量子化學應用精選(九篇)

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第1篇：量子化學應用范文

論文摘要：將量子化學原理及方法引入材料科學、能源以及生物大分子體系研究領(lǐng)域中無疑將從更高的理論起點來認識微觀尺度上的各種參數(shù)、性能和規(guī)律，這將對材料科學、能源以及生物大分子體系的發(fā)展有著重要的意義。

量子化學是將量子力學的原理應用到化學中而產(chǎn)生的一門學科，經(jīng)過化學家們的努力，量子化學理論和計算方法在近幾十年來取得了很大的發(fā)展，在定性和定量地闡明許多分子、原子和電子尺度級問題上已經(jīng)受到足夠的重視。目前，量子化學已被廣泛應用于化學的各個分支以及生物、醫(yī)藥、材料、環(huán)境、能源、軍事等領(lǐng)域，取得了豐富的理論成果，并對實際工作起到了很好的指導作用。本文僅對量子化學原理及方法在材料、能源和生物大分子體系研究領(lǐng)域做一簡要介紹。

一、在材料科學中的應用

（一）在建筑材料方面的應用

水泥是重要的建筑材料之一。1993年，計算量子化學開始廣泛地應用于許多水泥熟料礦物和水化產(chǎn)物體系的研究中，解決了很多實際問題。

鈣礬石相是許多水泥品種的主要水化產(chǎn)物相之一，它對水泥石的強度起著關(guān)鍵作用。程新等[1,2]在假設材料的力學強度決定于化學鍵強度的前提下，研究了幾種鈣礬石相力學強度的大小差異。計算發(fā)現(xiàn)，含Ca鈣礬石、含Ba鈣礬石和含Sr鈣礬石的Al-O鍵級基本一致，而含Sr鈣礬石、含Ba鈣礬石中的Sr，Ba原子鍵級與Sr-O，Ba-O共價鍵級都分別大于含Ca鈣礬石中的Ca原子鍵級和Ca-O共價鍵級，由此認為，含Sr、Ba硫鋁酸鹽的膠凝強度高于硫鋁酸鈣的膠凝強度[3]。

將量子化學理論與方法引入水泥化學領(lǐng)域，是一門前景廣闊的研究課題，它將有助于人們直接將分子的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能聯(lián)系起來，也為水泥材料的設計提供了一條新的途徑[3]。

（二）在金屬及合金材料方面的應用

過渡金屬(Fe、Co、Ni)中氫雜質(zhì)的超精細場和電子結(jié)構(gòu)，通過量子化學計算表明，含有雜質(zhì)石原子的磁矩要降低，這與實驗結(jié)果非常一致。閔新民等[4]通過量子化學方法研究了鑭系三氟化物。結(jié)果表明，在LnF3中Ln原子軌道參與成鍵的次序是：d＞f＞p＞s，其結(jié)合能計算值與實驗值定性趨勢一致。此方法還廣泛用于金屬氧化物固體的電子結(jié)構(gòu)及光譜的計算[5]。再比如說，NbO2是一個在810℃具有相變的物質(zhì)(由金紅石型變成四方體心)，其高溫相的NbO2的電子結(jié)構(gòu)和光譜也是通過量子化學方法進行的計算和討論，并通過計算指出它和低溫NbO2及其等電子化合物VO2在性質(zhì)方面存在的差異[6]。

量子化學方法因其精確度高，計算機時少而廣泛應用于材料科學中，并取得了許多有意義的結(jié)果。隨著量子化學方法的不斷完善，同時由于電子計算機的飛速發(fā)展和普及，量子化學在材料科學中的應用范圍將不斷得到拓展，將為材料科學的發(fā)展提供一條非常有意義的途徑[5]。

二、在能源研究中的應用

（一）在煤裂解的反應機理和動力學性質(zhì)方面的應用

煤是重要的能源之一。近年來隨著量子化學理論的發(fā)展和量子化學計算方法以及計算技術(shù)的進步，量子化學方法對于深入探索煤的結(jié)構(gòu)和反應性之間的關(guān)系成為可能。

量子化學計算在研究煤的模型分子裂解反應機理和預測反應方向方面有許多成功的例子,如低級芳香烴作為碳/碳復合材料碳前驅(qū)體熱解機理方面的研究已經(jīng)取得了比較明確的研究結(jié)果。由化學知識對所研究的低級芳香烴設想可能的自由基裂解路徑，由Guassian98程序中的半經(jīng)驗方法UAM1、在UHF/3-21G*水平的從頭計算方法和考慮了電子相關(guān)效應的密度泛函UB3LYP/3-21G*方法對設計路徑的熱力學和動力學進行了計算。由理論計算方法所得到的主反應路徑、熱力學變量和表觀活化能等結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)對比有較好的一致性，對煤熱解的量子化學基礎(chǔ)的研究有重要意義[7]。

（二）在鋰離子電池研究中的應用

鋰離子二次電池因為具有電容量大、工作電壓高、循環(huán)壽命長、安全可靠、無記憶效應、重量輕等優(yōu)點，被人們稱之為“最有前途的化學電源”，被廣泛應用于便攜式電器等小型設備，并已開始向電動汽車、軍用潛水艇、飛機、航空等領(lǐng)域發(fā)展。

鋰離子電池又稱搖椅型電池，電池的工作過程實際上是Li+離子在正負兩電極之間來回嵌入和脫嵌的過程。因此，深入鋰的嵌入-脫嵌機理對進一步改善鋰離子電池的性能至關(guān)重要。Ago等[8]用半經(jīng)驗分子軌道法以C32H14作為模型碳結(jié)構(gòu)研究了鋰原子在碳層間的插入反應。認為鋰最有可能摻雜在碳環(huán)中心的上方位置。Ago等[9]用abinitio分子軌道法對摻鋰的芳香族碳化合物的研究表明，隨著鋰含量的增加，鋰的離子性減少，預示在較高的摻鋰狀態(tài)下有可能存在一種Li-C和具有共價性的Li-Li的混合物。Satoru等[10]用分子軌道計算法，對低結(jié)晶度的炭素材料的摻鋰反應進行了研究，研究表明，鋰優(yōu)先插入到石墨層間反應，然后摻雜在石墨層中不同部位里[11]。

隨著人們對材料晶體結(jié)構(gòu)的進一步認識和計算機水平的更高發(fā)展，相信量子化學原理在鋰離子電池中的應用領(lǐng)域會更廣泛、更深入、更具指導性。

三、在生物大分子體系研究中的應用

生物大分子體系的量子化學計算一直是一個具有挑戰(zhàn)性的研究領(lǐng)域，尤其是生物大分子體系的理論研究具有重要意義。由于量子化學可以在分子、電子水平上對體系進行精細的理論研究，是其它理論研究方法所難以替代的。因此要深入理解有關(guān)酶的催化作用、基因的復制與突變、藥物與受體之間的識別與結(jié)合過程及作用方式等，都很有必要運用量子化學的方法對這些生物大分子體系進行研究。毫無疑問，這種研究可以幫助人們有目的地調(diào)控酶的催化作用,甚至可以有目的地修飾酶的結(jié)構(gòu)、設計并合成人工酶；可以揭示遺傳與變異的奧秘,進而調(diào)控基因的復制與突變，使之造福于人類；可以根據(jù)藥物與受體的結(jié)合過程和作用特點設計高效低毒的新藥等等，可見運用量子化學的手段來研究生命現(xiàn)象是十分有意義的。

綜上所述，我們可以看出在材料、能源以及生物大分子體系研究中，量子化學發(fā)揮了重要的作用。在近十幾年來，由于電子計算機的飛速發(fā)展和普及，量子化學計算變得更加迅速和方便?？梢灶A言，在不久的將來，量子化學將在更廣泛的領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。

參考文獻：

[1]程新.[學位論文].武漢:武漢工業(yè)大學材料科學與工程學院,1994

[2]程新,馮修吉.武漢工業(yè)大學學報,1995,17(4):12

[3]李北星,程新.建筑材料學報,1999,2(2):147

[4]閔新民,沈爾忠,江元生等.化學學報,1990,48(10):973

[5]程新,陳亞明.山東建材學院學報,1994,8(2):1

[6]閔新民.化學學報,1992,50(5):449

[7]王寶俊,張玉貴,秦育紅等.煤炭轉(zhuǎn)化,2003,26(1):1

[8]AgoH,NagataK,YoshizawAK,etal.Bull.Chem.Soc.Jpn.,1997,70:1717

[9]AgoH,KatoM,YaharaAK.etal.JournaloftheElectrochemicalSociety,1999,146(4):1262

第2篇：量子化學應用范文

（曲靖師范學院化學化工學院，云南 曲靖 655011）

【摘要】采用量子化B3LYP（6-311G**基組水平）對乙腈及其衍生物的反應物，過渡態(tài)和產(chǎn)物的幾何構(gòu)型進行了優(yōu)化，通過振動分析對反應物和產(chǎn)物進行了確認，證實了乙腈異構(gòu)化的機理。

關(guān)鍵詞 乙腈及其衍生物；異構(gòu)化；量子化學

過渡態(tài)理論指出．任何化學反應不只是反應物通過簡單的碰撞就能變成產(chǎn)物，而是要經(jīng)過一個中間過渡態(tài)(活化絡合物)，然后才能變成產(chǎn)物。由于過渡態(tài)的壽命極短，實驗方法難以捕捉，因此運用量子化學方法進行研究，無疑是一種適宜的方法。Hammond曾把過渡態(tài)與反應物和產(chǎn)物關(guān)聯(lián)起來。

