有机染料苋菜红的光谱特性

孙鸿莹 史开昕

摘要：本课题研究苋菜红有机分子的光谱特性，通过实验仪器对苋菜红溶液进行扫描，然后得到有机染料苋菜红光谱特性参数，通过对吸收、荧光光谱等光谱图上不同激发波长所对应的不同强度峰值的分析，进行光谱的跃迁等一系列分析。本文利用紫外-可见分光光度计和荧光分光光度计研究了有机染料苋菜红的吸收和荧光的光谱特征。经过分析，发现了四个吸收突出点，吸收峰值分别为216nm，244nm，331nm，508nm。苋菜红分子内存在内氢键作用，分子中的两萘环之间存在特定的夹角的，也就是说苋菜红分子并不是共面的。本文还研究了苋菜红吸收光谱和荧光光谱特征;使用时间分辨光谱测量了荧光寿命。研究表明，吸收主要来源于n→π*和π→π*跃迁。并对吸收峰和最佳激发波长以及其吸收峰随着激发波长的变化规律进行系统分析。其次，还测量了有机染料苋菜红在激发波长为369nm下的时间分辨荧光光谱，拟合得到苋菜红的荧光寿命，并分析产生荧光的机理，为以后的相关光谱分析提供了有效依据。

关键词：苋菜红;吸收光谱;荧光光谱;荧光寿命

引言

有机染料苋菜红是一种常见的食用色素。因其具有共轭π键和有电子推拉作用偶氮键，从分子结构上讲是指一种偶氮化合物染料。由于苋菜红常用于食品添加剂，具有一定毒性，所以在光谱检测中的研究较多。例如，冯骥等人建立了联合分光光度法测定食用苋菜[1]。逯美红等在苋菜表面增强拉曼光谱的密度泛函理论研究，利用共焦显微拉曼光谱检测苋菜粉的拉曼光谱[2]，麻奥研究的多光谱法结合分子对接研究多酚和苋菜红与β-乳球蛋白结合的竞争作用[3]，李建晴发表了《食用色素苋菜红荧光光谱测定与量子产率的研究》研究了pH、防腐剂、氧化还原剂等因素对苋菜红荧光光谱的影响[4]。张咏等人研究了苋菜红分子基态和激发态结构与光谱性质的量子化学研究[14]。丁明珍等人使用荧光光谱法测定饮料中的苋菜红与亮蓝[5]。史爱敏等人对苋菜红和胭脂红的荧光光谱进行了比较分析，找到胭脂红和苋菜红这两种色素产生熒光的基团间的联系[6]。金俊成等人研究了苋菜红-蛋白质体系的共振瑞利散射光谱[7]。张国文等人应用双波长共振光散射比率法研究了甲基紫与苋菜红之间的相互作用[8]。杨卓等人研究了在pH 5.74的HAc-NaAc缓冲溶液中，苋菜红与Cu（Ⅱ）相互作用生成新的化合物，引起吸收光谱发生的变化[9]。杨昌彪等人研究了《近红外光谱与表面增强拉曼光谱对红酒中非法添加剂苋菜红的分析研究》[10]。由此可以看出，以上苋菜红光谱研究的集中在光谱检测和生化环境的相互作用上。本论文通过稳态和瞬态光谱技术研究了有机染料苋菜红分子的光谱特性，以揭示荧光的产生机制。

1实验部分

1.1实验仪器与样品溶液

苋菜红原料易溶于水，但不会溶于绝大多数的有机溶剂，其水溶性为50 g/L （20℃）。本次苋菜红原料的采用上海化工园区的原料，溶液中的溶剂使用去离子水，设定配置浓度为0.1mol/L。测量紫外吸收光谱使用样品溶液进行测量，测量时间分辨荧光光谱同样使用已配置的样品溶液，测量荧光光谱需要将样品溶液稀释，使用3ml的纯水放入0.6ul样品溶液，搅拌，充分混合后配得测量荧光光谱的待测样品。

各光谱所用的实验仪器不尽相同，本实验中测量紫外-可见吸收光谱使用仪器是产自日本Shimadzu的UV-2550紫外-可见分光光度计，日本的这个分光光度计是通过计算机控制的，其中包括微量样品池，特定恒温等附件。光学材料的特性测定等紫外可见分光分析，紫外可见分光光度法定量分析的前提基础是Lambert-Beer（朗伯-比尔）[11]定律，含义就是单色的光辐射穿过待测溶液时，被待测溶液吸收的能量与待测液浓度与液层有多厚成正比，这是吸收光谱法定量的理论依据[12]。它有着简单表示式 [13]。需要测量激发光谱与荧光光谱所需仪器为Thermostatted Cell Holder for F-4500（250-0330），时间分辨荧光谱所需仪器为JY HORIBA FluoroLog-3。

