团簇质谱介绍

团簇和纳米体系物理发展团簇和纳米体系是20世纪末发展起来的崭新领域，它所研究的对象是既不同于原子、分子，又不同于宏观物体的中间体系，尺度范围大约在0.1-100nm，这是人们过去从未进行研究的新领域，是人们认识物质世界的新层次。

它的丰富物理内涵，对物理学提出了新的挑战，也是当前物理学与其它学科交叉最富有活力的热点领域。

团簇简介原子和分子团簇，简称团簇(Cluster)或微团簇(microclusters)，是几个乃至上千个原子、分子或离子通过物理或化学结合力组成相对稳定的微观和亚微观聚集体，其物理和化学性质随所包含的原子数目而变化。

团簇的空间尺度是几个至几百个纳米的范围，用分子描述显得太大，用小块固体描述又显得太小，许多性质既不同于单个原子分子，又不同于固体或液体，也不能用两者性质作简单线性外延和内插得到。

因此，人们把团簇看作是介于原子分子和宏观固体之间物质结构的新层次，有人称之为物质的“第五态”。

正因为如此，团簇可作为各种物质由原子分子向大块物质转变过程中的特殊物相，或者说它代表了凝聚态物质的初始状态，团簇的研究有助于我们认识大块凝聚物质的某些性质和规律。

团簇科学是研究团簇的原子组态和电子结构、物理和化学性质及其向大块物质演化过程中与尺寸的关联，团簇同外界环境的相互作用规律等。

团簇科学处于多学科交叉的范畴。

从原子分子物理、凝聚态物理、量子化学、表面科学、材料科学甚至核物理学引入的概念和方法交织在一起，构成当前团簇究的中心议题，并逐渐发展成一门介于原子分子物理和固体物理之间的新型学科。

团簇研究的基本问题是：弄清团簇如何由原子、分子一步步发展而成，以及随着这种发展、团簇的性质将如何变化，当尺寸多大时，团簇发展成宏观固体人们知道，由若干原子构成的分子，可在气相、液相和固相中稳定的单元存在，而团簇作为原子聚集体往往产生于非平衡条件，很难在平衡的气相中产生。

当团簇尺寸较小时，每增加一个原子，团簇的结构发生变化，即所谓重构。

专利名称：一种气体团簇离子束质谱的测量方法和装置专利类型：发明专利
发明人：付德君,瓦西里·帕里诺维奇,曾晓梅
申请号：CN201710872061.0
申请日：20170925
公开号：CN107677723A
公开日：
20180209
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明提供了一种气体团簇离子束质谱的测量方法，将团簇离子通过静电电容器形成离子束脉冲，将离子束脉冲喷射至与场效应晶体管(FET)源跟随器连接的法拉第杯，利用示波器测量离子束脉冲中不同质量的团簇离子各自产生的信号，利用TOF质谱分析法获得团簇离子的TOF质谱。

本发明同时提供了一种基于所述测量方法的气体团簇离子束质谱的测量装置，包括用于接收离子束脉冲的法拉第杯、与法拉第杯连接的场效应晶体管源跟随器和示波器。

本发明通过使用场效应晶体管作为源跟随器，以及场效应晶体管和法拉第杯直接相连的特殊设计来减少探测器的时间常数，从而有效提高探测器响应灵敏度，进而提高质谱分辨率，获得完美的离子束质谱。

申请人：付德君
地址：443500 湖北省宜昌市长阳创新产业园88号
国籍：CN
代理机构：武汉华旭知识产权事务所
代理人：邱琳
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团簇谱学精密测量与结构调控团簇谱学是一门研究团簇分子的性质和结构的学科，通过精密测量和结构调控的方法，可以揭示团簇分子的奇特性质和潜在应用。

本文将介绍团簇谱学的基本原理、精密测量技术和结构调控方法，并探讨其在材料科学和能源领域的应用前景。

一、团簇谱学基本原理团簇分子是由少数几个至数十个原子组成的超分子结构，其电子结构和性质与单个原子或者宏观物体有所不同。

团簇谱学通过测量团簇分子在不同波长下的吸收和发射光谱，可以获得关于其电子能级、离域电子结构和反应动力学等信息。

二、精密测量技术1.质谱法质谱法是一种常用的团簇分子测量方法，它通过电离和质量分析的方法，可以确定团簇分子的质量和组成。

利用高分辨质谱仪，可以获得团簇分子的质量分布信息，进而对其结构和几何构型进行推断。

2.光电离法光电离法是一种基于团簇分子在光照射下发生电离的现象进行测量的方法。

通过测量光电离谱，可以得到团簇分子的电子能级和解离动力学等信息。

此外，光电离法还可以通过改变入射光的波长和强度，实现对团簇分子结构的调控。

3.超快光谱法超快光学技术是一种基于飞秒和皮秒激光脉冲的测量方法，通过研究团簇分子在超快时间尺度上的光吸收和光发射过程，可以揭示团簇分子的动态行为和能量转移机制等信息。

