大果紫檀水浸液的熒光光譜研究

朱續(xù)娜，張耀麗，王翔

(南京林業(yè)大學材料科學與工程學院，南京210037)

大果紫檀水浸液的熒光光譜研究

朱續(xù)娜，張耀麗*，王翔

(南京林業(yè)大學材料科學與工程學院，南京210037)

為探究大果紫檀水浸液的熒光性質(zhì)，以藍色熒光現(xiàn)象為切入點，分別在自然光和黑色紫外光源下觀察大果紫檀水浸液，測量大果紫檀水浸液的三維熒光圖譜和二維熒光圖譜并進行分析。結果表明：在三維熒光圖譜中呈現(xiàn)一個強熒光峰和一個弱熒光峰，最佳激發(fā)波長分別位于275和430 nm，最佳發(fā)射波長相同，均是467 nm，主要含有一類熒光組分，可能為含取代基的芳香族化合物。二維光譜圖中，當pH在3～13之間時，熒光光譜的熒光峰不變，最佳激發(fā)波長、最佳發(fā)射波長不變，但熒光強度出現(xiàn)明顯變化；當pH<8時，熒光強度與pH成正比；在pH 8～9之間熒光強度達到最大；pH>9時，熒光強度反而與pH成反比，表明pH的改變使熒光組分的分子結構產(chǎn)生質(zhì)子離解作用。大果紫檀水浸液質(zhì)量濃度較低(0.010～0.100 mg/mL)時，熒光強度與水浸液質(zhì)量濃度之間高度線性相關，可為熒光組分提取分離提供依據(jù)。

大果紫檀；熒光光譜；pH；質(zhì)量濃度

大果紫檀(PterocarpusmacarocarpusKurz)俗稱緬甸花梨，為豆科紫檀屬木材，主產(chǎn)于緬甸、老撾、泰國等中南半島地區(qū)。木材結構細勻，紋理美觀，香氣醇厚，主要用作高級家具及工藝品。大果紫檀的水溶液呈現(xiàn)熒光性，大果紫檀木材在干燥過程中會產(chǎn)生大量的藍色熒光液體，而關于木材水溶液熒光的記錄最早可以追溯到1565年，西班牙醫(yī)生Nicolás Monardes記錄了一種被用來治療肝臟和腎臟疾病的木材Lignumnephriticum，當水接觸到這種木材時會呈現(xiàn)藍色熒光[1]。在16和17世紀的歐洲，Lignumnephriticum因為被做成杯子被大家熟知，放置在這種杯子里的水的表面也會出現(xiàn)藍色熒光[2]。幾個世紀以來，科學家們對此熒光現(xiàn)象進行了研究[3-8]，1664年Robert Boyle提出藍色熒光與pH有關，1672年Newton建立了這種熒光現(xiàn)象的光與色的理論，1915年Safford通過研究發(fā)現(xiàn)narra和Mexican kidneywood這兩種木材的水浸液表現(xiàn)出相同的熒光現(xiàn)象。目前為止，關于大果紫檀不同有機溶劑的提取物，國內(nèi)外已有一些研究，已經(jīng)分離檢測出幾十種化合物[9-14]，但是其水浸液的熒光性質(zhì)依然是未知的，也未見有其水浸液熒光光譜研究的相關報道。筆者通過對大果紫檀水浸液二維和三維光譜的研究，以期為大果紫檀水浸液中熒光組分的進一步分離檢測奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 儀器與材料

試驗儀器：Perkin Elmer LS-55熒光分光光度計；Hitachi F-7000熒光分光光度計；WTW inolab pH7110 pH測試儀。

大果紫檀來源于南京林業(yè)大學材料科學與工程學院木材學標本室；鹽酸(分析純)，NaOH(分析純)，均為南京化學制劑有限公司產(chǎn)品；實驗用水均為去離子水。

1.2 試驗方法

準確稱取大果紫檀刨花10.000 0 g，置于500 mL燒杯中，加入300 mL 100℃水，室溫下冷卻并浸泡90 h，過濾，取濾液稀釋40倍后得到大果紫檀水浸液，質(zhì)量濃度表示為1 mg/mL。

