温度对罗丹明B水溶液荧光强度影响研究

王昊琳，琚 敏，徐 沛，董开拓，于濂清

（中国石油大学（华东）理学院，山东省新能源物理与材料科学重点实验室, 山东 青岛 266580）

科研与开发

温度对罗丹明B水溶液荧光强度影响研究

王昊琳，琚 敏，徐 沛，董开拓＊，于濂清

（中国石油大学（华东）理学院，山东省新能源物理与材料科学重点实验室, 山东 青岛 266580）

配制了 3 种不同浓度的罗丹明 B（RhB）水溶液，分别测量其在低温和高温条件下的发射光谱。结果表明，无论在低温过程或高温过程，罗丹明B水溶液的荧光强度都随温度的升高而降低，反之增加。由低温 5 ℃升至室温过程中，荧光强度与温度呈线性关系，在由高温 60 ℃降至室温过程中，60～40 ℃和 40～30 ℃两个温度区间，温度与荧光强度呈现两种不同的关系，40～30 ℃温度区间内是线性关系。但高温自然降温至室温的罗丹明 B 溶液与低温自然升温至室温的罗丹明 B 溶液荧光光强会发生突变，这表明罗丹明 B 在低温（0 ℃）和高温（70 ℃）下保温时发生了部分不可逆的反应。

罗丹明 B；荧光光谱法；低温高温；荧光强度突变

罗丹明荧光染料是一种以氧杂蒽为母体的碱性呫吨染料，最初是从古老的纤维用染料中筛选出来的，应用于无机荧光分析已有 120 余年的历史。它是一类具有强荧光高激光输出效率的染料，它们的发色团是带有 3, 6 位取代氨基及其衍生物的氧杂蒽母体。两个芳环间“氧桥”（—O—）相连，碳与氧处在对位上形成一个六元环，分子中具有一个很长的共扼体系，具有刚性（僵硬性）平面结构，容易吸收入射光的能量而发射长波，从而产生荧光，并且可以减少分子内部的热运动，减少激发态能量的耗损，提高荧光发射效率[1]。

由于特殊的结构及相应的荧光特性，使罗丹明类荧光染料在化学和生物分析等领域中广泛研究[1-5]。

罗丹明 B（RhB）的荧光特性深受温度影响，鲁维[7]等用罗丹明 B 染色细胞，实现了微波辐照下细胞水平温度的实时测量，徐惠等[2]用罗丹明类染料做探针来监测环境温度，因此研究温度对罗丹明B染料荧光强度的影响对于罗丹明B荧光基础理论研究及在生物学、化学、环境科学等领域的应用都有较大意义。

本文是在低温 5～30 ℃以及高温60～30 ℃较大的温度范围内进行的罗丹明B荧光强度研究。具体为分别从低温 5 ℃升至 30 ℃过程，从较高温度 60℃降至 30 ℃两个过程，研究温度变化过程中荧光强度的变化规律。

1 实验部分

1.1 仪器

（1）7-PL 荧光光谱仪。赛凡光电有限公司。

（2）罗丹明 B。分析纯，C28H31ClN2O3，广东和为化工有限公司。

（3） 85-2 数显控温磁力搅拌器，金坛市大地自动化仪器厂。

（4） DLSB-5 低温冷却循环泵，巩义市英峪仪器厂。

（5）其他器材有比色皿（光程 1cm）、25 mL量筒、100 mL 量筒、250 mL 烧杯、100 mL 烧杯、离心管。

1.2 实验方法

样品准备。称量 0.02 g 罗丹明 B 固体，200 mL去离子水，配制浓度为 10-1g/L 的罗丹明 B 母溶液，盖保鲜膜混合搅拌 10 min，然后分别稀释出 0.001、0.005、0.01g/L 罗丹明 B 水溶液，盖保鲜膜，避光储藏。

低温冷却系统。低温冷却循环泵中加入55%/45%（vol）的乙二醇水溶液低温不冻液 5 L，制冷温度设置为-3 °C。取样品 5 mL 放入离心管内，并将荧光用比色皿放入玻璃管中，进行制冷。将达到制冷温度的比色皿与样品取出，放入荧光光谱仪样品室中，连接带有测温探针的测温系统，能够对样品温度进行实时测量。

高温加热系统。在 500 mL 烧杯中加入 400 mL去离子水，在 85-2 型数显控温磁力搅拌器上搅拌并加热至 80 °C。取样品 5 mL 放入离心管内，并将比色皿放入玻璃管中，玻璃管和离心管都放入 80 ℃水浴中，保温至 80° C。

