水楊基熒光酮的熒光光譜與熒光量子產(chǎn)率

張 鋒，張洪鋒，楊明非，顧 皞

(1.東北林業(yè)大學(xué)理學(xué)院，哈爾濱 150040；2.天津科技大學(xué)理學(xué)院，天津 300457)

水楊基熒光酮的熒光光譜與熒光量子產(chǎn)率

張 鋒1，張洪鋒2，楊明非1，顧 皞1

(1.東北林業(yè)大學(xué)理學(xué)院，哈爾濱 150040；2.天津科技大學(xué)理學(xué)院，天津 300457)

研究了水楊基熒光酮(SAF)的熒光光譜和熒光量子產(chǎn)率，發(fā)現(xiàn)在pH 2.0以下，SAF無熒光，隨pH升高，SAF由非熒光體轉(zhuǎn)化為熒光體，熒光強度增強，在pH 6.0～7.0，SAF有穩(wěn)定的強熒光，最大發(fā)射波長537,nm，最大激發(fā)波長507,nm．在堿性條件下，隨pH升高，SAF熒光強度下降，當(dāng)pH在10.0以上SAF無熒光．在pH＝6.5的緩沖溶液中，SAF稀水溶液的熒光強度與濃度之間存在良好的線性關(guān)系，線性范圍為2.0×10-7～1.2×10-6,mol/L，檢出限為5.2× 10-9,mol/L．SAF在醇溶液中，激發(fā)波長藍(lán)移，發(fā)射峰紅移，Stokes位移增大．在稀水溶液中，β-環(huán)糊精對SAF的熒光強度有很強的增敏作用．以羅丹明6,G為參比，使用Williams梯度法測量了SAF的熒光量子產(chǎn)率，在激發(fā)波長500,nm處的熒光量子產(chǎn)率為0.68．

水楊基熒光酮；熒光光譜；熒光量子產(chǎn)率；羅丹明6,G

水楊基熒光酮(Salicylfluorone，SAF)，化學(xué)名為2，6，7–三羥基–9–(2–羥基苯基)–3,H–占噸–3–酮，作為高靈敏顯色劑在無機離子光度分析中得到了廣泛的研究和應(yīng)用[1–5]．除作顯色劑外，Zhang等[6]報道了SAF在電化學(xué)伏安法中的應(yīng)用．SAF自身屬強熒光物質(zhì)，近年來作為熒光探針在熒光分析中的應(yīng)用研究蓬勃開展[7–8]，特別是在表面活性劑的作用下，利用熒光酮與金屬離子形成配合物而使熒光消失建立起的熒光熄滅法已用于痕量重金屬離子的測定[9–12]．清華大學(xué)Liu等[13–14]使用羧甲基纖維素鉛搭載發(fā)光的SAF在室溫固相條件下的磷光猝滅法成功實現(xiàn)了對痕量重金屬鉬、銀的測定．但是，到目前為止，對于SAF熒光光譜性質(zhì)的研究卻不夠深入和細(xì)致，特別是對熒光量子產(chǎn)率的數(shù)據(jù)鮮有報道．本文對SAF熒光光譜的pH效應(yīng)以及其他環(huán)境因素的影響進行了較為詳盡的研究，并以羅丹明6,G為參比[15–16]，測定了熒光量子產(chǎn)率，以期為熒光性質(zhì)的分析應(yīng)用和穩(wěn)定性研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)．

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

LS 55型熒光分光光度計、Lambda 35 型UV/Vis分光光度計，PerkinElmer公司；1,cm四通熒光池；PB–10 型數(shù)顯酸度計，Sartorius公司．

SAF，分析純，天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所，準(zhǔn)確稱取SAF 0.084,1,g，用無水乙醇進行溶解，配制成1.0×10-3,mol/L乙醇溶液，使用時適當(dāng)稀釋．羅丹明6,G，生物染色劑，阿拉丁化學(xué)試劑，配制成1.0×10-3mol/L乙醇溶液，使用時適當(dāng)稀釋．KOH、KNO3、Na2HPO4、NaH2PO4、甲醇、乙醇、乙二醇，分析純；HNO3，優(yōu)級純；二次去離子水．