提出了對過渡態(tài)結(jié)構(gòu)作近似估計的Hammond原理，但在許多反應中不能用它來作近似的估計。

我們用MNDO方法算得了乙腈異構(gòu)化的反應途徑曲線和過渡態(tài)。為了克服MINDO方法所遇到的一些問題，我們采甩了D~war等人提出的MNDO方法，它是在NDDO近似基礎(chǔ)上發(fā)展起來的 。采用能量梯渡法優(yōu)化了反應物和產(chǎn)物的平衡幾何構(gòu)型用線性內(nèi)坐標法找到了最小能量途徑，再以它的能量投大值時的構(gòu)型作為過渡態(tài)的初始值用Powell方法優(yōu)化得到過渡態(tài)的精細構(gòu)型參數(shù)，并通過力常數(shù)計算和振動分析予以確證。

乙腈又名甲基腈，無色透明液體，極易揮發(fā)，有優(yōu)良的溶劑性能，能溶解多種有機、無機和氣體物質(zhì)，與水和醇能無限互溶。乙腈能發(fā)生典型的腈類反應，并被用于制備許多典型的含氮化合物，是一個重要的有機中間體[1]。當乙腈作為中間體參與化學反應時，研究乙腈及乙腈衍生物的異構(gòu)化對化學反應的途徑及產(chǎn)物的制備具有重要意義[2]。

1計算方法

本文在使用Gaussian 03量子化學程序包[3]，采用B3LYP/6-311G**量子化學方法，對乙腈互變異構(gòu)機理的反應物、過渡態(tài)和產(chǎn)物的幾何構(gòu)型進行了優(yōu)化，并在優(yōu)化的幾何構(gòu)型基礎(chǔ)進行了振動頻率分析，得到分子的幾何構(gòu)型、能量、電荷分布等，全部計算在PIV-1G微機上完成。

1.1異構(gòu)化反應機理

當R為H原子時，即把乙腈作為反應體系的模型反應物，當R先后被1號取代基甲基(Me)，2號叔丁基(t-Bu)，3號苯基(Ph)取代時為乙腈三種不同取代基的異構(gòu)化反應物。計算結(jié)果表明，當互變異構(gòu)進行時，反應物的原子H4從原子C3上遷移到原子C2上，并且N1和C3成鍵。C3-H4鍵的鍵長逐漸拉長，而C2-H4的鍵長和C3-N1鍵均逐漸被縮短，最終C2與H4成鍵，C3與N1成鍵，最終形成一個比較穩(wěn)定的碳氮碳三元環(huán)，通過各駐點的振動分析計算表明，過渡態(tài)都具有唯一的虛頻。在模型反應的基礎(chǔ)上，換取代基進行計算其過渡態(tài)的形式與模型反應相似。

1.2反應物、過渡態(tài)及產(chǎn)物的能量

乙腈的過渡態(tài)ts的相對能為417.8kJ/mol，當H原子被Me和t-Bu取代時，支鏈烷烴取代基隨著供電子基團的增加，它們的過渡態(tài)的相對能略有減小，分別為402.6kJ/mol和389.21kJ/mol；而當用Ph取代H原子時，其過渡態(tài)的相對能下降的比較明顯，過渡態(tài)的相對能為330.8kJ/mol。由此說明了支鏈烷烴取代基隨著碳原子的增加，增大了空間阻礙效應，使其過渡態(tài)的相對能略有降低，但是為什么被苯環(huán)取代的乙腈的過渡態(tài)的相對能要更偏低一點，這是由于苯環(huán)的六個碳原子處于同一個平面上，有一定的共軛效應，但苯基取代的相對能量與支鏈烷烴取代的相對能相差不大。反應物r進行反應時，C3-H4鍵斷裂，H4原子遷移，經(jīng)過一個相對能量較高的過渡態(tài)ts，再經(jīng)過H4原子的遷移形成最后的異構(gòu)產(chǎn)物p。

1.3分子的前線軌道

根據(jù)分子軌道理論，前線軌道及其附近的分子軌道對反應活性影響最大，因此研究前線軌道可以確定反應部位以及為探討作用機制等提供重要信息，HOMO具有優(yōu)先提供電子的重要作用，LUMO具有接受電子的重要作用。分子的最高占據(jù)軌道 (HOMO) 能級和最低空軌道(LUMO)能級之差ΔE反映出分子的穩(wěn)定性和反應的活性。

2結(jié)論

本文采用B3LYP方法對乙腈模型進行了異構(gòu)化的計算研究，從直線性轉(zhuǎn)變?yōu)槿h(huán)，獲得了乙腈及其取代基異構(gòu)化反應機理的一些重要信息，說明乙腈及其取代基異構(gòu)化的一些特征。在模型反應的基礎(chǔ)上，進行了不同烷烴取代基形成乙腈衍生物的計算，從各種參數(shù)分析，不同的取代基有相同的反應機理，有一個過渡態(tài)(ts)，過渡態(tài)的相對能量變化不是很大，產(chǎn)物的相對能變化也不大。

參考文獻

［1］張會琴,梁國明．HNC-HCN反應機理的密度泛函理論研究[J]．自然科學學報,2005，22(3):100~104．

［2］林雪飛,孫成科．氮雜炔正離子與環(huán)烯反應的機理及取代基效應[J]．化學研究與應用,2007,19(8):872~876.

第3篇：量子化學應用范文

    化學鍵是理解有機化合物結(jié)構(gòu)的理論基礎(chǔ),有機化學中最常見的是σ鍵和π鍵,借助于GAMESS-US的計算結(jié)果可清楚地從三維空間立體顯示σ鍵和π鍵的形成過程。圖1是乙烷中的兩個碳原子在最小基基組下相距不同距離時所對應的分子軌道的圖像,從圖中可明顯看出當碳原子相距為3倍平衡鍵長(3Re)時,兩個碳原子上的sp3雜化軌道不能有效重疊成鍵;當碳原子間距離靠近為2Re時,兩個碳原子的sp3雜化軌道能夠部分重疊形成弱的σ鍵;當碳原子間距離靠近到Re時,兩個sp3雜化軌道可最大重疊形成穩(wěn)定的沿鍵軸呈圓柱形對稱的σ鍵。圖2則顯示了乙烯中兩個碳原子上的2pz軌道從相距3Re逐漸靠近到Re按“肩并肩”方式形成成鍵π和反鍵π*軌道的過程。從圖2可明顯看出,π軌道在乙烯平面上的電子云密度為零,而通過兩個位相相反的2pz軌道組合形成的反鍵π*軌道,原子間電子云密度明顯降低。

    2構(gòu)象的演示

    構(gòu)象是有機化學中的一個基本概念,一般是在講述烷烴的時候引入。這里以正丁烷中C2-C3單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)為例來說明如何通過量子化學計算直觀解釋構(gòu)象以及構(gòu)象間的相互轉(zhuǎn)換這些概念。圖3是正丁烷在6-31G(d)基組下繞中心C2-C3旋轉(zhuǎn)不同角度并限制性優(yōu)化得到的不同構(gòu)象的能量曲線。圖中同時給出了各典型構(gòu)象的相對能量及其立體分子結(jié)構(gòu)。從圖中所標示的分子結(jié)構(gòu)的球棍模型可以明顯看出,在二面角為180°(反交叉式)時,丁烷的兩個甲基相聚最遠,整個分子能量最低;而在二面角為60°(順交叉式)時兩個甲基的相互排斥使能量升高大約4.2kJ/mol,兩者都處于勢能曲線上的極小值點,都是較穩(wěn)定的構(gòu)象。從反交叉式轉(zhuǎn)換到順交叉式需要越過15.3kJ/mol的勢壘。而另外的全重疊式和部分重疊式構(gòu)象由于甲基相距太近,排斥能較大使得它們處于能量曲線上的極大值點,因此是不穩(wěn)定構(gòu)象。我們還可以利用頻率計算得到的各構(gòu)象相對自由能根據(jù)玻爾茲曼公式近似計算室溫下各構(gòu)象所占的比例。

    3反應機理的演示

    有機反應機理是有機化學的重要組成部分,也可以說是理解和掌握基本有機反應的基礎(chǔ)。但是有機反應機理普遍較為抽象,對于剛接觸到有機反應的學生而言顯得難以掌握。若能夠以動畫的形式來直觀化整個反應過程,顯然有助于學生對反應機理的理解。這里我們以有機化學里常見的雙分子親核取代(SN2)反應和(氫遷移反應來說明如何通過計算化學來動畫圖示整個反應歷程。3.1SN2反應圖4顯示的是6-31+G(d)基組下由內(nèi)稟內(nèi)坐標(IRC)方法計算得到的SN2反應F-+CH3ClCH3F+Cl-整個反應歷程[6]。從IRC計算得到的反應路徑可以很直觀地闡明整個反應過程:F-從C-Cl鍵背面進攻C原子,隨著反應的進行,F-和中心C原子的距離逐漸接近;與此同時,原來的C-Cl鍵的鍵長逐漸拉長;在反應的過渡態(tài),C原子近似采用sp2雜化,和三個氫原子形成一個近似平面的結(jié)構(gòu),F-和Cl-分別位于這個平面的兩側(cè),F和C以及C和Cl均是靠弱的σ鍵聯(lián)系在一起,隨后F-進一步靠近和C形成F-C鍵,Cl-離去最后形成自由的Cl-。整個反應過程可以制作成一個動畫進行直觀演示,活化能的數(shù)據(jù)也可直接從反應混合物和過渡態(tài)的相對能量差得到。3.2σ遷移反應σ遷移反應屬于周環(huán)反應的一種,和有機化學中大多數(shù)離子型或者自由基反應機理不同,σ遷移反應一般是通過環(huán)狀過渡態(tài)協(xié)同完成。這里我們以1,3-戊二烯的[1,5]σ氫遷移反應為例,說明通過量子化學計算結(jié)果所展示的整個協(xié)同反應歷程(圖5)。從IRC計算得到的結(jié)果可以直觀重現(xiàn)整個反應過程:甲基上的氫逐漸向端基的烯基碳原子靠近,形成一個六元環(huán)過渡態(tài)結(jié)構(gòu),隨后舊的碳氫鍵逐漸斷裂、新碳氫鍵生成,最后形成產(chǎn)物。

