有機染料莧菜紅的光譜特性

孫鴻瑩 史開昕

摘要：本課題研究莧菜紅有機分子的光譜特性，通過實驗儀器對莧菜紅溶液進行掃描，然后得到有機染料莧菜紅光譜特性參數(shù)，通過對吸收、熒光光譜等光譜圖上不同激發(fā)波長所對應的不同強度峰值的分析，進行光譜的躍遷等一系列分析。本文利用紫外-可見分光光度計和熒光分光光度計研究了有機染料莧菜紅的吸收和熒光的光譜特征。經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)了四個吸收突出點，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;使用時間分辨光譜測量了熒光壽命。研究表明，吸收主要來源于n→π*和π→π*躍遷。并對吸收峰和最佳激發(fā)波長以及其吸收峰隨著激發(fā)波長的變化規(guī)律進行系統(tǒng)分析。其次，還測量了有機染料莧菜紅在激發(fā)波長為369nm下的時間分辨熒光光譜，擬合得到莧菜紅的熒光壽命，并分析產(chǎn)生熒光的機理，為以后的相關光譜分析提供了有效依據(jù)。

關鍵詞：莧菜紅;吸收光譜;熒光光譜;熒光壽命

引言

有機染料莧菜紅是一種常見的食用色素。因其具有共軛π鍵和有電子推拉作用偶氮鍵，從分子結構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，所以在光譜檢測中的研究較多。例如，馮驥等人建立了聯(lián)合分光光度法測定食用莧菜[1]。逯美紅等在莧菜表面增強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莧菜粉的拉曼光譜[2]，麻奧研究的多光譜法結合分子對接研究多酚和莧菜紅與β-乳球蛋白結合的競爭作用[3]，李建晴發(fā)表了《食用色素莧菜紅熒光光譜測定與量子產(chǎn)率的研究》研究了pH、防腐劑、氧化還原劑等因素對莧菜紅熒光光譜的影響[4]。張詠等人研究了莧菜紅分子基態(tài)和激發(fā)態(tài)結構與光譜性質(zhì)的量子化學研究[14]。丁明珍等人使用熒光光譜法測定飲料中的莧菜紅與亮藍[5]。史愛敏等人對莧菜紅和胭脂紅的熒光光譜進行了比較分析，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]。張國文等人應用雙波長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拉曼光譜對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和生化環(huán)境的相互作用上。本論文通過穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)光譜技術研究了有機染料莧菜紅分子的光譜特性，以揭示熒光的產(chǎn)生機制。

1實驗部分

1.1實驗儀器與樣品溶液

莧菜紅原料易溶于水，但不會溶于絕大多數(shù)的有機溶劑，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，設定配置濃度為0.1mol/L。測量紫外吸收光譜使用樣品溶液進行測量，測量時間分辨熒光光譜同樣使用已配置的樣品溶液，測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，充分混合后配得測量熒光光譜的待測樣品。

各光譜所用的實驗儀器不盡相同，本實驗中測量紫外-可見吸收光譜使用儀器是產(chǎn)自日本Shimadzu的UV-2550紫外-可見分光光度計，日本的這個分光光度計是通過計算機控制的，其中包括微量樣品池，特定恒溫等附件。光學材料的特性測定等紫外可見分光分析，紫外可見分光光度法定量分析的前提基礎是Lambert-Beer（朗伯-比爾）[11]定律，含義就是單色的光輻射穿過待測溶液時，被待測溶液吸收的能量與待測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]。它有著簡單表示式 [13]。需要測量激發(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坐標表示吸收強度用lgε來表示，橫坐標一般是波長用λ表示，在測量光譜中單位一般為nm。最大吸收波長用λmax表示。

1.2實驗檢測方法

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

2結果與討論

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;實驗測得莧菜紅在激發(fā)波長下的莧菜紅吸收譜圖峰值波長為：吸收的峰值波長可以直接看出為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到萘環(huán)的結構上[14]。

2.2莧菜紅的熒光光譜

熒光光譜原理，當某一波長的光照射物質(zhì)時，我們可以先假設基態(tài)為Sa，激發(fā)態(tài)是能級Sb分子被激發(fā)然后從能級Sa到能級Sb，并且迅速從能級Sb返回能級Sa，這個過程發(fā)出的波長要比入射光的熒光長。對于高濃度溶液而言，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狹縫入射到熒光探測器上，使得探測到的熒光強度減少。在輻射躍遷的衰變過程中，能量釋放的過程中會伴隨著光子發(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樣品，將樣品置入樣品池子中，檢測范圍為200-900nm，掃描熒光光譜時用兩個不同波長激發(fā)，選用激發(fā)波長分別為200nm、500nm的激發(fā)光來照射該待測試劑，在不同的激發(fā)波長激發(fā)樣品后得到有機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)波長為200nm下，共有三個熒光峰，其熒光的最高峰值波長為410nm，315nm處有明顯的熒光峰，445nm處有一肩峰，607nm處也有一處相對較低的熒光峰。由圖3可以看出，在500nm的激發(fā)波長的激發(fā)下，莧菜紅在200-900nm范圍內(nèi)它的熒光光譜只有一個波峰，其熒光光譜的峰值波長為618nm。