超快光谱法在研究团簇分子的结构和激发态动力学方面具有独特的优势。

三、结构调控方法1.表面修饰通过在团簇表面引入特定的修饰基团或者金属基团，可以改变团簇的电子结构和反应活性。

表面修饰方法可以通过溶液反应、气相反应和固相反应等途径进行，是团簇结构调控的重要手段之一。

2.簇束化学方法簇束化学方法是一种利用簇束技术对团簇进行选择性分离和控制的方法。

通过合理设计稀释气体、簇束源和收集方法等参数，可以实现对团簇的尺寸、组成和结构的调控。

簇束化学方法为研究团簇的精确结构和反应性质提供了有效手段。

3.团簇合成方法团簇合成方法是一种通过控制反应条件和反应物之间的相对量来合成特定结构和组成的团簇的方法。

§3. 纳米团簇的结构与性质
3.1 稳定机构与幻数
在团簇质谱分析中、含有某些特殊原子数的团簇的强度呈现峰值，表明这些团簇特别稳定，所含的原子数称为“幻数”。

团簇的幻数序列与构成团簇的原子键合方式有关，金属键来源于自由价电子，半导体键是取向共价键、碱金属卤化物为离子键，惰性元素原子间的作用力为范德瓦尔斯键。

3.2 团簇的性质
3.2.1 量子尺寸效应
尺寸为2.8nm CdS团簇，光吸收谱进—步蓝移，在360nn处有一个宽峰，属1s跃迁。

而高频端也存在吸收峰。

实验表明纳米尺寸的半导体团簇具有可贵的光学性质，即分立的能级跃迂，并与团簇尺寸和形状密切有关。

3.2.2 电子性质
（1）下图给出了钾团簇电离势随n的变化”，可以看出直至n接近100，电离势具有与团族幻数相对应的峰值，在某一壳层连续填充的过程中，电离势近似一常数，但在每一个壳层填满时，电离势发生突变。

（2）带负电铜簇Cu-(n＝1-410)进行紫外光电子谱实验，通过观察光电子发射可以直接估计出相应中性团族的电子亲和势。

下图是有各种原子数的铜团簇Cu n-的光电子谱。

3.2.3光学性质
金属团簇对光的响应具有和单个原于及大块固体均不相向的特征。

下图示出尺寸分别为2nm，14nm和20nm铜闭簇嵌埋于氟化理基体中的光
吸收谱，下表给出了实验结果。

随着团簇尺寸增加．峰位红移．峰展宽。

稀有气体小团簇研究【摘要】原子团簇是几个至上千个原子组成的相对稳定的聚集体，其性质与单个原子、分子和大块固体均不相同，例如幻数和壳层结构、热力学效应等，正为物理、化学和材料科学共同关注。

介绍形成团簇的实验质谱技术，结合Monte Carto方法模拟部分LJ团簇的结构，分析稀有气体团簇幻数规律和特性。

【关键词】团簇；幻数；质谱；Monte Carlo；比热容；键长均方根；结合能Small Rare-gas Clusters【Abstract】Atomic clusters are the aggregates of atoms in the size range from a few to thousands of the components. Their properties are neither like those for individual atoms nor the corresponding bulk, for instance, magic numbers and shell structures, thermodynamics effect, etc. They have brought great attentions among the scientists from physics, chemistry and materials science. In this article, we introduced cluster generation by mass spectrometer, then according to Monte Carlo methods, the structures of some Lennard-Jones(LJ) clusters was simulated, and many magic number properties of rare-gas clusters obtained from simulation studies, such as heat capacities, binding energies, root-mean-square (rms) bond length fluctuations and also show very irregular.【Key words】Cluster; Magic number; Mass spectrum; Monte Carlo; Heat capacities; Rms bond length; Binding energy０引言团簇广泛存在和应用于自然界和人类实践活动中，如催化、燃烧、晶体生长、成核和凝固、临界现象、相变、熔胶、照相、薄膜形成和溅射、纳米材料研究、多层复合材料、超细纤维材料等[1]。