第4篇：量子化學應用范文

關(guān)鍵詞：Gaussian程序；教學實踐；應用教學

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）27-0162-02

Gaussian程序起源于上世紀七八十年代，當時計算機硬件條件很差，只能計算比較簡單的分子，且計算級別較低，所以幾乎不能應用于解決化學問題。隨著計算機硬件技術(shù)的發(fā)展和計算方法的不斷優(yōu)化改良，到上世紀八九十年代，人們已經(jīng)逐漸可以借助量子化學計算程序去對實驗中的化學體系進行模擬和研究。值得一提的是，1998年諾貝爾化學獎授予科恩和波普爾，以表彰他們在理論化學領(lǐng)域做出的重大貢獻。他們的工作使實驗和理論能夠共同協(xié)力探討分子體系的性質(zhì)，引起整個化學領(lǐng)域經(jīng)歷一場革命的變化，使化學不再是一門純粹的實驗科學。其中，波普爾正是Gaussian程序的原創(chuàng)者之一，此次得獎也是為Gaussian程序在世界范圍內(nèi)被接受和認可奠定了基礎(chǔ)。Gaussian的版本從上世紀開始有Gaussian 70、Gaussian 80、Gaussian 90、Gaussian 98等一系列程序。進入21世紀，隨著Gaussian 98、Gaussian 03、Gaussian 09[1]等版本的持續(xù)更新和改進，Gaussian程序的功能也越來越強大，應用范圍也越來越廣。目前，Gaussian的主要功能包括：過渡態(tài)能量和結(jié)構(gòu)、反應路徑、熱力學性質(zhì)、分子軌道、鍵和反應能量、原子電荷和電勢、核磁性質(zhì)、紅外和拉曼光譜、振動頻率、極化率和超極化率等，計算不僅可以對具體體系的基態(tài)進行計算，還可以對其激發(fā)態(tài)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)進行研究。另外，它還可以用來預測周期體系的能量、結(jié)構(gòu)和分子軌道。因此，Gaussian可以作為功能強大的工具，用于研究許多化學領(lǐng)域的課題，例如取代基的影響，化學反應機理，勢能曲面和激發(fā)能等。該程序近年來的高速發(fā)展和廣泛應用使其成為化學學科的科研教學人員必須掌握的工具之一。目前國內(nèi)很多知名高校和科研院所都已經(jīng)開展了Gaussian程序應用這門課程，并且作為相關(guān)專業(yè)本科生和研究生的必修課程。鑒于此，我院于2014年也開展了Gaussian程序應用作為研究生選修課程，這對于提高我院研究生專業(yè)素養(yǎng)和科研水平具有重要的意義。

一、Gaussian程序應用的參考教材選取

有很多關(guān)于Gaussian程序應用方面的書籍，包括中文的和英文的。針對這門課來說，我選擇的參考教材主要是Foresman和Frisch編著的《Exploring chemistry with electronic structure methods》[2]以及可在Gaussian官網(wǎng)下載的與其配套的例子。該書分為三個部分，分別是基本概念和技術(shù)（包括第一章計算模型、第二章單點能計算、第三章幾何優(yōu)化、第四章 頻率分析）、計算化學方法（包括第五章基族的影響、第六章理論方法的選擇、第七章高精度計算）和應用部分（包括第八章研究反應和反應性、第九章激發(fā)態(tài)、第十章溶液中的反應）。我選擇此書的出發(fā)點是：它的內(nèi)容從基礎(chǔ)到應用、從淺至深地介紹了Gaussian程序的主要功能和應用。書中的例子涉及分子能量和結(jié)構(gòu)研究、過渡態(tài)的能量和結(jié)構(gòu)研究、化學鍵以及反應的能量、振動頻率、分子軌道、偶極矩和多極矩、原子電荷和電勢、紅外和拉曼光譜、核磁、極化率和超極化率、熱力學性質(zhì)、IRC反應途徑等計算，另外還舉例模擬了在氣相和溶液中的體系、模擬基態(tài)和激發(fā)態(tài)分子的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)。這些具體例子能夠幫助從事化學及其相關(guān)領(lǐng)域的科研工作人員、教師和研究生等從不同的視角把握分子模型設計和計算模擬的策略、原則和方法，從而能夠讓研究人員全面了解Gaussian程序計算的模擬方法和應用實例。

二、Gaussian教學內(nèi)容的選取

Gaussian程序主要是以分子力學和量子力學等為理論依據(jù)，借助計算機模擬進行化學問題研究的一門交叉學科。該課程教學涉及內(nèi)容多、范圍廣，這就要求學生具有良好的數(shù)學、計算化學、結(jié)構(gòu)化學、物理化學、有機化學、無機化學和計算機科學等眾多專業(yè)知識的積累。學習這門課有助于拓寬學生的知識面，培養(yǎng)學生綜合多種學科知識，解決實際復雜的化學問題的能力。然而這門課理論概念抽象，學生理解起來非常困難，教學難度也較大。選修這門課的學生主要來自物理化學專業(yè)和有機化學專業(yè)。對于物理化學專業(yè)的學生來說，他們的結(jié)構(gòu)化學、計算化學和物理化學知識基礎(chǔ)較好，這門課的學習不是非常困難。然而對于有機化學專業(yè)的學生來說，這門課學起來就比較困難了，因為他們的計算化學、結(jié)構(gòu)化學和計算機科學知識比較薄弱。如何將抽象的化學知識簡單化，形象化，幫助學生理解復雜的有機反應機理，提高學習積極性，這對老師的教學方法和方式有很高的要求。

針對不同化學專業(yè)學生的特點和他們將來要從事的職業(yè)，我更加注重實踐教學而不是抽象概念的講解和公式的推導。對于量子化學計算中涉及的一些算法學生只需了解，如果有學生對于基礎(chǔ)知識非常感興趣，我建議他們?nèi)ヂ犃孔恿W和結(jié)構(gòu)化學課程。在課堂上，我重點講解Gaussian程序的常用計算方法、思路和一些典型案例，以及如何運用這些方法解決科研中碰到的實際問題。比如講解什么是半經(jīng)驗計算、什么是Hartree-Fock近似、什么是密度泛函理論、什么是分子力學算法等，講解他們的區(qū)別以及在不同情況下如何選擇不同的算法。此外，我還重點講解基于量化計算的分子結(jié)構(gòu)（包括穩(wěn)定態(tài)和過渡態(tài)）的優(yōu)化，分子光譜的計算和反應機理研究。這些內(nèi)容對于化學專業(yè)的學生來說都是非常有意義的，可以幫助他們后續(xù)的科研工作。為了激發(fā)學生的學習興趣，調(diào)動學生的自主性，讓學生積極參與到課堂的專題實驗交流活動，提高課堂教學的效果，我會教學生使用一些軟件圖形界面如Gaussview等，直接生動地展示和分析一些分子的三維結(jié)構(gòu)，將抽象的化學分子通過色彩鮮艷的三維立體形象界面予以展示，并教會他們?nèi)绾问褂肎aussview建立分子模型和分析計算結(jié)果。在用Gaussview軟件建立模型的過程中，我首先對主工具欄里邊的元素工具和環(huán)工具等建模工具做了講解，然后再對編輯工具即鍵長、鍵角和二面角工具做了使用演示，另外還講了加H工具和原子消除工具的使用。事實上，上述的這幾個工具如果能掌握好，學生們基本上就能根據(jù)所學化學知識來建立相應的分子的三維結(jié)構(gòu)模型。隨后，在課堂上我再演示如何用鼠標操作來旋轉(zhuǎn)、移動、縮放和疊加結(jié)構(gòu)，如何用鼠標操作來改變分子的顯示形式和顏色，如何查看結(jié)果如能量數(shù)據(jù)，以及如何顯示分子的原子電荷和分子軌道性質(zhì)等。等學生基本掌握了Gaussview的模型建立和結(jié)果分析工具，我會給他們講解如何將分子模型通過設置不同的關(guān)鍵詞來提交相應任務給Gaussian程序去執(zhí)行，如結(jié)構(gòu)優(yōu)化的關(guān)鍵詞是OPT，頻率計算的關(guān)鍵詞是FREQ等。由于Gaussian的功能強大，授課時間有限，我們只介紹一些基本操作和簡單例子給學生。例如讓學生對鄰位、間位和對位的二取代苯進行在不同計算級別（如HF/6-31G（d，p）水平下）進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化模擬，然后對其能量比較分析哪個異構(gòu)體在氣相和液相下最穩(wěn)定。對于反應機理，我會讓學生通過尋找一些簡單的常見化學反應如Diels-Alder反應、SN2親核取代反應的過渡態(tài)的構(gòu)型來加深對反應通道的理解，通過IRC計算直觀的看出化學反應中分子結(jié)構(gòu)的變化。此外，我還會講一些實例介紹光譜的預測，比如首先我們會在基態(tài)下用DFT方法優(yōu)化發(fā)光分子的結(jié)構(gòu)，然后對其進行TDDFT計算來預測其紫外吸收光譜和熒光光譜等發(fā)光性質(zhì)，從而為功能分子的設計提供便利。最后，根據(jù)本院實際科研需要，我們會適當進行一些應用教學來滿足不同專業(yè)學生的需求。

三、開展Gaussian程序應用課程的前景展望

自然科學發(fā)展的歷史和規(guī)律表明，多學科的優(yōu)勢交叉促進了最基本的微觀過程和最復雜的宏觀過程的統(tǒng)一認識。在這個信息大爆炸的時代，Gaussian這一量子化學計算程序應運而生并被廣泛認可和應用。它既要求使用者有一定的量子力學等數(shù)理基礎(chǔ)來理解計算流程，而且要求他們對于化學問題有深刻認識和獨特見解，屬于一門高度交叉的新興方法和工具，涉及應用化學、理論化學和計算機科學等眾多領(lǐng)域。目前，Gaussian程序已經(jīng)成為理論化學計算中的常規(guī)方法之一，開展此門課程可以使科學研究人將其用于未來的反應機理研究、反應的立體和化學選擇性的解釋、化合物結(jié)構(gòu)及其光譜等性質(zhì)預測，并可指導設計小分子催化劑甚至新型催化反應，減少實驗上的盲目性和偶然性，從而達到節(jié)省人力、物力和財力的最終目的。

