇的ccs，研究領(lǐng)域涌現(xiàn)了多種算法，如投影近似(pa)、彈性/漫反射硬球散射(ehss/dhss)和軌跡方法(tm)。通過與實驗測量結(jié)果相一致的量化模擬，研究人員能夠驗證模擬分子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性，進(jìn)而確定模擬結(jié)果的可靠性。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)不足，提出一種基于分子碰撞截面閉合的分子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)確定方法。

2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的具體技術(shù)方案如下：提供一種基于分子碰撞截面閉合的分子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)確定方法，包含以下步驟：

3、對分子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，利用量子化學(xué)方法計算求解自洽場方程，進(jìn)行構(gòu)型優(yōu)化搜索，得到該分子團(tuán)簇的多種穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，作為候選；

4、對所述分子團(tuán)簇的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)進(jìn)行電遷移性模擬，求解電遷移率和團(tuán)簇ccs；

5、對所述分子團(tuán)簇進(jìn)行電遷移率分析儀-質(zhì)譜聯(lián)用系統(tǒng)測定分析實驗，獲得團(tuán)簇的化學(xué)組分和電遷移率信息，基于電遷移率計算得團(tuán)簇ccs；

6、對電遷移性模擬所得團(tuán)簇ccs與實驗所得團(tuán)簇ccs進(jìn)行對比驗證，篩選最接近的一種穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，最終獲得該分子團(tuán)簇的準(zhǔn)確結(jié)構(gòu)。

7、進(jìn)一步地，所述量子化學(xué)方法為密度泛函理論方法wb97xd/6-311g+(2df,p)。

8、進(jìn)一步地，所述分子團(tuán)簇至少攜帶一個電荷。

9、進(jìn)一步地，所述電遷移性模擬求解電遷移率具體為：

10、通過軌跡方法模擬不同氣體分子的軌跡，根據(jù)nt個氣體分子與團(tuán)簇顆粒碰撞所需的總時間τt，計算總阻力fd：

11、

12、其中，m是氣體的質(zhì)量，m是分子團(tuán)簇的質(zhì)量，gf和gi分別是氣體分子初始和最終的相對速度；

13、求解電遷移率k：

14、

15、其中，ze是離子的電荷，fd是總阻力，vd是當(dāng)電場力與總阻力fd達(dá)到平衡時團(tuán)簇速度所達(dá)到的最終漂移速度；

16、對3個垂直方向重復(fù)計算，取平均值得到最終的電遷移率。

17、進(jìn)一步地，所述電遷移性模擬求解ccs具體為：

18、通過代入最終的電遷移率計算得到：

19、

20、其中，k1是電遷移率，ze是離子的電荷；n是氣體密度；μ＝mm/(m+m)是折合質(zhì)量，其中m是氣體的質(zhì)量，m是分子團(tuán)簇的質(zhì)量；kb是玻爾茲曼常數(shù)；teff是有效溫度，計算公式為：是團(tuán)簇ccs。

21、進(jìn)一步地，所述軌跡方法利用lj理論計算分子間的相互作用勢能，以模擬不同氣體分子的軌跡：

22、

23、其中，ri＝(xi,yi,zi)為每個原子或電荷與氣體分子之間的相對距離；α表示緩沖氣體的極化率；ε和σ是lennard-jones氣體-原子參數(shù)，ε表示勢能的深度，σ表示零勢能交叉點；ze是離子的電荷，n是氣體密度。

24、進(jìn)一步地，在對所述分子團(tuán)簇進(jìn)行電遷移率分析儀-質(zhì)譜聯(lián)用系統(tǒng)測定分析實驗前，還包括：使用電噴霧進(jìn)行離子化，引入流動管中。

25、進(jìn)一步地，所述電遷移率分析儀-質(zhì)譜聯(lián)用系統(tǒng)，使用氮氣作為鞘氣。

26、在上述基于分子碰撞截面閉合用于確定分子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)的方法中，步驟3涉及dma-ms聯(lián)用系統(tǒng)，dma能夠篩分出穩(wěn)定的具有特定遷移性的離子流，僅具有特定電遷移性的氣溶膠能通過電極板狹縫進(jìn)入下游，獲得近似單分散的氣溶膠束，在對離子電遷移率的高分辨率選擇性篩分計數(shù)的基礎(chǔ)上，可與質(zhì)譜(ms)高效聯(lián)用，實現(xiàn)離子電遷移率和質(zhì)荷比的實時同步測量。

27、本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)，具有以下有益效果：

28、采用高水平量子化學(xué)計算獲得分子團(tuán)簇最優(yōu)模擬結(jié)構(gòu)，將模擬結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論計算獲得ccs與實驗測量值作比對，相較于使用單一量化方法計算獲得的分子團(tuán)簇最優(yōu)模擬結(jié)構(gòu)，提高了結(jié)果的可靠性。

技術(shù)特征：

1.一種基于分子碰撞截面閉合的分子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)確定方法，其特征在于，包含以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于分子碰撞截面閉合的分子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)確定方法，其特征在于，所述量子化學(xué)方法為密度泛函理論方法wb97xd/6-311g+(2df,p)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于分子碰撞截面閉合的分子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)確定方法，其特征在于，所述分子團(tuán)簇至少攜帶一個電荷。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于分子碰撞截面閉合的分子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)確定方法，其特征在于，所述電遷移性模擬求解電遷移率具體為：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于分子碰撞截面閉合的分子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)確定方法，其特征在于，所述電遷移性模擬求解ccs具體為：

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于分子碰撞截面閉合的分子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)確定方法，其特征在于，所述軌跡方法利用lj理論計算分子間的相互作用勢能，以模擬不同氣體分子的軌跡：

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于分子碰撞截面閉合的分子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)確定方法，其特征在于，在對所述分子團(tuán)簇進(jìn)行電遷移率分析儀-質(zhì)譜聯(lián)用系統(tǒng)測定分析實驗前，還包括：使用電噴霧進(jìn)行離子化，引入流動管中。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于分子碰撞截面閉合的分子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)確定方法，其特征在于，所述電遷移率分析儀-質(zhì)譜聯(lián)用系統(tǒng)，使用氮氣作為鞘氣。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于分子碰撞截面閉合的分子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)確定方法。所述方法包括如下步驟：對分子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，利用量子化學(xué)方法計算求解自洽場方程，進(jìn)行構(gòu)型優(yōu)化搜索，得到該分子團(tuán)簇的幾種穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；對所述分子團(tuán)簇的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)進(jìn)行電遷移性模擬，求解電遷移率和碰撞截面(CCS)；對分子團(tuán)簇的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)進(jìn)行DMA?MS測定分析實驗，同步獲得團(tuán)簇的化學(xué)組分和電遷移率信息，其中電遷移率通過理論計算獲得團(tuán)簇CCS；通過對比分析模擬和實驗結(jié)果，可以獲得準(zhǔn)確的分子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)信息。本發(fā)明解決了量子化學(xué)方法計算模擬團(tuán)簇結(jié)構(gòu)與實測結(jié)果的一致性難以考證的問題，相較于使用單一量化方法計算獲得的分子團(tuán)簇最優(yōu)模擬結(jié)構(gòu)，提高了結(jié)果的可靠性。

技術(shù)研發(fā)人員：王志彬,韓玉澤,徐正寧,高健
受保護(hù)的技術(shù)使用者：浙江大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6