堿性玫瑰精熒光特性與影響因素研究

馬永忠

(武警工程大學 裝備管理與保障學院， 西安 710086)

1 引言

堿性玫瑰精熒光染料是一種以氧雜蒽為母體的堿性染料，最早發(fā)現于古老的纖維用染料中，應用于20世紀20年代，是一類具有高激光輸出效率和強熒光的染料，易于吸收入射波的能量并發(fā)射出相對較長波，產生熒光。同時由于分子內部的熱運動的相應降低，會減少激發(fā)態(tài)能量非輻射的失活，提高熒光量子產率。特殊的結構和熒光特性使堿性玫瑰精染料在分析化學和生物分析領域得到了廣泛的研究[1-4]。關于堿性玫瑰精熒光染料離子結構、光物理特性的文獻越來越多[4-6]。與其他普通熒光染料相比堿性玫瑰精熒光染料具有熒光量子產率高、發(fā)射波長寬、光穩(wěn)定性好和對pH值不敏感等優(yōu)點，被廣泛應用在環(huán)境化學、信息科學、激光染料、熒光標記等方面，是最常見的熒光染料，但對于堿性玫瑰精熒光機理研究較少。本文主要通過濃度、溶劑、pH值和關照時間等因素對堿性玫瑰精的熒光機理進行初步的探討。

2 實驗部分

1) 儀器和試劑

F212型熒光光譜測試儀、WFH-204B型手提式紫外分析儀；

堿性玫瑰精(分析純)、丙酮(化學純)、無水乙醇(化學純)、N，N-二甲基甲酰胺(分析純)、氫氧化鈉(化學純)、鹽酸(化學純)。

2) 實驗方法

配置堿性玫瑰精的無水乙醇、丙酮、DMF和水的母液：取1 g堿性玫瑰精用一定量水溶解并定容值200 mL，其余母液配置方法相同。實驗用液由母液稀釋得到。

然后根據實驗要求，進行熒光測試，采用F212型熒光光譜測試儀，常規(guī)石英樣品池，激發(fā)和發(fā)射狹縫全部取5 nm。

3 結果與討論

1) 堿性玫瑰精濃度對熒光性質的影響

由圖1可知，當堿性玫瑰精的濃度小于4×10-3g/L時，其最大發(fā)射波長λem·max基本沒有變化，但熒光強度逐漸變大。這是因為溶液熒光強度于溶液中單位體積內處于激發(fā)態(tài)的堿性玫瑰精的數量成正比，且當堿性玫瑰精濃度小于1×10-4g/L其熒光強度與濃度線性正相關(如圖2所示)。

圖1 不同濃度堿性玫瑰精熒光光譜圖

圖2 堿性玫瑰精濃度小于1×10-4 g/L時熒光強度曲線圖

但當堿性玫瑰精濃度的增加超過1×10-4g/L 時，盡管熒光強度仍然增加，但已經無線性關系了；當濃度大于8×10-3g/L，最大發(fā)射波長都發(fā)生了變化，隨著堿性玫瑰精濃度增加，發(fā)射光譜發(fā)生了紅移，這可能是由于濃度達到一定程度時會出現的聚集狀態(tài)，形成了所謂的二聚體或多聚體[1]。發(fā)射光譜紅移是由于聚集狀態(tài)下的第一電子激發(fā)單線態(tài)的能量比單體的第一電子激發(fā)單線態(tài)低，導致所需的激發(fā)能量相對較低[7]。當濃度達到一定程度時，單體堿性玫瑰精形成二聚體或多聚體，這使得能量在組分分子間來回轉移，導致熒光自熄滅作用增強，所以溶液體系的熒光強度隨著堿性玫瑰精濃度增加反而減小。

表1 不同濃度堿性玫瑰精熒光性質

2) 不同溶劑對熒光性質的影響

在不同溶劑環(huán)境下堿性玫瑰精溶液存在不同的分子結構：在質子溶劑環(huán)境下其以兩性離子和陽離子的形式存在，在疏質子溶劑環(huán)境中為內酯結構[2]。并呈現不同的光物理和光譜特性。試驗結果表明，堿性玫瑰精的內轉換過程非常復雜，不是簡單的由溶劑的粘稠度決定的，且不同溶劑中其分子的內轉換使得雙鍵變?yōu)榱藛捂I，空間構型發(fā)生變化。下面就對堿性玫瑰精在不同溶劑中的熒光光譜性質進行測試研究。