理論計算化學在近幾十年來取得了實質(zhì)性進展，已從根本上改變了人們對于化學只是一門實驗科學的認知，它已經(jīng)成為化學學科的一個重要組成部分。我國的理論計算研究發(fā)展迅速，化學學科正處于從單純實驗到以實驗和理論計算相輔相成轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵時期，從專業(yè)發(fā)展的角度而言，開展理論計算化學相關(guān)課程如Gaussian程序應用具有非常廣闊的應用前景和發(fā)展空間。

參考文獻：

第5篇：量子化學應用范文

礦產(chǎn)資源開發(fā)利用中,礦物分離與富集的依據(jù)是有用礦物與脈石礦物之間的物理化學性質(zhì)差異。這種物理化學性質(zhì)指的是礦物比重、磁性、電性、表面化學性質(zhì)等,與這些性質(zhì)對應的礦物分離與富集方法分別是重力選礦、磁電選礦、浮選等。利用重力選礦和磁電選礦分離與富集礦物的方法受到礦物比重、磁性和電性難以改變的限制,應用范圍相對較窄,而礦物表面性質(zhì)可以通過人為改變,對應的浮選在礦物加工工程得到廣泛的應用?？梢哉f,所有的礦物都可以通過浮選方法進行分離與富集。正是由于浮選成為礦物分離與富集應用最為廣泛的方法,而浮選的理論基礎(chǔ)又是化學,所以化學是礦物加工工程學科的重要基礎(chǔ)成為公認的事實,浮選作為礦物加工的主要方法,本身就是化學在礦物加工工程學科中的一種應用,因此,化學教育在礦物加工工程學科的基礎(chǔ)理論教育中占有非常重要的地位。礦物和巖石是自然界中天然形成的,具有固定組成的固體化合物,由于成分不同、成礦條件不同,不同的礦物表面性質(zhì)是不同的,即使相同組成的礦物,由于成礦地點和成礦條件不同也會具有不同的表面性質(zhì)。對于浮選分離礦物而言,不同的礦物表面性質(zhì)又有相似之處,礦物與巖石之間、礦物與礦物之間、巖石與巖石之間的表面性質(zhì)異同,成為浮選分離與富集這些礦物的根本依據(jù)。浮選工程中,礦物與巖石的表面性質(zhì)可以根據(jù)需要人為調(diào)節(jié)和改變,從而擴大需要分離的礦物之間的表面性質(zhì)差異,實現(xiàn)礦物之間的有效分離。化學是學生需要學習的基礎(chǔ)課程,從初中開始,就涉及到化學的學習,直到博士研究生,化學仍然是礦物加工工程學科學生需要繼續(xù)學習的課程。甚至作為高層次的礦物加工工程學科的教授專家,仍在不間斷的學習化學。化學與浮選是不可分的,可以說,無論多么深厚的化學知識,都不能說對于浮選已經(jīng)足夠了。化學有多深奧,浮選就有多深奧。礦物加工工程學科人才培養(yǎng)過程中,化學教育是根本之一,不同層次的人才對應不同程度的化學教育。只有重視化學教育,才能做好礦物加工學科的人才培養(yǎng)。

1浮選是化學在礦物加工工程中的應用

無機化學研究元素、單質(zhì)和無機化合物的來源、制備、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、變化和應用的一門化學,是化學中最古老的化學分支學科。浮選的對象為礦物巖石,本身就是無機物,礦物的表面性質(zhì)決定于礦物本身的結(jié)構(gòu)和性質(zhì),礦物表面性質(zhì)的研究離不開礦物內(nèi)部組成、結(jié)構(gòu)及性質(zhì)的研究。礦物與巖石的研究將涉及無機化學的所有領(lǐng)域與內(nèi)容,無機化學成為礦物加工工程學科學生的必修課程。有機化學又稱為碳化合物的化學,是研究有機化合物的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、制備的學科,是化學中極重要的一個分支。含碳化合物被稱為有機化合物是因為以往的化學家們認為含碳物質(zhì)一定要由生物(有機體)才能制造;然而在1828年的時候,德國化學家弗里德里希•維勒,在實驗室中成功合成尿素(一種生物分子),自此以后有機化學便脫離傳統(tǒng)所定義的范圍,擴大為含碳物質(zhì)的化學。礦物浮選是通過改變礦物表面的疏水性來實現(xiàn)的,而增加礦物表面疏水性的方法是采用含烴基的異極性分子在礦物表面吸附,含烴基的異極性分子就是典型的有機物質(zhì)分子,研究捕收劑、起泡劑等浮選藥劑,將涉及廣泛的有機化學。有機化學也是礦物加工工程學科學生的必修課程。物理化學的內(nèi)容大致可以概括為三個方面:化學體系的宏觀平衡性質(zhì),以熱力學的三個基本定律為理論基礎(chǔ),研究宏觀化學體系在氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)、溶解態(tài)以及高分散狀態(tài)的平衡物理化學性質(zhì)及其規(guī)律性。屬于這方面的物理化學分支學科有化學熱力學。溶液、膠體和表面化學?；瘜W體系的微觀結(jié)構(gòu)和性質(zhì)以量子理論為理論基礎(chǔ),研究原子和分子的結(jié)構(gòu),物體的體相中原子和分子的空間結(jié)構(gòu)、表面相的結(jié)構(gòu),以及結(jié)構(gòu)與物性的規(guī)律性。屬于這方面的物理化學分支學科有結(jié)構(gòu)化學和量子化學?；瘜W體系的動態(tài)性質(zhì)研究由于化學或物理因素的擾動而引起體系中發(fā)生的化學變化過程的速率和變化機理。屬于這方面的物理化學分支學科有化學動力學、催化、光化學和電化學。物理化學是一門內(nèi)容豐富,外延廣闊的化學,浮選涉及的礦物巖石、礦漿溶液、有機分子以及泡沫浮選氣體介質(zhì)與礦物之間的相互作用等等,都涉及到物理化學。物理化學在礦物加工工程本科課程設置,占有最多的學時數(shù),分兩學期學習,是礦物加工工程學科至關(guān)重要的一門化學課程。物理化學學習好壞直接關(guān)系到浮選學習。物理化學也是礦物加工工程學科研究生入學考試的必考課程。分析化學的內(nèi)容主要是:物質(zhì)中元素、基團的定性分析;每種成分的數(shù)量或物質(zhì)純度的定量分析;物質(zhì)中原子彼此聯(lián)結(jié)而成分子和在空間排列的結(jié)構(gòu)和立體分析。研究對象從單質(zhì)到復雜的混合物和大分子化合物,從無機物到有機物,從低分子量到高分子量。樣品可以是氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)。稱樣重量可由100克以上以至毫克以下。1931年E.威森伯格提出的殘渣測定,只取10微克樣品,便屬于超微量分析。所用儀器從試管直到附自動化設備并用電子計算機程序控制、記錄和儲存等的高級儀器。分析化學以化學基本理論和實驗技術(shù)為基礎(chǔ),并吸收物理、生物、統(tǒng)計、電子計算機、自動化等方面的知識以充實本身的內(nèi)容,從而解決科學、技術(shù)所提出的各種分析問題。礦物加工工程學科涉及的礦物巖石、溶液、有機和無機藥劑、礦物加工原料及產(chǎn)品都需要通過分析檢測得以定性或定量的描述,理論研究過程中的儀器分析檢測,對礦物加工過程中的行為機理也才能進行研究和了解,所以礦物加工也與分析化學密切相關(guān)。礦物加工工程學科課程設置中,在本科階段或者在研究生階段需要對分析化學進行系統(tǒng)學習。結(jié)構(gòu)化學、高分子化學、絡合物化學、電化學、量子化學等是比以上四大化學更加細化的化學分支方向,在進行礦物浮選研究中,針對具體的研究內(nèi)容和目的,不同程度地將涉及到這些更加深入和細化的內(nèi)容。為了使化學與礦物加工工程學科結(jié)合的更加緊密,在研究生階段還開設了浮選表面化學、浮選藥劑化學、浮選電化學、浮選溶液化學等。盡管在礦物加工工程學科不同階段開設了大量的化學課程，涉及的化學內(nèi)容幾乎涵蓋了化學領(lǐng)域的所有內(nèi)容，但對浮選的深入研究和理解仍然不夠。礦物浮選發(fā)展至今，還有大量的浮選理論問題沒有解決，浮選工藝的水平還有待提升，進一步強化化學教育和礦物浮選化學研究對礦物浮選的發(fā)展具有重要的基礎(chǔ)作用。

