孫鴻瑩 史開昕

摘要：本課題研究莧菜紅有機(jī)分子的光譜特性，通過(guò)實(shí)驗(yàn)儀器對(duì)莧菜紅溶液進(jìn)行掃描，然后得到有機(jī)染料莧菜紅光譜特性參數(shù)，通過(guò)對(duì)吸收、熒光光譜等光譜圖上不同激發(fā)波長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的不同強(qiáng)度峰值的分析，進(jìn)行光譜的躍遷等一系列分析。本文利用紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)和熒光分光光度計(jì)研究了有機(jī)染料莧菜紅的吸收和熒光的光譜特征。經(jīng)過(guò)分析，發(fā)現(xiàn)了四個(gè)吸收突出點(diǎn)，吸收峰值分別為216nm，244nm，331nm，508nm。莧菜紅分子內(nèi)存在內(nèi)氫鍵作用，分子中的兩萘環(huán)之間存在特定的夾角的，也就是說(shuō)莧菜紅分子并不是共面的。本文還研究了莧菜紅吸收光譜和熒光光譜特征;使用時(shí)間分辨光譜測(cè)量了熒光壽命。研究表明，吸收主要來(lái)源于n→π*和π→π*躍遷。并對(duì)吸收峰和最佳激發(fā)波長(zhǎng)以及其吸收峰隨著激發(fā)波長(zhǎng)的變化規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)分析。其次，還測(cè)量了有機(jī)染料莧菜紅在激發(fā)波長(zhǎng)為369nm下的時(shí)間分辨熒光光譜，擬合得到莧菜紅的熒光壽命，并分析產(chǎn)生熒光的機(jī)理，為以后的相關(guān)光譜分析提供了有效依據(jù)。

關(guān)鍵詞：莧菜紅;吸收光譜;熒光光譜;熒光壽命

引言

有機(jī)染料莧菜紅是一種常見(jiàn)的食用色素。因其具有共軛π鍵和有電子推拉作用偶氮鍵，從分子結(jié)構(gòu)上講是指一種偶氮化合物染料。由于莧菜紅常用于食品添加劑，具有一定毒性，所以在光譜檢測(cè)中的研究較多。例如，馮驥等人建立了聯(lián)合分光光度法測(cè)定食用莧菜[1]。逯美紅等在莧菜表面增強(qiáng)拉曼光譜的密度泛函理論研究，利用共焦顯微拉曼光譜檢測(cè)莧菜粉的拉曼光譜[2]，麻奧研究的多光譜法結(jié)合分子對(duì)接研究多酚和莧菜紅與β-乳球蛋白結(jié)合的競(jìng)爭(zhēng)作用[3]，李建晴發(fā)表了《食用色素莧菜紅熒光光譜測(cè)定與量子產(chǎn)率的研究》研究了pH、防腐劑、氧化還原劑等因素對(duì)莧菜紅熒光光譜的影響[4]。張?jiān)伒热搜芯苛饲{菜紅分子基態(tài)和激發(fā)態(tài)結(jié)構(gòu)與光譜性質(zhì)的量子化學(xué)研究[14]。丁明珍等人使用熒光光譜法測(cè)定飲料中的莧菜紅與亮藍(lán)[5]。史愛(ài)敏等人對(duì)莧菜紅和胭脂紅的熒光光譜進(jìn)行了比較分析，找到胭脂紅和莧菜紅這兩種色素產(chǎn)生熒光的基團(tuán)間的聯(lián)系[6]。金俊成等人研究了莧菜紅-蛋白質(zhì)體系的共振瑞利散射光譜[7]。張國(guó)文等人應(yīng)用雙波長(zhǎng)共振光散射比率法研究了甲基紫與莧菜紅之間的相互作用[8]。楊卓等人研究了在pH 5.74的HAc-NaAc緩沖溶液中，莧菜紅與Cu（Ⅱ）相互作用生成新的化合物，引起吸收光譜發(fā)生的變化[9]。楊昌彪等人研究了《近紅外光譜與表面增強(qiáng)拉曼光譜對(duì)紅酒中非法添加劑莧菜紅的分析研究》[10]。由此可以看出，以上莧菜紅光譜研究的集中在光譜檢測(cè)和生化環(huán)境的相互作用上。本論文通過(guò)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)光譜技術(shù)研究了有機(jī)染料莧菜紅分子的光譜特性，以揭示熒光的產(chǎn)生機(jī)制。