表面活性劑及濃度：溴化十六烷基三甲基銨(CTMAB)，1.0×10-3,mol/L；β–環(huán)糊精(β-CD)，15,g/L；曲拉通X-100(Triton X-100)，3.0,g/L；吐溫80(Tween-80)，40,g/L；聚乙二醇辛基苯基醚(OP)，40,g/L；十二烷基硫酸鈉(SDS)，20,g/L．各種表面活性劑在溶液體系中均達到臨界膠束濃度．

1.2 實驗方法

在25,mL 容量瓶中，分別加入SAF或羅丹明6,G乙醇溶液，加入1.0,mol/L KNO3溶液控制離子強度，以酸、堿溶液或 Na2HPO4–NaH2PO4緩沖溶液調(diào)節(jié)pH，以水稀釋到刻度，搖勻．掃描熒光光譜或紫外可見吸收光譜．

為了準(zhǔn)確計算熒光量子產(chǎn)率，預(yù)先用羅丹明B光量子計和散射板對LS 55型熒光分光光度計的激發(fā)和發(fā)射光譜進行校正．熒光測量時儀器的激發(fā)和發(fā)射狹縫均為5.0,nm，使用515,nm截止濾光片，檢測器負(fù)高壓設(shè)置為固定值．

2 結(jié)果與討論

2.1 SAF在不同pH下的熒光光譜

固定SAF濃度為1.0×10-6,mol/L(溶液在波長500,nm下吸光度A≤0.050)，改變pH，測量SAF稀溶液在不同pH下的熒光光譜．SAF在酸性條件下的熒光光譜如圖1所示．當(dāng)溶液pH小于2.0時，SAF沒有熒光．隨著pH升高，同步熒光峰和發(fā)射峰均逐步升高，熒光發(fā)射峰由526,nm紅移至537,nm，最大激發(fā)峰由497,nm紅移至507,nm．當(dāng)pH大于6.0時，熒光強度顯著增強，表明pH升高使SAF由非熒光體逐步轉(zhuǎn)變?yōu)闊晒怏w．在堿性條件下，SAF的熒光光譜如圖2所示．隨pH升高，同步熒光峰和發(fā)射峰均顯著降低，但形狀沒有改變．當(dāng)pH大于10.0時，SAF溶液已基本沒有熒光．

圖1 SAF在酸性條件下的熒光光譜Fig.1 Fluorescence spectra of SAF in acidic solutions

圖2 SAF在堿性條件下的熒光光譜Fig.2 Fluorescence spectra of SAF in alkaline solutions

從SAF的分子結(jié)構(gòu)[6,17]可知，pH的改變影響到SAF的離解平衡：

因此，在不同的pH下，SAF有不同的主要存在形式[18]．隨著溶液pH的升高，SAF的羥基氧逐級離解為O-，SAF不同形式下π電子的共軛度不同．由于分子中羥基氧上未共用電子對的增加，給電子能力增強，提高了共軛體系的共軛度，使基態(tài)的能級發(fā)生改變，僅需吸收較小的能量便可使π電子激發(fā)躍遷，從而使最大激發(fā)波長λex、最大發(fā)射波長λem紅移．隨著pH的逐步升高，羥基的離解度越大，λex、λem越紅移，同時熒光強度也顯著增大．在強酸性溶液中，可能是羥基的離解度很小，分子共軛度小，熒光弱．而在堿性溶液中，由于試劑的逐漸分解，共軛體系被破壞，因此熒光逐漸變?nèi)酰?/p>

2.2 熒光強度與濃度的關(guān)系

在pH＝6.5的Na2HPO4–NaH2PO4緩沖溶液中，探討SAF熒光強度與濃度的關(guān)系．在2.0×10-7～1.2×10-6,mol/L的濃度范圍內(nèi)，熒光強度IF與SAF濃度c(10-6,mol/L)之間有良好的線性關(guān)系，回歸方程為IF＝21.4＋158.6,c，相關(guān)系數(shù)R2＝0.999,2，檢出限為5.2×10-9,mol/L．當(dāng)濃度大于1.5×10-6,mol/L時，熒光強度不僅不隨溶液濃度線性增大，反而出現(xiàn)了隨濃度的增大而下降的現(xiàn)象，這可能是由濃度效應(yīng)而導(dǎo)致的．隨著濃度提高，發(fā)生了SAF分子的相互作用，產(chǎn)生了SAF激發(fā)態(tài)分子與其基態(tài)分子的二聚物，從而導(dǎo)致熒光強度的下降．當(dāng)濃度更大時，甚至發(fā)生了SAF基態(tài)分子的聚集，導(dǎo)致熒光強度急劇下降．