2各層次人才培養(yǎng)中的化學教育

以技術(shù)工人為培養(yǎng)目標的中專和職業(yè)教育,由于生源大多是初中和高中畢業(yè)生,化學知識非常有限,僅對一些化學基礎(chǔ)知識有所了解,特別是初中文化水平的學生,只能了解一些初步的化學現(xiàn)象,因此,在進行礦物加工專業(yè)知識教學的過程中,必須補充一些學習浮選技術(shù)必要的化學知識。這種化學知識的補充,可以貫穿在專業(yè)知識的學習過程中,也可以單獨開設簡單的化學課程。只有在學生初步了解和掌握了浮選技術(shù)必備的基本化學知識以后,浮選技術(shù)專業(yè)課程的教學才能有效開展,學生也才能真正理解礦物浮選的技術(shù)知識。對于以生產(chǎn)技術(shù)管理和技術(shù)應為目標的?？坪捅究平逃?系統(tǒng)的課程設置已經(jīng)考慮了化學對礦物加工工程的重要性,無機化學、有機化學、物理化學都是必修課程,學時數(shù)占到專業(yè)基礎(chǔ)課程學時數(shù)很大的比例,經(jīng)過系統(tǒng)的化學知識的學習,學生在學習浮選專業(yè)課程時,已經(jīng)能夠較深入理解礦物浮選中的化學問題,也能較好掌握浮選理論和浮選工藝專業(yè)知識。在生產(chǎn)技術(shù)管理和技術(shù)應用過程中,也基本能根據(jù)礦石性質(zhì)的變化,應用所學到的化學知識和浮選理論,分析解決生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的一般性的技術(shù)問題。以科學研究為目標的研究生教育,為了使學生能夠從生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)和解決生產(chǎn)技術(shù)問題,具備獨立從事礦物加工工程領(lǐng)域科學研究的能力,在大學期間學習無機化學、有機化學、物理化學的基礎(chǔ)上,還需要進一步學習分析化學。通過分析化學的學習,可以讓研究生掌握常規(guī)的分析檢測技術(shù),了解和掌握科學研究過程中所要使用的現(xiàn)代檢測手段,發(fā)現(xiàn)、分析和研究試驗過程中獲得的數(shù)據(jù)、結(jié)果,從而解決科學技術(shù)問題。對于博士研究生,是要讓他們更深層次理解礦物浮選的機理,培養(yǎng)其創(chuàng)新精神和意識,為此,從電子、原子、分子層面上理解礦物浮選理論是必要的,所以,在已經(jīng)較好掌握了無機化學、有機化學、物理化學、分析化學的基礎(chǔ)上,量子化學的學習和了解對于博士研究生來說是需要的。從以上的分析可知,浮選跟化學是不可分的,浮選實際上就是應用化學的一部分。無論是技術(shù)操作工人,還是從而浮選理論研究的博士研究生,不同程度都必須將化學作為基礎(chǔ),沒有相應的化學基礎(chǔ),從事浮選技術(shù)應用、技術(shù)開發(fā)及浮選理論研究都是難以想象的。化學是浮選的基礎(chǔ),浮選是礦物加工工程最重要的方法,因而礦物加工工程學科的化學教育是極端重要的。

3重視礦物加工工程學科的化學教育

礦產(chǎn)資源是不可再生的,隨著礦產(chǎn)資源的不斷開發(fā)利用,資源枯竭已經(jīng)成為制約社會和經(jīng)濟發(fā)展的重要問題之一,資源高效利用成為礦產(chǎn)資源開發(fā)與利用必須堅持的原則。如何實現(xiàn)資源的高效利用,顯然礦物加工先進技術(shù)的開發(fā)與利用是實現(xiàn)資源高效的重要支撐。礦物加工工程中,浮選是最為主要的方法,而化學優(yōu)勢浮選的基礎(chǔ),通過浮選回收和利用礦產(chǎn)資源,實際上就是利用化學或者表面化學方法回收和利用礦產(chǎn)資源。重視礦物加工工程學科的化學教育問題,才可能從根本上提高人才質(zhì)量,才能從源頭上解決礦產(chǎn)資源高效利用的根本問題。礦產(chǎn)資源開采出來以后,多種資源共伴生,性質(zhì)復雜,給資源中各種礦物的分離與富集帶來了很多困難,為了實現(xiàn)資源的綜合利用,只要有價值的礦物,都要進行回收,此時,這種礦物的物理化學性質(zhì)研究,通過化學的方式改變各種礦物的性質(zhì),擴大彼此間性質(zhì)的差異就成為礦物加工工程學科的重要課題,而所使用的方法基本上都是化學的方法,所以,礦物加工工程學科中的化學,決定著礦產(chǎn)資源的綜合利用,也只有重視礦物加工工程學科的化學教育問題,才可能從根本上提高人才質(zhì)量,才能從源頭上解決礦產(chǎn)資源綜合利用的根本問題。礦產(chǎn)資源天然形成的,其中的組分有的是對人類社會有益的,但同樣存在對人類社會有害的組分,在礦產(chǎn)資源回收利用過程中,高效、綜合回收有益組分的同時,處理好有害成分也是礦物加工工程學科的任務。只有解決了有害組分的處理,使得礦物加工過程中和礦物加工以后剩下來無用組分無害于人類和社會,礦產(chǎn)資源才能實現(xiàn)清潔利用。礦產(chǎn)資源中有害組分的處理,首先也必須掌握這些組分的性質(zhì),然后通過化學的、物理的方法對其進行分離、無害化處理等,而這些過程也與化學密切相關(guān),所以,礦產(chǎn)資源的清潔利用也離不開化學。礦物加工工程學科的化學教育也是礦產(chǎn)資源清潔利用所要求的。礦物加工過程大都需要將礦石磨細,使礦石中的有用礦物與脈石礦物解離,而有用礦物與脈石礦物的分離大多是在水中進行的,礦物加工工程廢水排放成為影響環(huán)境的重要問題。當今的礦物加工工程領(lǐng)域,要求選礦廢水零排放,確保廢水對環(huán)境不造成影響。廢水零排放意味著廢水必須回用,而廢水回用將帶來對選礦技術(shù)指標產(chǎn)生影響的問題,為了盡可能不是回水影響選礦技術(shù)指標,必須對回水進行性質(zhì)研究,有的還要進行適當?shù)幕瘜W處理,無論是回水性質(zhì)的研究和回水的化學處理,都需要涉及化學知識,所以,礦物加工過程中廢水對環(huán)境的影響、廢水回用的處理等都直接與化學相關(guān)。礦物加工的環(huán)境問題也要求礦物加工工程學科重視化學教育。礦物加工過程中,做好了資源高效、綜合、清潔利用,做好了廢水的循環(huán)利用和實現(xiàn)了廢水的零排放,就能實現(xiàn)礦產(chǎn)資源開發(fā)利用的可持續(xù)發(fā)展,而礦產(chǎn)資源高效、綜合、清潔利用與廢水處理均與化學密切相關(guān),由此看出化學在礦物加工工程領(lǐng)域的重要性,重視化學教育是礦物加工工程學科的必然要求。

第6篇：量子化學應用范文

關(guān)鍵詞： 肽鍵 光譜 生物分子

對于分子結(jié)構(gòu)，振動光譜可以提供精確的信息，尤其是對于手性分子，其可以通過各種光學技術(shù)進行檢測，如振動圓二色譜、拉曼光學活性譜等，這些都對分子的絕對構(gòu)型很敏感。截至目前，應用領(lǐng)域最多的是生物分子，比如氨基酸、蛋白質(zhì)，核酸和糖類等[1]。為了探究更多生物分子的構(gòu)型和構(gòu)象，前人做了大量的理論預測和實驗光譜研究。例如，Bour等人[2]采用量子化學模擬研究了不同長度生物分子的振動光譜，進而研究了各種分子振動張量對分子性質(zhì)的影響。我們先前也通過實驗表征和密度泛函計算研究了環(huán)氨基酸分子的立體構(gòu)型，通過實驗和理論比較發(fā)現(xiàn)，B3LYP方法提供了精確的光譜預測[3]，這有助于提高生物分子光譜性質(zhì)的精確預測，并幫助實驗光譜指派合理的分子構(gòu)型。本文利用密度泛函DFT方法對含兩個肽鍵甘氨酸三聚體的紅外光譜和拉曼光譜做系統(tǒng)研究，這些工作為以后實驗光譜比較分析提供理論參考，并進一步為可能的生命活動提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.理論計算

我們采用密度泛函DFT-B3LYP方法[4]，對含有兩個肽鍵甘氨酸的光譜性質(zhì)做了系統(tǒng)研究，計算中采用了6-31++G**全電子基組形式。為了考慮結(jié)構(gòu)中的弱相互作用，所有計算都采納了D3色散校正[5]。整個計算任務都采用GAUSSIAN 09程序包[6]，在I7單機上完成。

2.結(jié)果和討論

2.1結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

我們通過量子化學模擬，對甘氨酸單體、二聚體和三聚體的電子親和能和電離勢做了理論計算。定義如下：電子親和能計算公式EA=E0-E-1；電離勢計算公式EA=E+1-E0。根據(jù)計算結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)甘氨酸三聚體的電子親和能比單體和二聚體的分別小約0.42和0.19 eV，而其電離勢也比它們的分別小約0.22和0.17 eV，這些表明甘氨酸隨著聚合度的增加，其電子親和能和電離勢都降低，并進一步說明其穩(wěn)定結(jié)構(gòu)更易于接受/失掉一個電子而成為陰/陽離子。

2.2模擬的振動光譜

基于優(yōu)化好的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，在B3LYP/6-31++G**理論級別上，我們研究了三聚體的紅外振動和拉曼光譜，振動光譜圖見下圖。通過紅外振動頻率分析，我們發(fā)現(xiàn)位于1759 cm-1的最強紅外振動峰歸屬于結(jié)構(gòu)下面兩個C=O官能團的伸縮振動，附近的1824 cm-1次強峰來自于上面一個C=O官能團的伸縮振動；中等峰1541 cm-1歸咎于主鏈上N-H骨架內(nèi)搖擺振動，而1184 cm-1歸屬于羧基中的C-O的伸縮振動。

拉曼振動光譜如圖1b所示，僅僅在高波段有三個峰，如位于3046和3081 cm-1的振動峰歸屬于主鏈上CH2中對稱伸縮振動，而3132 cm-1的弱峰來自于CH2中非對稱伸縮振動；在小于3000 cm-1的波段，沒有明顯強峰存在。通過這些理論模擬，我們對甘氨酸三聚體的紅外和拉曼振動峰做了歸屬，其結(jié)果有助于實驗研究的進一步比較分析。