本研究在25 ℃、pH=8和濃度為 1×10-4g/L條件下，測定了堿性玫瑰精在四種不同溶劑中的熒光光譜。這些溶劑的部分物理常數如表2所示。

表2 不同溶劑的部分物理常數Table 2 partial physical constants of different solvents

以水、乙醇、丙酮和DMF不同溶劑為介質，配成1×10-4g/L堿性玫瑰精工作液，其發(fā)射光譜圖如圖3。

圖3 不同溶劑下堿性玫瑰精發(fā)射光譜圖

圖4給出了堿性玫瑰精在不同溶劑中的熒光強度大小。溶劑介電常數的增強使得堿性玫瑰精溶液熒光強度明顯降低，的堿性玫瑰精的熒光強度在水中最低，而在丙酮中熒光強度最高。在DMF中由于溶液黏度等原因，使得剛性平面結構發(fā)生扭轉，與氧雜蔥環(huán)形成了大的共扼體系，受紫外光激發(fā)后表現出對氧雜蔥共軛環(huán)提供電子，使激發(fā)后的電子不能發(fā)生回傳，導致了熒光減弱，從而導致量子產率下降。

注：1～4分別為：丙酮、乙醇、DMF和水

由圖5可以看出，堿性玫瑰精最大發(fā)射波長λem·max隨溶劑極性的增加發(fā)生一定紅移，其中在DMF中的最大發(fā)射波長最大，在乙醇中最小。

在偶極距較大的DMF溶液中，堿性玫瑰精的最大吸收波長與在偶極距較小的乙醇中的光譜相比有一定的紅移(20 nm左右)，這是因為不同溶劑分子的偶極矩不同，在溶液中偶極矩較大的溶劑分子容易受到溶劑極性的影響發(fā)生波普移動。

注：1～4分別為：丙酮、乙醇、DMF和水

3) pH值的影響

由于堿性玫瑰精是堿性染色劑，pH值對其有很大的影響。圖6為不同pH值條件下濃度為10-4g/L堿性玫瑰精溶液的熒光強度。激發(fā)波長為254 nm。

圖6 不同pH值時堿性玫瑰精熒光強度曲線

由圖6可知，pH=0，1時，溶液為強酸性，堿性玫瑰精的羧基沒有電離，所以堿性玫瑰精熒光很弱，這主要是由于羧基是一個強吸電子基團，造成堿性玫瑰精的熒光猝滅[4]。當pH值為2～3時，堿性玫瑰精開始逐漸電離，熒光強度逐漸增強，當pH值大于3時堿性玫瑰精溶液的熒光強度基本穩(wěn)定在某一值這說明堿性玫瑰精溶液已經全部電離。由此可以判定堿性玫瑰精中的羧基基團是影響堿性玫瑰精溶液熒光強弱的重要基團。

4) 激發(fā)光照時間的影響

本研究分別測定了堿性玫瑰精在乙醇和水中的熒光強度與激發(fā)光照射時間的關系。如圖7和圖8所示堿性玫瑰精溶液的熒光強度隨激發(fā)光照時間增加而降低，在水中比乙醇溶液中的降低速度要快很多，這是因為堿性玫瑰精的分子處于激發(fā)態(tài)時，其核間距離大于基態(tài)時的核間距離，從而激發(fā)態(tài)的分子核間的束縛力相對就會較弱于基態(tài)，因而在較強的紫外光長時間照射下，其分子易于產生離解，所以其熒光強度隨光照時間增加而削弱[5]。堿性玫瑰精在極性溶液較強的溶液中更易形成二聚體或多聚體[8]，因二聚體[9]和多聚體[10]與單體之間具有不同的吸收光譜且不發(fā)生熒光或者所發(fā)射的熒光比單體弱，導致其溶液熒光強度的迅速下降，所以溶劑的極性越強，其熒光強度下降的越快。

圖7 光照時間對堿性玫瑰精水溶液熒光強度的影響曲線

圖8 光照時間對堿性玫瑰精乙醇溶液

4 結論

研究了堿性玫瑰精不同濃度、不同溶劑、不同pH和不同激發(fā)光照時間下的熒光特性，當堿性玫瑰精的濃度小于1×10-4g/L時，其熒光強度與濃度程線性正相關，當堿性玫瑰精的濃度大于4×10-3g/L時，隨著堿性玫瑰精濃度增加時，其熒光波普發(fā)生紅移，熒光強度先增加后減少；溶劑介電常數增加，溶液熒光強度增加，溶劑偶極距增加，波長發(fā)生特殊效應紅移，當pH為1～2時熒光強度逐漸增強，當pH>3時熒光強度基本維持不變，證明堿性玫瑰精中的羧基基團是影響堿性玫瑰精溶液熒光強弱的重要基團；堿性玫瑰精溶液的熒光強度隨激發(fā)光照時間增加而降低，在水中比乙醇溶液中的降低速率要大很多。