2.3 溶劑對熒光光譜的影響

固定SAF濃度為1.0×10-6,mol/L，測定其在不同溶劑下的熒光光譜，結(jié)果如圖3所示．

圖3 SAF在不同溶劑下的熒光光譜Fig.3 Fluorescence spectra of SAF in different solvent

由圖3可知：SAF在醇溶液中光譜形狀發(fā)生一定變化，最大激發(fā)波長藍(lán)移，而最大發(fā)射峰紅移，Stokes位移增大，且強度顯著增強，這是由溶劑效應(yīng)造成的．溶劑的影響可分為一般的溶劑效應(yīng)和特殊的溶劑效應(yīng)，前者指的是溶劑的介電常數(shù)ξ、折射率n以及定向極化率Δf的影響，后者指的是熒光體和溶劑分子間的特殊化學(xué)作用，如形成氫鍵和配合作用等．實驗所選取的4種溶劑的物理參數(shù)見表1[19]．由表1可知：4種溶劑的定向極化率相差不大．一般情況下，n增大，ξ減小，將使熒光體基態(tài)與激發(fā)態(tài)能差減小，Stokes位移減小，這顯然與實驗結(jié)果相矛盾，因此不能用一般的溶劑效應(yīng)來解釋光譜的改變，特別是Stokes位移的增大主要是由特殊的溶劑效應(yīng)造成的．一方面，水電離出質(zhì)子的能力比醇強，抑制熒光體的電離，造成SAF在水溶液中熒光弱；另一方面，在醇溶液中，SAF基態(tài)分子被溶劑分子包圍，通過氫鍵生成氫鍵配合物，降低基態(tài)的能量，使基態(tài)更穩(wěn)定，需要更大的能量激發(fā)，故激發(fā)波長藍(lán)移；同時最低激發(fā)態(tài)分子與溶劑分子發(fā)生氫鍵作用，使熒光發(fā)射光譜向長波方向移動．因此，在醇溶液中，Stokes位移顯著增大．氫鍵等溶劑化作用使SAF共軛結(jié)構(gòu)的共軛度進一步提高，SAF在醇溶劑中熒光強度更大．

表1 不同溶劑的物理常數(shù)Tab.1 Physical parameters of different solvent

2.4 表面活性劑對熒光光譜的影響

分別實驗了SDS、CTMAB、Triton,X-100、Tween-80、OP以及β-CD幾種表面活性劑對SAF熒光強度的影響．結(jié)果表明：除SDS外，其他表面活性劑對SAF的熒光強度均有一定的增敏作用．其中以15,g/L的β-CD水溶液增敏效果最好．β-CD空腔體內(nèi)徑約0.65,nm，SAF的苯基(直徑約0.28,nm)可被β-CD腔體包絡(luò)，且酚羥基與β-CD的氫鍵作用，使SAF共軛體系共軛程度提高，熒光強度顯著增大．

2.5 熒光量子產(chǎn)率

熒光量子產(chǎn)率(Q)定義為熒光物質(zhì)吸光后發(fā)射的光子數(shù)與所吸收的激發(fā)光的光子數(shù)之比．在實驗中，一般采用參比法測定物質(zhì)的熒光量子產(chǎn)率，具體過程可以使用“一點法”和“Williams梯度法”．前者操作方便，但數(shù)據(jù)不夠精確；后者測量過程繁瑣，但數(shù)據(jù)精準(zhǔn)可靠．本實驗選擇“Williams梯度法”，該方法要求分別繪制熒光待測物質(zhì)和參比物質(zhì)積分熒光強度對吸光度的工作曲線，然后利用式(1)計算待測物質(zhì)的熒光量子產(chǎn)率[20–21].