本文所有光谱使用曲线表示。纵坐标表示吸收强度用lgε来表示，横坐标一般是波长用λ表示，在测量光谱中单位一般为nm。最大吸收波长用λmax表示。

1.2实验检测方法

在不发光的比色皿中放置苋菜红溶液，苋菜红紫外-吸收光谱的检测范围取200-900 nm，步长为1nm。苋菜红荧光光谱，检测范围为200-900nm，扫描荧光光谱时用两个不同波长激发，选用激发波长分别为200nm、500nm的激发光来照射该待测试剂。使用JY HORIBA FluoroLog-3测量时间分辨荧光谱，激发波长采用的是369nm的激发光，监测波长分别为404nm、445nm。

2结果与讨论

2.1苋菜红的紫外-吸收光谱

如图1，该图为激发光激发下的吸收谱图;实验测得苋菜红在激发波长下的苋菜红吸收谱图峰值波长为：吸收的峰值波长可以直接看出为216 nm，该值也是苋菜红的特征吸收，244 nm 处有一肩峰，处于508nm处也有较强的吸收，在331 nm 处也有着明显的吸收。其中216nm左右的吸收峰可以归于大共轭π键的n→π*和π→π*两种方式的跃迁;而紫外波段的吸收我们可以归结到萘环的结构上[14]。

2.2苋菜红的荧光光谱

荧光光谱原理，当某一波长的光照射物质时，我们可以先假设基态为Sa，激发态是能级Sb分子被激发然后从能级Sa到能级Sb，并且迅速从能级Sb返回能级Sa，这个过程发出的波长要比入射光的荧光长。对于高浓度溶液而言，荧光的再吸收是不可忽略的。大部分入射光则在系统前半部分被吸收，发射的荧光被再吸收，只有少量的荧光通过狭缝入射到荧光探测器上，使得探测到的荧光强度减少。在辐射跃迁的衰变过程中，能量释放的过程中会伴随着光子发射，即产生了荧光[15][16]。E0AE9804-87AA-435E-9602-66FD7DB6AD1B

用石英比色皿盛装待测样品，将样品置入样品池子中，检测范围为200-900nm，扫描荧光光谱时用两个不同波长激发，选用激发波长分别为200nm、500nm的激发光来照射该待测试剂，在不同的激发波长激发样品后得到有机染料苋菜红的荧光光谱图，如图2和图3。

从图2可以看出，苋菜红溶液在激发波长为200nm下，共有三个荧光峰，其荧光的最高峰值波长为410nm，315nm处有明显的荧光峰，445nm处有一肩峰，607nm处也有一处相对较低的荧光峰。由图3可以看出，在500nm的激发波长的激发下，苋菜红在200-900nm范围内它的荧光光谱只有一个波峰，其荧光光谱的峰值波长为618nm。

2.3苋菜红的瞬态光谱

使用JY HORIBA FluoroLog-3测量时间分辨荧光谱，激发波长采用的是369nm的激发光，监测波长为404nm，如图2.4，图中黑色线是做实验得到的数据曲线，红色线是我们利用公式2.1拟合得到。

苋菜红在369nm的波长激发，监测峰值波长404nm的荧光波长，得到熒光寿命是τ=4.98922±0.02045ns，这是纳秒级的荧光寿命，这种情况下光子的跃迁我们归因为π*→π跃迁。

当激发波长采用369nm的激发光，而监测波长为445nm时，如图5，利用（2.1）公式拟合，拟合效果如下：

可以得到苋菜红在369nm的波长激发，445nm监测波长下，荧光寿命是τ=5.12015±0.01829ns。利用公式（2.1）拟合，拟合效果基本吻合。这个纳秒级的荧光寿命也归为π*→π跃迁。