金属纳米团簇综述一、金属纳米团簇团簇，也称超细小簇。

团簇是由几个乃至上千个原子、分子或离子通过物理或化学结合力组成的相对稳定的微观或亚微观聚集体，其物理和化学性质随所含的原子数目而变化。

团簇的空间尺度是几埃至几百埃的范围，用无机分子来描述显得太小，用小块固体描述又显得太大，许多性质既不同于单个原子分子，又不同于固体和液体，也不能用两者性质的简单线性外延或内插得到。

因此，人们把团簇看成是介于原子、分子与宏观固体物质之间的物质结构的新层次，是各种物质由原子分子向大块物质转变的过渡状态。

而金属纳米团簇是团簇的一种，其一般由少则数个、多则上百个原子组成，其尺寸与电子费米波长相当，并且因为其超小尺寸、冷光性、耐光性和生物相容性的特点，近年来成为纳米材料的明星成员。

二、金属纳米团簇的合成方法与机理1、直接合成法以制备Au(I)举例，在硫醇配体的存在下，Au(III)会被转化成Au(I)-SR络合物，然后通过还原剂(NaBH4)直接将Au(I)-SR络合物还原成团簇。

根据报道，在合成用谷胱甘肽(GSH)保护的金纳米团簇时，采用这种方法，虽然合成步骤比较方便，但是合成的团簇的尺寸比较分散，包括了Au10(SG)10、Au15(SG)13、Au15(SG)14、Au22(SG)16、Au22(SG)17等等，并且产率很低。

值得一提的是，在这种方法中，有两个关键的步骤：1）热力学选择：即通过反应温度的控制，从而控制反应过程中的某一产物的形成；2）动力学控制：即通过还原剂的强弱以及加入的快慢等来控制产物的形成，比如强还原剂LiAlH4、NaBH4，温和还原剂NaBH3CN、CO等等。

Figur1.1 NaBH4直接将Au(I)-SR络合物还原成团簇示意图。

Figue1.2 通过还原合成[Au25(SR)18]-团簇示意图。

2、种子生长法种子生长法即采用较小尺寸金属纳米团簇作为种子，逐步生长为较大尺寸金属纳米团簇的方法。

质谱介绍及质谱图的解析质谱用于定量分析，其选择性、精度和准确度较高。

化合物通过直接进样或利用气相色谱和液相色谱分离纯化后再导入质谱。

质谱定量分析用外标法或内标法，后者精度高于前者。

定量分析中的内标可选用类似结构物质或同位素物质。

前者成本低，但精度和准确度以使用同位素物质为高。

使用同位素物质为内标时，要求在进样、分离和离子化过程中不会丢失同位素物质。

在使用FAB质谱和LC/MS(热喷雾和电喷雾)进行定量分析时，一般都需要用稳定的同位素内标。

分析物和内标离子的相对丰度采用选择离子监测(只监测分析物和内标的特定离子)的方式测定。

选择离子监测相对全范围扫描而言，由于离子流积分时间长而增加了选择性和灵敏度。

利用分析物和内标的色谱峰面积或峰高比得出校正曲线，然后计算样品中分析物的色谱峰面积或它的量。

解析未知样的质谱图，大致按以下程序进行。

(一)解析分子离子区标出各峰的质荷比数，尤其注意高质荷比区的峰。

(1)(2)识别分子离子峰。

首先在高质荷比区假定分子离子峰，判断该假定分子离子峰与相邻碎片离子峰关系是否合理，然后判断其是否符合氮律。

若二者均相符，可认为是分子离子峰。

(3)分析同位素峰簇的相对强度比及峰与峰间的Dm值，判断化合物是否含有CI、Br、S、Si等元素及F、P、I等无同位素的元素。

(4)推导分子式，计算不饱和度。

由高分辨质谱仪测得的精确分子量或由同位素峰簇的相对强度计算分子式。

若二者均难以实现时，则由分子离子峰丢失的碎片及主要碎片离子推导，或与其它方法配合。

(5)由分子离子峰的相对强度了解分子结构的信息。

分子离子峰的相对强度由分子的结构所决定，结构稳定性大，相对强度就大。

对于分子量约200的化合物，若分子离子峰为基峰或强蜂，谱图中碎片离子较少、表明该化合物是高稳定性分子，可能为芳烃或稠环化合物。

例如:萘分子离子峰m/z 128为基峰，蒽醌分子离子峰m/z 208也是基峰。

分子离子峰弱或不出现，化合物可能为多支链烃类、醇类、酸类等。