发射谱测量。将样品降温至 0 °C 附近保温 10 min，测量从 5 °C 自然升温至 30 °C（低温过程）的发射谱，然后将该样品加热至 70℃附近保温 10 min，测量从 60 °C 自然降温至 30 °C（高温过程）的发射谱。激发波长 550 nm，起始波长 570 nm，终止波长 588 nm，扫描间隔 2 nm，扫描速度 255，将样品置于四通光比色皿中，固定于样品室中，测量其发射光谱。并记录最强发射波长 λem扫描时的实时温度与 λem的荧光强度值。

2 结果与讨论

2.1 RhB 溶液荧光强度与温度的关系

2.1.1 低温过程（5～30 °C）中 RhB 溶液荧光强度与温度的关系

先将待测的溶液放入冷却液中降温至 0 °C。低温过程由 5 C 升至 30 °C，过程中测量荧光强度。图 1是以浓度为 0.001、0.005、0.01g/L 时，RhB 溶液在低温过程（5～30 °C）中的不同温度对应的 λem的荧光强度值为数据点，作出的点线图。可以看出低温下随着温度升高，三种浓度的溶液荧光强度全部降低，并且三种浓度溶液荧光强度与温度成线性关系。

图1 低温过程RhB溶液荧光强度与温度关系图Fig.1pL intensityplot for kinds of RhB aqueous solution in theprocess of low temperature

2.1.2 高温过程（60 ～30 °C）中 RhB 溶液荧光强度与温度的关系

先将待测的 RhB 水溶液加热至 70 °C。高温过程由 60 °C 降至 30 °C，过程中进行 λem的荧光强度测试。图 2 是以浓度为 0.001、0.005、0.01g/L 的RhB 溶液在高温下（60→30 °C）不同的温度对应的λem的荧光强度值为数据点，作出的点线图。在60→40°C 高温过程中，随着温度降低，三种浓度的溶液荧光强度呈指数型变化；而在 40→30 °C 过程中，三种浓度的溶液荧光强度随溶液浓度的变化是线性的。

图2 高温过程 RhB 溶液荧光强度与温度关系图Fig.2pL intensityplot for kinds of RhB aqueous solution in theprocess of high temperature

2.2 低温升温与高温降温的荧光突变

我们进行了3种浓度的低温、高温过程荧光强度的连续测量。具体操作为，先进行低温过程荧光强度测量，之后进行高温过程的测量。图3a是不同浓度样品连续测量低温过程、高温过程荧光强度与温度关系图。由此看到，0.001g/L(浓度较小，荧光强度较小)的 RhB 水溶液低温高温过程衔接处，即在 30 °C 附近，λem的荧光强度基本没有突变。然而对于 0.005 和 0.01g/L 的 RhB 水溶液，我们将高温与低温测得的曲线比较发现，由低温 5 °C 自然升温至 30 °C 附近的罗丹明 B 溶液的荧光强度与高温 60°C 自然降温至 30 °C 附近的罗丹明 B 溶液的荧光光强发生了突变，即不连续，不衔接。且 0.005 与 0.01g/L 的 RhB 水溶液突变方向也不相同，0.005 g/L 罗丹明 B 水溶液高温过程荧光强度向上突变，0.01g/L罗丹明B水溶液高温过程荧光强度向下突变。

2.3 讨论

在低温过程和高温过程中，罗丹明 B 水溶液 λem的荧光强度随温度的升高而降低，反之增加。温度升高，分子热运动加大，分子碰撞概率增加，使处于激发态的π电子难以维持稳定的时间，通过碰撞将能量转移给其他分子，无辐射去活过程几率增加，导致荧光猝灭，荧光强度降低。

罗丹明 B 水溶液在低温以及高温过程 40→30 °C 范围内时，荧光强度与温度都有较好的线性关系，在 60→40 °C 高温过程中随着温度降低，三种浓度的溶液荧光强度呈指数型变化。这表明，λem的荧光强度在不同的温度区间，与温度有着不同的相关性。

图3表明了低温高温过程的荧光强度的突变。这说明高温（70 °C）或低温（0 °C）的保温处理都有可能使罗丹明B在水中的结构和存在形式发生改变。为此我们将高低温荧光强度结果与没有经过高温低温处理的常温下配制的 RhB 溶液的 λem的荧光强度值进行了比较，对比结果在图 3（b）（c）（d）中所示。在图 3b 和 3c 中，低温和高温过程下的溶液都与未处理的常温溶液的荧光值不同，说明对于浓度 0.001和 0.005 g/L 的 RhB 溶液，低温和高温都可能产生了部分不可逆的变化。在图 3d中，高温过程下的溶液与未处理的常温溶液的荧光值吻合，而低温过程曲线与未处理的不吻合，说明 0.0 g/L 的溶液在高温处理可能没有使 RhB 发生不可逆转变，但低温处理使得 RhB 发生了不可逆转变。