不同pH條件下大果紫檀水浸液熒光現(xiàn)象的觀察及二維熒光光譜的測定：分別取5 mL大果紫檀水浸液于試管和離心管中，使用1.00，0.10，0.01 mol/L的HCl和NaOH溶液調(diào)節(jié)樣品pH，使其在3～13的范圍內(nèi)，試管中樣品pH間隔為1，離心管中樣品pH間隔為0.4～0.6，每個樣品中加入的HCl或NaOH溶液小于200 μL，因此可以忽略酸堿試劑對溶液質(zhì)量濃度的稀釋作用。在自然光和黑色紫外光下觀察試管中大果紫檀水浸液的熒光現(xiàn)象，測試離心管中樣品pH并掃描熒光光譜，Ex和Em掃描的狹縫寬度分別為10.0和2.5 nm。

不同質(zhì)量濃度條件下大果紫檀水浸液熒光現(xiàn)象的觀察及二維熒光光譜的測定：在試管和離心管中分別加入一定量的大果紫檀水浸液，以水定容至5 mL，得到質(zhì)量濃度為10.000，5.000，1.000，0.670，0.500，0.400，0.330，0.290，0.250，0.200，0.125，0.100 mg/mL的大果紫檀水浸液，在自然光和黑色紫外光下觀察熒光現(xiàn)象，測試熒光光譜，Ex和Em掃描的狹縫寬度分別為10和3 nm。

三維熒光光譜的測定：將質(zhì)量濃度為0.29 mg/mL的大果紫檀水浸液置于Hitachi F-7000熒光分光光度計上測試，Ex和Em掃描的狹縫寬度均為5 nm。

2 結果與分析

2.1 大果紫檀水浸液熒光現(xiàn)象

2.1.1 不同pH的大果紫檀水浸液的熒光現(xiàn)象

用自來水浸泡大果紫檀刨花，液體出現(xiàn)明顯的藍色熒光。但在相同時間內(nèi)，用去離子水浸泡同質(zhì)量的大果紫檀刨花，其藍色熒光沒前者明顯，不過只要向后者溶液中滴加一滴NaOH溶液，藍色熒光就會顯著增強，說明大果紫檀水浸液的熒光強弱與其溶液pH有關。這是因為木材中的水溶性成分會降低去離子水的pH，自來水則具有一定的緩沖能力來減弱pH的變化；實驗室所用自來水的pH大于去離子水，呈現(xiàn)弱堿性，熒光組分在自來水中表現(xiàn)出較強熒光，而適量NaOH溶液的加入在提高pH的同時有助于提高熒光強度。圖1A為在自然光源下不同pH的大果紫檀去離子水水浸液，在pH 2～13之間，溶液顏色由透明，淺黃色逐漸變?yōu)榘迭S色，但其藍色熒光較弱。為了更好地觀察熒光現(xiàn)象，對水浸液采用黑色紫外光源照射(圖1B)，可以看到明顯的藍色熒光，在pH 2～8之間，水浸液由非熒光逐步轉變?yōu)闊晒猓趐H 9～13之間，水浸液從熒光過渡為非熒光。因此，pH是決定熒光強度的關鍵因素。

圖1 自然光(A)和黑色紫外光源(B)下不同pH的大果紫檀水浸液Fig. 1 Solutions of various pH under natural light(A) and black light ultraviolet(B)