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)儀器與樣品溶液

莧菜紅原料易溶于水，但不會(huì)溶于絕大多數(shù)的有機(jī)溶劑，其水溶性為50 g/L （20℃）。本次莧菜紅原料的采用上?；@區(qū)的原料，溶液中的溶劑使用去離子水，設(shè)定配置濃度為0.1mol/L。測(cè)量紫外吸收光譜使用樣品溶液進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量時(shí)間分辨熒光光譜同樣使用已配置的樣品溶液，測(cè)量熒光光譜需要將樣品溶液稀釋，使用3ml的純水放入0.6ul樣品溶液，攪拌，充分混合后配得測(cè)量熒光光譜的待測(cè)樣品。

各光譜所用的實(shí)驗(yàn)儀器不盡相同，本實(shí)驗(yàn)中測(cè)量紫外-可見(jiàn)吸收光譜使用儀器是產(chǎn)自日本Shimadzu的UV-2550紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)，日本的這個(gè)分光光度計(jì)是通過(guò)計(jì)算機(jī)控制的，其中包括微量樣品池，特定恒溫等附件。光學(xué)材料的特性測(cè)定等紫外可見(jiàn)分光分析，紫外可見(jiàn)分光光度法定量分析的前提基礎(chǔ)是Lambert-Beer（朗伯-比爾）[11]定律，含義就是單色的光輻射穿過(guò)待測(cè)溶液時(shí)，被待測(cè)溶液吸收的能量與待測(cè)液濃度與液層有多厚成正比，這是吸收光譜法定量的理論依據(jù)[12]。它有著簡(jiǎn)單表示式 [13]。需要測(cè)量激發(fā)光譜與熒光光譜所需儀器為Thermostatted Cell Holder for F-4500（250-0330），時(shí)間分辨熒光譜所需儀器為JY HORIBA FluoroLog-3。

本文所有光譜使用曲線表示?？v坐標(biāo)表示吸收強(qiáng)度用lgε來(lái)表示，橫坐標(biāo)一般是波長(zhǎng)用λ表示，在測(cè)量光譜中單位一般為nm。最大吸收波長(zhǎng)用λmax表示。

1.2實(shí)驗(yàn)檢測(cè)方法

在不發(fā)光的比色皿中放置莧菜紅溶液，莧菜紅紫外-吸收光譜的檢測(cè)范圍取200-900 nm，步長(zhǎng)為1nm。莧菜紅熒光光譜，檢測(cè)范圍為200-900nm，掃描熒光光譜時(shí)用兩個(gè)不同波長(zhǎng)激發(fā)，選用激發(fā)波長(zhǎng)分別為200nm、500nm的激發(fā)光來(lái)照射該待測(cè)試劑。使用JY HORIBA FluoroLog-3測(cè)量時(shí)間分辨熒光譜，激發(fā)波長(zhǎng)采用的是369nm的激發(fā)光，監(jiān)測(cè)波長(zhǎng)分別為404nm、445nm。

2結(jié)果與討論

2.1莧菜紅的紫外-吸收光譜

如圖1，該圖為激發(fā)光激發(fā)下的吸收譜圖;實(shí)驗(yàn)測(cè)得莧菜紅在激發(fā)波長(zhǎng)下的莧菜紅吸收譜圖峰值波長(zhǎng)為：吸收的峰值波長(zhǎng)可以直接看出為216 nm，該值也是莧菜紅的特征吸收，244 nm 處有一肩峰，處于508nm處也有較強(qiáng)的吸收，在331 nm 處也有著明顯的吸收。其中216nm左右的吸收峰可以歸于大共軛π鍵的n→π*和π→π*兩種方式的躍遷;而紫外波段的吸收我們可以歸結(jié)到萘環(huán)的結(jié)構(gòu)上[14]。

2.2莧菜紅的熒光光譜

熒光光譜原理，當(dāng)某一波長(zhǎng)的光照射物質(zhì)時(shí)，我們可以先假設(shè)基態(tài)為Sa，激發(fā)態(tài)是能級(jí)Sb分子被激發(fā)然后從能級(jí)Sa到能級(jí)Sb，并且迅速?gòu)哪芗?jí)Sb返回能級(jí)Sa，這個(gè)過(guò)程發(fā)出的波長(zhǎng)要比入射光的熒光長(zhǎng)。對(duì)于高濃度溶液而言，熒光的再吸收是不可忽略的。大部分入射光則在系統(tǒng)前半部分被吸收，發(fā)射的熒光被再吸收，只有少量的熒光通過(guò)狹縫入射到熒光探測(cè)器上，使得探測(cè)到的熒光強(qiáng)度減少。在輻射躍遷的衰變過(guò)程中，能量釋放的過(guò)程中會(huì)伴隨著光子發(fā)射，即產(chǎn)生了熒光[15][16]。E0AE9804-87AA-435E-9602-66FD7DB6AD1B