圖 模擬甘氨酸三聚體的振動光譜： （a）紅外， （b）拉曼

3.結(jié)語

本文采用密度泛函B3LYP方法對含兩個肽鍵甘氨酸三聚體的紅外和拉曼光譜做了理論預測。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：甘氨酸隨著聚合度的增加，其電子親和能和電離勢都降低，表明其化學穩(wěn)定性都減弱。我們對三聚體的紅外和拉曼光譜進行了理論模擬，并對所有紅外振動峰做了歸屬，發(fā)現(xiàn)紅外最強峰來自于C=O的伸縮振動。這些研究結(jié)果對以后甘氨酸的各種實驗表征和分析提供有價值的理論參考。

參考文獻：

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第7篇：量子化學應用范文

關(guān)鍵詞：原子軌道；誤概念；概念轉(zhuǎn)變

文章編號：1008-0546（2016）04-0010-03 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.04.004

從道爾頓的原子學說到盧瑟福的核型原子模型，人們一步一步地認識原子的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)。當原有理論不能解釋氫原子線狀光譜等實驗事實時，出現(xiàn)了量子力學。

玻爾引入了部分量子理念，但只能解釋氫原子及一些單電子離子的光譜，原因在于其沒有完全拋棄經(jīng)典力學的內(nèi)容。1926年薛定諤意識到，微觀粒子的波粒二象性和不確定性之間的關(guān)系，提出了薛定諤方程。通過求解薛定諤方程得出原子的能量和波函數(shù)，波函數(shù)又被稱為“原子軌道”，能量稱為原子軌道能。這正是原子軌道的基礎(chǔ)，表示核外電子的運動狀態(tài)，與經(jīng)典的軌道意義不同，是一種軌道函數(shù)。[1]由于高中階段學生并未接觸波函數(shù)和薛定諤方程，本文將“原子軌道”理解為電子在核外空間概率密度較大的區(qū)域?？捎捎诓栃行悄Ｐ头浅Ｐ蜗蠛唵?，學生常常深刻記憶，阻礙學生理解原子軌道的本質(zhì)――概率。本文就此研究學生產(chǎn)生有關(guān)“原子軌道”誤概念的原因，針對誤概念進行概念轉(zhuǎn)變。

一、誤概念產(chǎn)生原因分析

1. 受舊量子學說“玻爾理論”干擾

不同水平學生都更喜歡具體、簡單的抽象模型。例如：原子和分子的全填充模型；玻爾原子模型；八隅體規(guī)則等。即使學生在一個很高的教育水平也可能使用簡單的抽象模型，例如原子模型的量子化學或分子軌道。[2]文獻整理發(fā)現(xiàn)，學生對玻爾模型尤為記憶深刻。

物理學家玻爾（Niels Bohr，1885-1962），建立氫原子核外電子運動模型，解釋了氫原子光譜，后人稱為“玻爾理論”，主要內(nèi)容：（1）行星模型；（2）定態(tài)假設；（3）量子化條件；（4）躍遷規(guī)則。[3]后來的新量子論完全拋棄了玻爾行星模型的“外殼”，而玻爾理論的合理“內(nèi)核”保留下來的。學生們卻恰恰相反，牢固地記住了“外殼”，忽略了“內(nèi)核”。

（1） “軌道”（orbital）的錯誤認識

學生混用“軌道”（orbital）和“玻爾軌道”（orbit）。“軌道”（orbital）是用來描述在一定能層和能級上又有一定取向的電子云，即電子在核外空間概率密度較大的區(qū)域。

Georgios Papaphotis和Georgios Tsaparlis（2008）[4]通過測驗題檢測學生對基礎(chǔ)量子化學的理解程度。其中有一道題為“根據(jù)你的猜想，畫出氫原子實際的樣子。”超過三分之二的學生堅持“行星模型”（即使已經(jīng)學習量子力學概率模型）。圖1為學生的圖畫表征。

學生對“玻爾行星模型”記憶深刻，有三個原因：第一，玻爾采用“類比”的方法，將核外電子運行方式比喻成行星圍繞太陽運行，非常形象，不用死記硬背；第二，量子化學用電子云表征“軌道”（orbital），學生頭腦中并沒有類似的“圖式”可以“同化”，造成認知記憶障礙；第三，兩個理論都用“軌道”表述，使學生產(chǎn)生理解偏差。是否可以將現(xiàn)今的“軌道”（orbital）改稱“云層”，以區(qū)別于“玻爾軌道”（orbit），一方面體現(xiàn)電子云的表征方式突出本質(zhì)，另一方面體現(xiàn)了原子軌道（s，p，d.....）能級層次。

（2） “基態(tài)”和“激發(fā)態(tài)”的錯誤理解

學生受玻爾理論中的行星軌道影響，認為“基態(tài)”和“激發(fā)態(tài)”仍在固定的軌道上，忽略了核外電子在核外運行的本質(zhì)為“概率”問題。

Georgios Papaphotis和Georgios Tsaparlis（2008）測試題“在基態(tài)氫原子的1s軌道的空間外有可能發(fā)現(xiàn)電子嗎？說明原因?！?。這道題目大約20%的人回答正確。大部分認為，在“1s區(qū)域”外發(fā)現(xiàn)電子，只有可能是被激發(fā)了。這些錯誤答案都是基于對軌道的“確定性”認識，認為電子是在一個固定空間中運動。

2. 對原子軌道本質(zhì)“概率”問題不清楚

學生無法對原子軌道本質(zhì)“概率”問題理解清楚的原因在于，無法理解“為什么微觀粒子不能像宏觀物體一樣用確定的‘軌跡’來描述物體的運動規(guī)律？”。其中“海森堡不確定原理”起關(guān)鍵作用。只要明白“不確定原理”為什么“不確定”，就能明白為什么要用“概率”描述微觀粒子運動規(guī)律。

（1）海森堡不確定理論

海森堡（W，Heisenberg，1901-1976）論證到，對于一個物體的動量（mv）的測量的偏差（mv）和相對該物體的運動坐標，也就是該物體的位置（x）的測量偏差（x）的乘積處于普朗克常數(shù)的數(shù)量級，即：

Δx?ΔP≥h（4∏）

這個關(guān)系式被稱為海森堡不確定關(guān)系式。用此公式考察氫原子的基態(tài)電子，發(fā)現(xiàn)電子在相當于玻爾半徑的約5倍（260/53）的內(nèi)外空間里都可以找到（包括在原子核上），這樣，玻爾半徑以及線性軌道變成了無稽之談。因此采用“概率”描述微粒粒子的運動規(guī)律。

學生不理解“海森堡理論的本質(zhì)是由電子本身特性引起而非測量工具問題”和“為什么是物體動量和物置之間的偏差”。其實不確定性關(guān)系適用于所有物質(zhì)的普遍原理，不確定性是物質(zhì)的內(nèi)在本質(zhì)。對于宏觀物體，看似物體的位置和速度是可以準確確定的，但這只是因為宏觀物體的不確定性相對微小，不易察覺而已。事實上，不確定關(guān)系揭示的是一條重要的物理規(guī)律：粒子在客觀上不能同時具有確定的坐標位置及相應的動量。[5]“不確定關(guān)系式”其實是根據(jù)量子力學基本方程推導出來，而非憑空想象。

而為什么是位置和動量之間的關(guān)系呢？描述一個物體的運動規(guī)律，需要知道物體的位置和速度，但是速度又與質(zhì)量有密切相關(guān)性即動量，不確定關(guān)系就是反應微觀粒子運動的基本規(guī)律，所以體現(xiàn)在位置和動量兩個物理量上。

（2）電子云

電子云是電子在原子核外空間概率密度分布的形象描述，圖像中每一個小黑點表示電子出現(xiàn)在核外空間中的一次概率（不表示一個電子），概率密度越大，小黑點越密。

Georgios Papaphotis and Georgios Tsaparlis（2008）測試題“觀察圖中1s和一個2p軌道電子云圖[圖2（a）和（b）]。在（a）中遠離原子核處有稀疏的點，而（b）中這樣點則沒有。你認為是其中一張錯了還是兩張圖都錯了？”

許多學生認為兩張圖的不同是由于軌道本質(zhì)的不同（一個s-，另一個是p-）：

“s軌道的形狀是圓形的，然而在p軌道有兩個‘耳垂’”，“兩個圖片都是正確的，因為（a）指的是s軌道（圓形）而（b）是p軌道（兩個‘耳垂’）――事實上在p軌道中，靠近原子核處電子密度更大，而遠離原子核時密度就減小了”……

無論什么軌道，遠離核的部分都有可能出現(xiàn)電子，只是出現(xiàn)的概率小、稀疏，并不取決于屬于哪一個軌道。而且學生很容易受“電子云輪廓圖”所誤導，認為電子就是出現(xiàn)在這個范圍之內(nèi)，而忽略了輪廓圖只表示了95%的電子出現(xiàn)的區(qū)域。

二、概念轉(zhuǎn)變策略

1. 借助實驗儀器

由于“原子軌道”的抽象性和不可視性，研究者研發(fā)了一些實驗儀器將軌道可視化。

Charles Leonard Hurwitz[6]采用原子探測器（atomic explorer）學習原子的電子結(jié)構(gòu)的本質(zhì)。Shane P. Tully[7]等人用Jmol軟件將類氫軌道網(wǎng)絡點彩可視化 （web-based pointillist visualization of hydrogrnic orbitals）。類氫軌道的電子密度點彩圖是根據(jù)蒙特卡洛方法（Monte Carlo method）進行交互作用。蒙特卡洛方法又稱“統(tǒng)計模擬法”，以概率和統(tǒng)計理論為基礎(chǔ)的一種計算機方法。將網(wǎng)絡應用程序和Jmol觀察器相結(jié)合，可獲得清晰準確的三維軌道形狀和大小，最多可呈現(xiàn)到軌道主量子數(shù)5（如圖3）。