因此综合图3的结果，我们认为，罗丹明B水溶液在低温和高温时都会产生部分不可逆的反应。这也和鲁维[7]等和 Bermingham[8]等人的工作有相似之处。

此外，在图 2中可以看出，在高温过程中，40→30 °C 和 60→40 °C 两个区间，温度与荧光强度有不同的相关性，分别为线性关系和指数关系。因此 40 °C 是一个关键临界点。具体机制和变化规律还有待进一步探索。

图3 （a）高温与低温不同浓度RhB水溶液荧光强度与温度曲线。箭头方向是指明温度变化方向，低温过程由5 °C自然升温升至30°C，高温过程由60 °C降至30 °C；图（b）、（c）、（d）依次为0.001、0.005、0.01g/L RhB溶液荧光强度与温度曲线。箭头所指红点为在室温下配制的未经高温低温处理的相应浓度溶液的荧光强度Fig.3 (a)pL intensityplot for kinds of RhB aqueous solution in theprocess of low and high temperature, the arrows indicated change tendency of temperature from 5℃to 30℃ for theprocess of low temperature and from 60℃to 30℃for theprocessof high temperature, respectively; (b)(c)(d)pL intensityplot for 0.001, 0.005, 0.01g/L RhB aqueous solution in theprocess of low and high temperature, the dotpointed by arrowpresentedpL intensity of RhB solution that wasprepared at ambient condition without any heat or cold treatment

此外，在低温过程和高温过程，总的荧光强度值随浓度的变化规律也不一致。低温过程中，荧光强度与浓度的关系为：0.01g/L＞0.005 g/L＞0.001g/L，随着浓度的增大，荧光强度越大；然而高温过程 ， 荧 光 强 度 与 浓 度 的 关 系 为 :0.005 g/L＞0.01g/L＞0.001g/L，随着浓度增大，荧光强度先增大后减小（与室温下变化规律相同）。说明温度影响了浓度与荧光强度之间的关系。

3 结 论

（1）罗丹明 B 水溶液荧光强度随温度的升高而降低，反之增加。

（2）低温过程（3→30 °C）中荧光强度与温度成线性关系。高温过程（60→40 °C）中随着温度降低，三种浓度的溶液荧光强度呈指数型变化；在40→30 °C 过程中，三种浓度的溶液荧光强度随溶液浓度的变化是线性的。也说明 40 °C 是一个关键临界点。

（3）高温自然降温至室温的罗丹明 B 溶液与低温自然升温至室温的罗丹明B溶液荧光光强会发生突变，并且 0.001g/L（浓度较小，荧光强度较小)的 RhB 水溶液基本没有突变，而 0.005 与 0.01g/L的RhB水溶液突变方向也不相同。更重要的是，低温、高温都与常温未处理的溶液荧光强度不同，说明低温和高温处理都会对罗丹明B溶液造成某种不可逆的变化。

（4）低温过程中，随着浓度的增大，荧光强度越大；然而高温过程，随着浓度增大，荧光强度先增大后减小（与室温下变化规律相同）。说明温度影响了浓度与荧光强度之间的关系。

［1］颜范勇，陈立功，闫喜龙，等.罗丹明类荧光染料的合成及应用[J].化学进展，2006，18(2/3):232-242.

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Study on Effect of Temperature on Rhodamine B Solution Fluorescence Intensity

WANG Hao-lin, JU Min, XVpei, DONG Kai-tuo*, YU Lian-qing
（Shandong Key Laboratory of New Energyphysics&Materials Science,College of Science, China University ofpetroleum, Shandong Qingdao 266580，China）

Fluorescence intensities of three kinds of RhB aqueous solution were measured under low temperature (from 5 ℃ to 30 ℃) and high temperature (from 60 ℃ to 30 ℃). The results show that the fluorescence intensity decreases with the increase of temperature. Fluorescence intensity has a linear relation with temperature under low temperature; under high temperature, there is an exponential relationship between temperature and fluorescence intensity from 60 ℃ to 40 ℃ and a linear function from 40 ℃ to 30 ℃. The fluorescence intensity of RhB solution around 30 ℃ under low temperature is not consistent with that under high temperature, which indicates an irreversible reaction of RhB molecules at 0 ℃ or 70 ℃.

Rhodamine B(RhB);Fluorescent spectrometry;Low and high temperature; Mutation of fluorescence intensity

TQ 201

： A

： 1671-0460（2017）02-0197-04

国家自然科学基金项目，项目号：21476262；大学生创新训练项目，项目号：201610425066。

2016-08-30

王昊琳（1996-），女，内蒙古呼伦贝尔人，研究方向：纳米材料制备、光电化学。E-mail：15610451069@163.com。

董开拓（1987-），男，助理实验师，硕士，研究方向：污水处理、光电化学转化和碳材料。E-mail：dkt3030@163.com。