2.3莧菜紅的瞬態(tài)光譜

使用JY HORIBA FluoroLog-3測量時間分辨熒光譜，激發(fā)波長采用的是369nm的激發(fā)光，監(jiān)測波長為404nm，如圖2.4，圖中黑色線是做實驗得到的數(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的波長激發(fā)，監(jiān)測峰值波長404nm的熒光波長，得到熒光壽命是τ=4.98922±0.02045ns，這是納秒級的熒光壽命，這種情況下光子的躍遷我們歸因為π*→π躍遷。

當激發(fā)波長采用369nm的激發(fā)光，而監(jiān)測波長為445nm時，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的波長激發(fā)，445nm監(jiān)測波長下，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。這個納秒級的熒光壽命也歸為π*→π躍遷。

2.4莧菜紅分子中電子能級模型和躍遷

為了進一步揭示莧菜紅熒光產(chǎn)生機制，我們建里電子躍遷的能級模型，如圖6。由圖6可看出有六種躍遷方式，有機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，換句話說未成鍵的未共用的電子對更加容易躍遷至激發(fā)態(tài)上，但是因為n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，其吸收強度也會低很多。

前文所說的摩爾吸光系數(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)出的熒光強度大一些，熒光發(fā)射的效率較高。

3本文總結

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

參考文獻：

[1]馮驥，劉慧，赫春香.雙波長分光光度法聯(lián)合測定亮藍和莧菜紅[J].安徽化工，2013，39（3）：78-7984.

[2]逯美紅，賈娟，雷海英，王志軍，張竺立，程旭麗，吳艷波.莧菜紅表面增強拉曼光譜的密度泛函理論研究[J].光譜學與光譜分析，2020，40（6）：1833-1838.

[3]麻奧.多光譜法結合分子對接研究多酚和莧菜紅與β-乳球蛋白結合的競爭作用[D].渤海大學，2021.DOI：10.27190/d.cnki.gjzsc.2021.000400.

[4]李建晴.食用色素莧菜紅熒光光譜測定與量子產(chǎn)率的研究[J].海南師范大學學報（自然科學版），2018，31（04）：373-376.

[5]丁明珍，于海燕，王正堂.熒光光譜法測定飲料中的莧菜紅與亮藍[J].理化檢驗（化學分冊），2015，51（10）：1393-1395.

[6]史愛敏，朱拓，顧恩東，張銀志，劉周憶.莧菜紅與胭脂紅熒光光譜的比較分析[J].光學學報，2008（11）：2237-2242.

[7]金俊成，常文貴，高云.莧菜紅-蛋白質(zhì)體系的共振瑞利散射光譜及其應用[J].皖西學院學報，2012，28（05）：106-109.

[8]張國文，蔣婷，王安萍.甲基紫與莧菜紅相互作用的雙波長共振光散射比率光譜研究及其分析應用[J].分析試驗室，2009，28（02）：65-69.

[9]楊卓，楊學義，劉獻明，范珊珊，楊夢雅.莧菜紅-銅（Ⅱ）體系的吸收光譜研究及其分析應用[J].分析試驗室，2014，33（07）：762-765.DOI：10.13595/j.cnki.issn1000-0720.2014.0179.

[10]楊昌彪，宋光林，包娜，羅明，孫海達，楊鴻波.近紅外光譜與表面增強拉曼光譜對紅酒中非法添加劑莧菜紅的分析研究[J].

食品科技，2014，39（06）：294-298.DOI：10.13684/j.cnki.spkj.2014.06.063.

[11]朗伯比爾定律[J].數(shù)理化學習：高中版，2020（5）：2-2.

[12]朱峰.紅外/紫外吸收光譜法定量分析丁苯橡膠鏈結構[J].石化技術與應用，2012，30（5）：451-453458.

[13]中華人民共和國國家計量技術規(guī)范（JJG375-96單光束紫外-可見分光光度計檢定規(guī)程）.

[14]張詠，陳國慶，朱純，胡揚俊.莧菜紅分子基態(tài)和激發(fā)態(tài)結構與光譜性質(zhì)的量子化學研究[J].原子與分子物理學報，2015，32（03）：378-385.

[15]張亞莉，顏康婷，王林琳，陳鵬超，韓沂芳，蘭玉彬.基于熒光光譜分析的農(nóng)藥殘留檢測研究進展[J].光譜學與光譜分析，2021，41（8）：2364-2371.

[16]任召言，張珍珠，斯紹雄，羅曉靜，趙增義.熒光光譜法檢測地下水中微量石油污染物[J].化工安全與環(huán)境，2021，34（34）：19-21.

大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目《有機染料莧菜紅的光譜和非線性光學特性》項目負責人，部門編號：10116，項目編號：202010060116。

作者簡介：

孫鴻瑩，女，2000年生，天津人，天津理工大學理學院應用物理學專業(yè)學生。

史開昕，女，2001年生，內(nèi)蒙古人，天津理工大學理學院應用物理學專業(yè)學生。E0AE9804-87AA-435E-9602-66FD7DB6AD1B