2. 手工活動

Zephen Specht和Duke Raley[8]設計了一項活動幫助高中生理解不同電子軌道類型（特別是s，p，d和f軌道）。學習軌道和相關(guān)的電子密度，發(fā)現(xiàn)電子圍繞原子核的概率問題。

用一個小彈球扔在白紙上（放在一系列復寫紙上面），用來表示電子密度（如圖4）。根據(jù)s，p或d軌道的不同類型，將白紙折成不同的形狀，用這個方法可以使得白紙上的一些地方不與復寫紙相結(jié)合，來表示節(jié)點?！霸雍恕本褪前准埖闹行奈恢?。首先學生要學會如何將白紙折成不同的軌道類型，在白紙兩面都印有虛線方便學生折疊。紙1：s軌道不用折疊；紙2：p軌道沿著三條虛線折疊，使得白紙中間形成一個“山脊”；紙3：d軌道沿著兩個垂直的三條虛線折疊，適當?shù)恼燮鸢准?，兩個交叉的“山脊”，減去中間的部分，形成一個“X”的圖案。用紙夾將紙2和3中間的“山脊”夾住。然后模擬電子云，向紙的中心位置原子核扔彈球。由于白紙下有復寫紙，當球落在白紙上時留下印記。彈球扔25次就能在紙1上形成很好的點分布（s軌道），紙2用50次（p軌道）和紙3用75次（d軌道）。

整個過程，學生體會到“為什么軌道有特別的形狀”，而且能夠?qū)④壍辣硎镜淖帜福╯，p，d和f）與它們的光譜發(fā)射譜線特征：鋒利（sharp）、主要的（principal）、散開的（diffuse）、基礎(chǔ)的（fundamental），建立聯(lián)系。學生最后還要完成一個工作單，將二維圖像轉(zhuǎn)換為三維圖像，加強了對電子軌道構(gòu)型的理解。

3. 小組合作學習

Georgios Tsaparlis和Georgios Papaphptis（2009）[9]采用小組形式在教師的觀察指導下完成特定學習任務。小組有3-4個成員，其中至少有一個學生持有正確觀點。例如，當學生討論“氫原子的原子軌道表征方式”的時候，有一組學生原本的觀點如圖5（學生A畫的是d圖，學生B畫的是b圖，然而學生C畫的更接近a圖（并說明外面的一圈是“s軌道”））。

他們的對話如下（教師為T）：

T：B，虛線指的是什么？

B：是1s，...這個空間里有許多軌道，1s，2s，2p，所有的這些組成了層。

T：這個就是你畫的軌道嗎？

B：是的，軌道和層。

T：C，你是如何理解的呢？

C：我試著解釋軌道不是一個能精確描述的空間，...但是在中心位置確實是原子核，但是最大的圈表示一部分在這里面，這個更大的圈里s軌道被包括，就是發(fā)現(xiàn)電子的可能范圍。

T：A，你是怎么認為的呢？

A：我已經(jīng)把氫原子的原子中心放上一個質(zhì)子，這些點隨著遠離原子核變得更加稀少，實際上我已經(jīng)畫出了可能性，就是可能發(fā)現(xiàn)電子的位置。

T：我們已經(jīng)看到了所有的圖畫，哪些能體現(xiàn)問題中所提到的真實性？

B：A能夠體現(xiàn)，因為有原子核存在，也能體現(xiàn)在1s中發(fā)現(xiàn)電子的可能性，甚至從原子核到無窮遠的地方也不會是0。

T：C你是如何認為的？

C：同意。

T：那我們對照看自己所畫的圖？

C：降低了可能性，在一定距離后就變成0了。

從對話中發(fā)現(xiàn)，教師能夠針對學生理解的“關(guān)鍵處”進行指導。觀察多組討論發(fā)現(xiàn)，大部分學生可以接受電子云是電子在瞬間出現(xiàn)的不同可能點的位置，但不能接受用這樣的一張圖表征氫原子內(nèi)部“看到”的樣子。所以學生不能夠用靜態(tài)圖表示，結(jié)果又回到了行星模型。此時教師用一個類比的方法幫助學生理解，用一個自行車快速旋轉(zhuǎn)，輻條所呈現(xiàn)的樣子幫助學生理解電子云圖可以表示氫原子的動態(tài)時的樣子。這樣的討論可以激發(fā)學生最真實的想法，從本質(zhì)上進行概念轉(zhuǎn)變。

三、小結(jié)

總結(jié)以上三種概念轉(zhuǎn)變策略，小組合作學習能夠從本質(zhì)上解決對“玻爾理論”的根深蒂固理解，在對話中引發(fā)認知沖突并建立正確概念，但這種方法所需時間較多。實驗儀器能夠?qū)⑽⒂^結(jié)構(gòu)表現(xiàn)得淋漓盡致，給予視覺沖擊的同時理解原子的微觀結(jié)構(gòu)。但考慮各學校的條件不同，這種方法的局限性也暴露無遺。手工活動能夠讓學生親身體驗軌道的形成過程，且所需材料方便易得，體會不同軌道的形狀的同時，理解“不確定性理論”。每種方法各有優(yōu)缺點，只要教師恰當使用，概念轉(zhuǎn)變就不是問題。

參考文獻

[1] 宋天佑. 簡明無機化學[M]. 北京：高等教育出版社，2007

[2] Christina Stefani，Georgios Tsaparlis. Students’s Levels of Explanations，Models，and Misconceptions in Basic Quantum Chemistry：A Phenomenographic Study[J]. Journal of research in science teaching，2009

[3] 北京師范大學，華中師范大學，南京師范大學無機化學教研室編.無機化學上冊（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2002：27

[4] Georgios Papaphotis and Georgios Tsaparlis，Conceptual versus algorithmic learning in high school chemistry：the case of basic quantum chemical concepts Part 2. Students’ common errors，misconceptions and difficulties in understanding[J].Chem. Educ. Res. Pract.，2008，9：332C340

[5] 楊福家著. 原子物理學[M]. 北京：高等教育出版社，2008

[6] Charles Leonard Hurwitz. Evaluating conceptual change in high school honors chemistry studentsston[J]. United States：Boston University School of Education，2006

[7] Shane P. Tully，et al. Interactive Web-Based Pointillist Visualization of Hydrogenic Orbitals Using Jmol[J]. J. Chem. Educ. 2013，90：129-131

第8篇：量子化學應用范文

儀器:NICOLETiS10型紅外光譜儀、BHX-9101-1SA型鼓風干燥箱、DW-3-60型電動攪拌器、PL203/01型電子天平、KEMS-2S型磁力加熱攪拌器;浪潮英信NF5220計算服務器，GAUSSIAN09、GaussView(3．09)軟件。試劑:PET聚酯碎片(3～5mm×5～8mm，由回收農(nóng)夫山泉飲料瓶制得);乙二醇、碳酸氫鈉、對苯二甲酸、氧化鋅、濃鹽酸、濃硫酸、85%水合肼等試劑均為分析純;蒸餾水。

2TPA的測定與表征

我們通過一系列的實驗，比較了用不同方法和不同條件降解PET得到TPA(或其衍生物)的收率。收率計算公式如下。采用美國Nicolet公司生產(chǎn)的NICOLETiS10型傅里葉變換紅外光譜儀對產(chǎn)物(對苯二甲酸)進行結(jié)構(gòu)表征。對苯二甲酸為白色固體，研磨成粉末后，采用KBr壓片法進行檢測。同時，還利用了量子化學計算方法，以GAUSSIAN09計算程序［10］采用密度泛函理論對對苯二甲酸的紅外光譜進行了理論模擬計算。

3PET降解方法

3．1乙二醇醇堿聯(lián)合解聚法在裝有冷凝管、攪拌器、溫度計的三頸圓底燒瓶中投入5g聚酯廢料、25mL乙二醇、0．5g氧化鋅、5gNaHCO3進行反應，油浴加熱逐步升溫至190℃，反應30min后，降溫至160℃停止攪拌，減壓回收乙二醇;蒸餾畢，向三頸瓶中加入50mL沸水，攪拌使殘留物溶解，趁熱過濾;將濾液轉(zhuǎn)移到400mL燒杯中，水稀釋至200mL，加熱煮沸，趁熱用1:1鹽酸酸化至pH5～6;冷至室溫后，冰水冷卻，抽濾，濾餅用蒸餾水洗滌至濾出液pH=6，在60℃下干燥濾餅，得白色粉末，稱重，并計算對苯二甲酸收率。

3．2肼解法在裝有冷凝管、磁力攪拌子的圓底燒瓶中投入1g聚酯廢料、10mL85%水合肼，攪拌，油浴加熱至100℃，反應6h后，減壓回收水合肼;殘余物加入10mL水，靜置，濾得PET的降解產(chǎn)物對苯二甲酰肼，在60℃下干燥，稱重，并計算對苯二甲酰肼的收率。此法參考氨解法，使用親核性更強的水合肼溶液替代胺類，能提高降解效率。

3．3酸性降解在裝有冷凝管、磁力攪拌子的圓底燒瓶中投入1g聚酯廢料、5mL濃硫酸，攪拌，85℃下反應5min;反應畢，冷卻至室溫，殘留物倒入冰水中，用30%的NaOH水溶液調(diào)pH至12，濾去不溶物，濾液用濃鹽酸調(diào)pH至6，有白色不溶物析出，放置過夜，過濾得產(chǎn)物對苯二甲酸，在60℃下干燥，稱重，并計算對苯二甲酸收率。