式中：Q和QR分別表示待測物質(zhì)和參比物質(zhì)的量子產(chǎn)率；Grad和GradR分別表示待測物質(zhì)和參比物質(zhì)積分熒光強度對吸光度作圖工作曲線的斜率；n和nR分別表示待測物與參比物溶液的折射率，如在同一溶劑條件下，n/nR值為1.0．羅丹明6,G化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、量子產(chǎn)率高，本文選擇羅丹明6,G為參比物，測量SAF的量子產(chǎn)率．實驗測得羅丹明6,G在不同激發(fā)波長下的量子產(chǎn)率，結(jié)果見表2．

表2 不同激發(fā)波長下羅丹明6,G的熒光量子產(chǎn)率Tab.2 Fluorescence quantum yield of Rhodamine 6,G atdifferent excitation wavelength

配制一系列適當(dāng)濃度的SAF和羅丹明6,G水溶液，保證吸光度不大于0.050，測定在500,nm下的吸光度值，再分別在500,nm激發(fā)波長下掃描SAF和羅丹明6,G的熒光光譜，繪制積分熒光強度對吸光度的工作曲線，如圖4、圖5所示．結(jié)合羅丹明6,G在500,nm激發(fā)波長下的熒光量子產(chǎn)率0.94(表2)可按式(1)計算SAF的熒光量子產(chǎn)率．有分析應(yīng)用價值的熒光化合物，其熒光量子產(chǎn)率的數(shù)值通常處于0.1～1之間．如常用的熒光染料羅丹明B水溶液的量子產(chǎn)率為0.31；硫酸奎寧在0.1,mol/L 硫酸水溶液中的量子產(chǎn)率為0.58；甲酚紫乙醇溶液的量子產(chǎn)率為0.53．而在激發(fā)波長500,nm下，SAF的熒光量子產(chǎn)率為0.68，表明SAF是一種強熒光化合物．

圖4 不同濃度羅丹明6,G的熒光光譜與積分熒光強度Fig.4 Fluorescence spectra of Rhodamine 6,G and integrated fluorescence intensity under different concentration

圖5 不同濃度SAF的熒光光譜與積分熒光強度Fig.5 Fluorescence spectra of SAF and integrated fluorescence intensity under different concentration

3 結(jié) 論

溶劑性質(zhì)、pH、表面活性劑以及水楊基熒光酮自身濃度大小均對SAF的熒光光譜有較大影響．在pH 6.0～7.0，SAF稀水溶液有穩(wěn)定的強熒光，且熒光強度與濃度之間存在良好的線性關(guān)系．在激發(fā)波長為500,nm下，以羅丹明6,G為參比，測得SAF水溶液的熒光量子產(chǎn)率為0.68．

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責(zé)任編輯：周建軍

Fluorescence Spectra and the Quantum Yield of Salicylfluorone

ZHANG Feng1，ZHANG Hongfeng2，YANG Mingfei1，GU Hao1
(1.College of Science，Northeast Forestry University，Harbin 150040，China；
2.College of Science，Tianjin University of Science & Technology，Tianjin 300457，China)

Fluorescence spectra and fluorescence quantum yield of Salicylfluorone(SAF)have been studied.Under the condition of pH＜2.0，SAF has no fluorescence.With the increase of pH value，SAF changes from non-luminous chemical to fluorophore and its fluorescence intensity increases.In the range of pH 6.0-7.0，SAF gives a strong and steady fluorescence with a maximum emission wavelength of 537,nm and excitation wavelength of 507,nm.In alkaline solution，fluorescence intensity of SAF decreases with the increase of pH value，and it has no fluorescence when pH＞10.0.There is an excellent linear relationship between fluorescence intensity and the concentration of SAF in pH＝6.5 buffer solution．The linear range is 2.0×10-7-1.2×10-6mol/L，and the detection limit is 5.2×10-9mol/L.In alcoholic solutions，Stokes drift of SAF increases as blue shift occurs on molecular excitation wavelength and red shift occurs on emission wavelength.β-cyclodextrin can be used as an excellent sensitizer because fluorescence intensity of SAF is enhanced enormously by adding β-CD.Rhodamine 6,G was used as a reference，and fluorescence quantum yield of SAF was measured by means of Williams gradient method.At the excitation wavelength 500,nm，the fluorescence quantum yield of SAF is 0.68.

Salicylfluorone；fluorescence spectra；fluorescence quantum yield；Rhodamine 6,G

O657.39

A

1672-6510(2015)05-0032-05

10.13364/j.issn.1672-6510.20140145

2014–11–07；

2015–01–22

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目(2572014BB18)

張 鋒（1982—），男，河南西峽人，工程師；通信作者：張洪鋒，工程師，fszhf@126.com．

數(shù)字出版日期：2015-07-08；數(shù)字出版網(wǎng)址：http://www.cnki.net/kcms/detail/12.1355.N.20150708.1607.003.html.