用石英比色皿盛裝待測(cè)樣品，將樣品置入樣品池子中，檢測(cè)范圍為200-900nm，掃描熒光光譜時(shí)用兩個(gè)不同波長(zhǎng)激發(fā)，選用激發(fā)波長(zhǎng)分別為200nm、500nm的激發(fā)光來(lái)照射該待測(cè)試劑，在不同的激發(fā)波長(zhǎng)激發(fā)樣品后得到有機(jī)染料莧菜紅的熒光光譜圖，如圖2和圖3。

從圖2可以看出，莧菜紅溶液在激發(fā)波長(zhǎng)為200nm下，共有三個(gè)熒光峰，其熒光的最高峰值波長(zhǎng)為410nm，315nm處有明顯的熒光峰，445nm處有一肩峰，607nm處也有一處相對(duì)較低的熒光峰。由圖3可以看出，在500nm的激發(fā)波長(zhǎng)的激發(fā)下，莧菜紅在200-900nm范圍內(nèi)它的熒光光譜只有一個(gè)波峰，其熒光光譜的峰值波長(zhǎng)為618nm。

2.3莧菜紅的瞬態(tài)光譜

使用JY HORIBA FluoroLog-3測(cè)量時(shí)間分辨熒光譜，激發(fā)波長(zhǎng)采用的是369nm的激發(fā)光，監(jiān)測(cè)波長(zhǎng)為404nm，如圖2.4，圖中黑色線是做實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)曲線，紅色線是我們利用公式2.1擬合得到。

莧菜紅在369nm的波長(zhǎng)激發(fā)，監(jiān)測(cè)峰值波長(zhǎng)404nm的熒光波長(zhǎng)，得到熒光壽命是τ=4.98922±0.02045ns，這是納秒級(jí)的熒光壽命，這種情況下光子的躍遷我們歸因?yàn)棣?→π躍遷。

當(dāng)激發(fā)波長(zhǎng)采用369nm的激發(fā)光，而監(jiān)測(cè)波長(zhǎng)為445nm時(shí)，如圖5，利用（2.1）公式擬合，擬合效果如下：

可以得到莧菜紅在369nm的波長(zhǎng)激發(fā)，445nm監(jiān)測(cè)波長(zhǎng)下，熒光壽命是τ=5.12015±0.01829ns。利用公式（2.1）擬合，擬合效果基本吻合。這個(gè)納秒級(jí)的熒光壽命也歸為π*→π躍遷。

2.4莧菜紅分子中電子能級(jí)模型和躍遷

為了進(jìn)一步揭示莧菜紅熒光產(chǎn)生機(jī)制，我們建里電子躍遷的能級(jí)模型，如圖6。由圖6可看出有六種躍遷方式，有機(jī)染料色素中電子的躍遷方式一般為圖6中的兩種 、 ，但是這兩種的躍遷涉及的能量較小，其中發(fā)生前一種 躍遷所需要的能量相比第二種 要小，換句話說(shuō)未成鍵的未共用的電子對(duì)更加容易躍遷至激發(fā)態(tài)上，但是因?yàn)閚電子和π電子它們之間是垂直排列的，因此 比 的躍遷要更加困難，其吸收強(qiáng)度也會(huì)低很多。

前文所說(shuō)的摩爾吸光系數(shù)中 躍遷的摩爾吸光系數(shù)比 躍遷的摩爾吸光系數(shù)要大102至103倍，而 的躍遷壽命比 躍遷的壽命短102至103倍。那么，π*→π發(fā)出的熒光強(qiáng)度大一些，熒光發(fā)射的效率較高。

3本文總結(jié)

本文主要采用穩(wěn)態(tài)光譜和時(shí)間分辨光譜手段研究有機(jī)染料莧菜紅的光譜特征。吸收主要來(lái)自于離域電子會(huì)發(fā)生π→π*躍遷?；谀芗?jí)模型和時(shí)間分辨光譜可知，峰值波長(zhǎng)為414nm的熒光帶和峰值波長(zhǎng)為445的肩峰都來(lái)自于π*→π。這為莧菜紅光譜特征分析提供了依據(jù)。

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大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目《有機(jī)染料莧菜紅的光譜和非線性光學(xué)特性》項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，部門編號(hào)：10116，項(xiàng)目編號(hào)：202010060116。

作者簡(jiǎn)介：

孫鴻瑩，女，2000年生，天津人，天津理工大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)學(xué)生。

史開昕，女，2001年生，內(nèi)蒙古人，天津理工大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)學(xué)生。E0AE9804-87AA-435E-9602-66FD7DB6AD1B