4結(jié)果與討論

4．1不同化學降解方法的比較通過酸性水解法、肼解法和醇堿聯(lián)合法，考察了降解PET聚酯瓶的情況，結(jié)果列入表1。比較幾種方法在經(jīng)濟效益和工業(yè)化等方面的優(yōu)劣，無論是肼解法，還是酸性水解法都存在很大的局限性，如腐蝕設備、污染環(huán)境等。醇堿聯(lián)合解聚法能在溫和的條件下，快速實現(xiàn)PET聚酯瓶的分解，故我們選擇醇堿聯(lián)合解聚法為重點研究方向，探索其最佳反應條件。

4．2醇堿解聚法的工藝優(yōu)化基于以上3種降解方法的對比，結(jié)合醇堿聯(lián)合解聚法的研究進展，采用正交實驗來探索最佳工藝條件，重點考察了3種影響反應的因素，A:碳酸氫鈉用量:m(NaHCO3)/m(PET);B:反應時間(min);C:反應溫度(℃)。由文獻已知影響因素的大約范圍，設計出因素水平表(表2)。參照上述乙二醇醇堿聯(lián)合解聚法的方法進行試驗，結(jié)果見表3。根據(jù)上述方法分析，RC＞RB＞RA，即各因素對TPA收率的影響程度順序為:反應溫度＞反應時間＞物料比;較佳因素水平為A3B2C2，即PET降解的較佳工藝為:m(NaHCO3)/m(PET)=1．1，反應時間30min，反應溫度190℃。從表3可以看出，反應時間和反應溫度是影響乙二醇醇堿聯(lián)合解聚法的關(guān)鍵因素，溫度過高或反應時間過長會導致反應副產(chǎn)物增多，收率下降。上述最佳反應條件與文獻報道的乙二醇解聚法的最優(yōu)反應條件(190～196℃，0．1MPa，催化劑(氧化鋅或醋酸鋅)用量為PET質(zhì)量的0．5%，m(EG)/m(PET)=2，反應3h)［6-7］接近，但反應時間比乙二醇解聚法短得多，且反應產(chǎn)物也不同。

4．3產(chǎn)物IR表征與結(jié)果分析我們對由PET瓶回收的TPA進行了IR表征(圖1C)，并將該圖譜與購買的分析純TPA樣品的IR圖(圖1D)進行對比，發(fā)現(xiàn)兩者的圖譜基本吻合，驗證了所回收的白色固體確實為TPA。為了進一步指認IR特征振動峰，我們進行了相應的密度泛函理論的計算。所選計算水平為M062X/6-31G(d，p)，優(yōu)化的TPA單體與二聚體的幾何結(jié)構(gòu)如圖1A，圖1B所示。3059cm－1附近為苯環(huán)上C—H伸縮振動峰;3000～2500cm－1可能為TPA分子間形成氫鍵后O—H的伸縮振動峰;1571cm－1和1508cm－1處為取代苯基的一組相關(guān)振動峰;1661cm－1處為羧基(CO)的伸縮振動峰;883cm－1處為苯環(huán)的對位取代吸收峰。此外，通過對比對苯二甲酸的單體(圖1A)和二聚體(圖1B)的計算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)當考慮TPA分子之間形成分子間氫鍵時，二聚體計算模擬的紅外光譜圖與實驗的紅外光譜圖能較好吻合，說明在固態(tài)時對苯二甲酸分子之間存在較強的分子間氫鍵。

5結(jié)論與展望

第9篇：量子化學應用范文

【關(guān)鍵詞】實驗室；質(zhì)量管理；網(wǎng)絡化；自動化

血液檢測在輸血服務中起關(guān)鍵性作用，血液檢測實驗室的科學化、標準化以及室驗室檢測的高效性、嚴密性，逐漸被人們所重視，是保證血液質(zhì)量、達到安全輸血的前提。我站將實驗室的標準化質(zhì)量管理與微機網(wǎng)絡化、儀器自動化相結(jié)合，建立了一個現(xiàn)代化全自動的實驗室。其中的質(zhì)量管理體系作用是使整個檢測更加標準化、規(guī)范化。同時也將有效地監(jiān)督日常工作，并形成了日常工作的可追溯性，而微機的網(wǎng)絡化、儀器的自動化、標本的條碼化使檢測能力和檢測結(jié)果的準確性有大幅度提高，三者相輔相承，從各方面提高了血液的安全性。

1 實驗室標準化質(zhì)量管理體系的建立

2001年本血站通過了ISO9000質(zhì)量體系認證，隨后的幾年工作也逐步地在改進，將整個采供血體系完全按照標準的質(zhì)量體系來進行。同時又建立了實驗室的質(zhì)量體系，明確了實驗室的質(zhì)量方針和質(zhì)量目標，對血液檢測工作做出具體指導和相應規(guī)范。

主要包括以下內(nèi)容：崗位職責、工作制度、操作規(guī)范、記錄文件4個方面。其中崗位職責和工作制度詳細說明了實驗室要進行的工作和日常分工，根據(jù)衛(wèi)生部及安全輸血標準的綜合要求，一份血液標本一檢、二檢分別由不同檢驗人員操作，試劑為兩種不同廠家并為國家衛(wèi)生部檢定合格試劑，而操作規(guī)則為日常工作的指導書，要求操作人員在日常工作中保證實驗操作的一致性、規(guī)范性、避免人為的誤操作，而出現(xiàn)質(zhì)量差錯，記錄文件則十分重要，它記錄日常工作的每一個細節(jié)，從血液標本的接收到檢驗報告的發(fā)出，每一個環(huán)節(jié)都有操作者簽字，保證了檢測結(jié)果的可追溯性，無形中控制著每一個環(huán)節(jié)，保證了檢測的準確性。

2 實驗室檢測的微機網(wǎng)絡化、儀器自動化的管理

2000年，我站先后引進了用于血液檢測的AT Plus全自動加樣機，KUBOTA8400離心機(日本產(chǎn))，KJ-201BD振蕩器(姜堰市)，2005年又購進Star全自動加樣系統(tǒng)(瑞士產(chǎn))，F(xiàn)AME24/20全自動酶免分析儀(瑞士產(chǎn))，通過以上儀器對血液ALT、HBsAg、抗-HCV、抗-HIV、梅毒、血型正反定型進行檢測。對血液標本從接收到檢測報告的發(fā)出全部微機化管理，標本的條碼化保證標本由始至終的唯一性，避免了檢驗過程中人為的標本張冠李戴錯誤的發(fā)生。實驗室微機化管理，從操作人員的權(quán)限、樣本的接收、樣本檢測、結(jié)果的輸入到合格樣本的發(fā)出、不合格樣本的處理(不合格樣本是否需要復試，復試幾次方可發(fā)出，操作者及所采用試劑)在網(wǎng)絡上作了嚴格的監(jiān)控，待檢室只有接到實驗室樣本的合格信息，方可打出合格血簽，并發(fā)放使用。

為達到標準檢測的高效準確，這個局域網(wǎng)需要的硬件條件為每臺儀器配有一臺電腦，操作系統(tǒng)分別為Star加樣機、FAME24/20全自動酶免分析儀、多功能酶標儀(zenYth340rt，瑞士)，另外還有一臺主控電腦用來完成所有結(jié)果的匯總，每臺電腦都安裝相應的軟件，以達到各自工作的目的，每臺電腦設有特定的用戶名和密碼，正確登錄方可進入網(wǎng)絡，這就從一定程度上保證了網(wǎng)絡的安全性和日常工作的可靠性。

3 標準化質(zhì)量管理體系、微機網(wǎng)絡化、儀器自動化高效的結(jié)合

在網(wǎng)絡中設置質(zhì)量管理體系所要求的各種屬性，在實驗儀器終端為每一位操作者設置用戶名和密碼，以確保訪問的可追溯性。同時在該操作軟件中設置該操作所形成的文件標識，該操作軟件會自動保存操作者的每個操作過程，以便查看操作實驗的整個過程。每臺操作終端的軟件將有根據(jù)質(zhì)量管理文件中操作規(guī)程所設置的程序以確保操作的一致性。在試驗結(jié)束之后，操作軟件會將最終結(jié)果傳輸至主控電腦，同時也將打印出來。該報告將包括：時間、操作者、試劑批號、標本號、實驗結(jié)果，以方便資源共享。

通過如圖1的管理和設置，就可以以微機網(wǎng)絡化、儀器自動化管理為手段，以質(zhì)量管理為目的，實現(xiàn)了質(zhì)量體系與微機網(wǎng)絡化、儀器自動化管理的結(jié)合，更進一步提高了血液質(zhì)量，增強了工作人員的責任心。尤其在血液集中化檢測的今天，勢必要求實驗室具有高效而準確的檢測水平。因此，實驗室的管理尤為重要，如果這種高效的管理形成規(guī)模，將會為輸血事業(yè)帶來更大的進步和提高。

A：標本接收準確無誤后，填寫接收記錄，登錄實驗室網(wǎng)絡錄入主控電腦。

B：將帶條碼的標本離心處理后，放入Star全自動加樣機進行加樣，并獲得加樣信息(即標本條碼信息)。這些信息將自動傳輸給多功能酶標儀(zenYth340rt)。

C：將加樣處理后的微板放入ML/FAME全自動酶標儀中并根據(jù)預先設計好的程序進行HBsAg、抗-HCV、抗-HIV、梅毒的檢測。

D：檢測結(jié)果由ML/FAME全自動酶標儀自動傳輸給多功能酶標儀(zenYth340rt)。

E：待檢標本在Star全自動加樣機加樣處理后放入多功能酶標儀，進行ALT檢測(速率法)。

F：待檢標本在Star加樣機中加樣處理后放入平板離心機中500r/min離心3min，再在孵育振蕩器上振蕩5min后放入多功能酶標儀(zenYth340rt)進行掃描檢測，判定血型。

G：將所有檢測結(jié)果進行匯總打印，并將檢測結(jié)果發(fā)送到主控電腦。

H：主控電腦匯總所有待檢標本的檢測結(jié)果，并根據(jù)程序中的判定規(guī)則判斷結(jié)果，匯總檢驗信息打出檢驗報告。