2.1.2 不同質(zhì)量濃度的大果紫檀水浸液的熒光現(xiàn)象

自然光照射下的不同質(zhì)量濃度的大果紫檀水浸液見圖2A，可以看出隨著質(zhì)量濃度的減小，水浸液由暗黃色逐漸變?yōu)闊o色，但在肉眼下較難觀察到熒光。在黑色紫外光源照射下大果紫檀水浸液熒光現(xiàn)象較明顯(圖2B)，在質(zhì)量濃度0.29～1.00 mg/mL的范圍內(nèi)，熒光強度與溶液質(zhì)量濃度成正比，而當質(zhì)量濃度>1 mg/mL時，熒光強度與溶液質(zhì)量濃度成反比。對于大果紫檀水浸液，在特定強度及波長的激發(fā)光照射下，溶液的質(zhì)量濃度較小，對激發(fā)光的吸光度偏低時，溶液的熒光強度才隨質(zhì)量濃度的增加而增強。而隨著溶液質(zhì)量濃度的逐步增大，由于內(nèi)濾效應和溶質(zhì)間的相互作用，反而出現(xiàn)熒光強度與溶液質(zhì)量濃度成反比的現(xiàn)象。當溶液質(zhì)量濃度過高時，溶液中雜質(zhì)含量增多，對入射光的吸收作用增大，相當于降低了激發(fā)光的強度；同時在質(zhì)量濃度過高的溶液中，溶質(zhì)間發(fā)生相互作用的概率增加，熒光物質(zhì)的激發(fā)態(tài)分子與其基態(tài)分子形成二聚體，或與其他溶質(zhì)分子形成混合物，當質(zhì)量濃度更大時，甚至會形成熒光物質(zhì)的基態(tài)分子聚集體，從而降低熒光強度。

圖2 自然光(A)和黑色紫外光源(B)下不同質(zhì)量濃度的大果紫檀水浸液Fig. 2 Solutions of various concentrations under natural light(A) and black light ultraviolet(B)

2.2 大果紫檀水浸液三維熒光光譜

大果紫檀水浸液三維熒光等高線光譜見圖3，熒光強度相同的點相連構成等高線，相鄰等高線間各點的熒光強度用不同顏色表示。圖中出現(xiàn)兩個熒光峰，最佳激發(fā)波長分別位于275和430 nm，最佳發(fā)射波長均為467 nm，其中430 nm/467 nm處的熒光峰較為明顯，兩處熒光峰的最佳發(fā)射波長相同，根據(jù)熒光光譜的特征，可推測主要含有一類熒光組分。

校準后熒光物質(zhì)的激發(fā)光譜與其吸收光譜非常相近，在紫外吸收光譜中，苯的特征吸收帶位于B帶(254 nm)，當苯環(huán)上存在一個或多個取代基時，其B帶會有不同程度的紅移，尤其是在連有多羥基、酮羰基、羧基和碳碳不飽和鍵等取代基時，苯的吸收帶會移到280 nm附近[15]，取代苯類在這個位置有熒光峰。大果紫檀水浸液的發(fā)射波長為467 nm，位于綠區(qū)。因此，該熒光組分可能為含取代基的芳香族化合物。

由圖3可見，三維熒光等高線光譜圖在表示熒光強度的同時，還能反映其隨激發(fā)波長和發(fā)射波長變化的情況，能提供比二維熒光光譜更全面物質(zhì)組成和含量的信息[16]。每種熒光物質(zhì)都有特定的分子結構，有獨立吸收和發(fā)射的特定光譜區(qū)，因此通過對三維熒光光譜的形狀、熒光強度和熒光峰位置的對比，可以對大果紫檀的品質(zhì)優(yōu)劣或真?zhèn)巫鞒鲈u價。

注：Cpm=0.29 mg/mL；Slit：5/5 nm。圖3 大果紫檀水浸液的三維熒光等高線光譜圖Fig. 3 Three-dimensional fluorescence spectra of Pterocarpus macarocarpus Kurz aqueous extraction

2.3 不同pH的大果紫檀水浸液的二維熒光光譜及熒光強度分析

根據(jù)圖3選擇最佳的測量波長可以得到熒光組分的二維熒光光譜(圖4)，當發(fā)射波長為465 nm時，激發(fā)光譜圖中出現(xiàn)分別位于275和430 nm的兩個熒光峰，其中430 nm處的熒光峰較強，275 nm處的峰較弱，與圖3結果一致。因此，在大果紫檀水浸液熒光光譜的測量時，應選用430 nm的激發(fā)波長為測量波長。

熒光物質(zhì)的熒光強度和光譜受諸多因素影響，如pH、溶液質(zhì)量濃度、溶劑體系、其他溶質(zhì)等。圖4為不同pH的大果紫檀水浸液熒光光譜，當4

注：Сpm=0.2 mg/mL；λex/λem：428 nm/465 nm；Slit：10/2.5 nm。圖4 不同pH的大果紫檀水浸液二維熒光光譜Fig. 4 Fluorescence spectra of Pterocarpus macarocarpus Kurz in various pH solutions