2.4苋菜红分子中电子能级模型和跃迁

为了进一步揭示苋菜红荧光产生机制，我们建里电子跃迁的能级模型，如图6。由图6可看出有六种跃迁方式，有机染料色素中电子的跃迁方式一般为图6中的两种 、 ，但是这两种的跃迁涉及的能量较小，其中发生前一种 跃迁所需要的能量相比第二种 要小，换句话说未成键的未共用的电子对更加容易跃迁至激发态上，但是因为n电子和π电子它们之间是垂直排列的，因此 比 的跃迁要更加困难，其吸收强度也会低很多。

前文所说的摩尔吸光系数中 跃迁的摩尔吸光系数比 跃迁的摩尔吸光系数要大102至103倍，而 的跃迁寿命比 跃迁的寿命短102至103倍。那么，π*→π发出的荧光强度大一些，荧光发射的效率较高。

3本文总结

本文主要采用稳态光谱和时间分辨光谱手段研究有机染料苋菜红的光谱特征。吸收主要来自于离域电子会发生π→π*跃迁。基于能级模型和时间分辨光谱可知，峰值波长为414nm的荧光带和峰值波长为445的肩峰都来自于π*→π。这为苋菜红光谱特征分析提供了依据。

参考文献：

[1]冯骥，刘慧，赫春香.双波长分光光度法联合测定亮蓝和苋菜红[J].安徽化工，2013，39（3）：78-7984.

[2]逯美红，贾娟，雷海英，王志军，张竺立，程旭丽，吴艳波.苋菜红表面增强拉曼光谱的密度泛函理论研究[J].光谱学与光谱分析，2020，40（6）：1833-1838.

[3]麻奥.多光谱法结合分子对接研究多酚和苋菜红与β-乳球蛋白结合的竞争作用[D].渤海大学，2021.DOI：10.27190/d.cnki.gjzsc.2021.000400.

[4]李建晴.食用色素苋菜红荧光光谱测定与量子产率的研究[J].海南师范大学学报（自然科学版），2018，31（04）：373-376.

[5]丁明珍，于海燕，王正堂.荧光光谱法测定饮料中的苋菜红与亮蓝[J].理化检验（化学分册），2015，51（10）：1393-1395.

[6]史爱敏，朱拓，顾恩东，张银志，刘周忆.苋菜红与胭脂红荧光光谱的比较分析[J].光学学报，2008（11）：2237-2242.

[7]金俊成，常文贵，高云.苋菜红-蛋白质体系的共振瑞利散射光谱及其应用[J].皖西学院学报，2012，28（05）：106-109.

[8]张国文，蒋婷，王安萍.甲基紫与苋菜红相互作用的双波长共振光散射比率光谱研究及其分析应用[J].分析试验室，2009，28（02）：65-69.

[9]杨卓，杨学义，刘献明，范珊珊，杨梦雅.苋菜红-铜（Ⅱ）体系的吸收光谱研究及其分析应用[J].分析试验室，2014，33（07）：762-765.DOI：10.13595/j.cnki.issn1000-0720.2014.0179.

[10]杨昌彪，宋光林，包娜，罗明，孙海达，杨鸿波.近红外光谱与表面增强拉曼光谱对红酒中非法添加剂苋菜红的分析研究[J].

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

[11]朗伯比尔定律[J].数理化学习：高中版，2020（5）：2-2.

[12]朱峰.红外/紫外吸收光谱法定量分析丁苯橡胶链结构[J].石化技术与应用，2012，30（5）：451-453458.

[13]中华人民共和国国家计量技术规范（JJG375-96单光束紫外-可见分光光度计检定规程）.

[14]张咏，陈国庆，朱纯，胡扬俊.苋菜红分子基态和激发态结构与光谱性质的量子化学研究[J].原子与分子物理学报，2015，32（03）：378-385.

[15]张亚莉，颜康婷，王林琳，陈鹏超，韩沂芳，兰玉彬.基于荧光光谱分析的农药残留检测研究进展[J].光谱学与光谱分析，2021，41（8）：2364-2371.

[16]任召言，张珍珠，斯绍雄，罗晓静，赵增义.荧光光谱法检测地下水中微量石油污染物[J].化工安全与环境，2021，34（34）：19-21.

大学生创新创业项目《有机染料苋菜红的光谱和非线性光学特性》项目负责人，部门编号：10116，项目编号：202010060116。

作者简介：

孙鸿莹，女，2000年生，天津人，天津理工大学理学院应用物理学专业学生。

史开昕，女，2001年生，内蒙古人，天津理工大学理学院应用物理学专业学生。E0AE9804-87AA-435E-9602-66FD7DB6AD1B