在λex/λem=428 nm/465 nm下，熒光強度與pH的關系曲線如圖5所示，當pH<8時，熒光強度與pH成正比，在pH 8～9之間熒光強度達到最大，pH>9時，熒光強度反而與pH成反比。依據(jù)熒光物質(zhì)光譜特征與分子結構的關系[17-20]，可推測大果紫檀水浸液pH變化使熒光組分產(chǎn)生質(zhì)子化程度不同的熒光型體，不同熒光型體具有不同的熒光特性，從而改變熒光強度、熒光峰、熒光光譜等特征。pH 8～9之間的熒光型體多為熒光量子產(chǎn)率較高的強熒光型體。pH<5和pH>12時多為弱熒光型體。pH變化使得強熒光型體逐步質(zhì)子離解為弱熒光型體，且不同熒光型體的比例產(chǎn)生變化，造成熒光強度降低。根據(jù)熒光性質(zhì)與分子結構的一般規(guī)律可以判斷pH 8～9之間的強熒光型體的平面性和剛性高于強酸強堿條件下的弱熒光型體。

圖5 不同pH大果紫檀水浸液熒光強度Fig. 5 Fluorescence intensity of Pterocarpus macarocarpus Kurz in various pH

2.4 不同質(zhì)量濃度的大果紫檀水浸液二維熒光光譜及與熒光強度的相關性分析

由圖5可知，在對大果紫檀水浸液中熒光組分的含量進行對比時，應調(diào)節(jié)pH在8～10之間，此時靈敏度較高；但熒光強度的穩(wěn)定性較差，因此本實驗選擇采用中性條件下的水浸液進行測試。中性條件下不同質(zhì)量濃度大果紫檀水浸液的熒光光譜見圖6，可以看出隨質(zhì)量濃度的增大，光譜形狀不變，最佳激發(fā)波長、最佳發(fā)射波長不變，熒光強度增強，其熒光強度與質(zhì)量濃度密切相關。

注：λex/λem：428 nm/465 nm；Slit：10/3 nm。圖6 不同質(zhì)量濃度的大果紫檀水浸液熒光光譜Fig. 6 Fluorescence spectra of Pterocarpus macarocarpus Kurz in various concentrations

圖7 大果紫檀水浸液質(zhì)量濃度與熒光強度的相關性Fig. 7 Correlation between fluorescence intensity and concentrations of Pterocarpus macarocarpus Kurz

在質(zhì)量濃度0.010～0.100 mg/mL的范圍內(nèi)，對數(shù)據(jù)進行相關性分析，所得回歸方程為F=94.2+1 001.5C，相關系數(shù)達到0.952(圖7)。在稀溶液條件下，熒光強度與質(zhì)量濃度之間線性關系系數(shù)較高，可為熒光組分的提取分離奠定基礎。

3 結 論

1)大果紫檀水浸液表現(xiàn)出良好的熒光性質(zhì)，三維熒光等高線光譜圖中出現(xiàn)兩個熒光峰，弱峰λex/λem=275 nm/467 nm，強峰λex/λem=430 nm/467 nm，相同的發(fā)射波長表明主要含有一類熒光組分，可能為含取代基的芳香族化合物。

2)大果紫檀水浸液中熒光組分的熒光性質(zhì)和結構形態(tài)與溶液pH密切相關，當溶液pH在3～13之間變化時，熒光光譜的熒光峰基本沒有變化，最佳激發(fā)波長、最佳發(fā)射波長保持不變，但熒光強度先增強后減弱，表明pH的變化使熒光組分發(fā)生質(zhì)子離解作用，產(chǎn)生不同熒光的熒光型體，從而改變了熒光光譜、熒光峰的強度等特征。

3)在大果紫檀水浸液低質(zhì)量濃度(0.010～0.100 mg/mL)條件下，其熒光強度與質(zhì)量濃度之間線性相關程度較高，可為熒光組分的提取分離奠定基礎。

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Fluorescence spectra ofPterocarpusmacarocarpusKurz aqueous extraction solution

ZHU Xuna，ZHANG Yaoli*，WANG Xiang

(CollegeofMaterialsScienceandEngineering,NanjingForestryUniversity,Nanjing210037,China)

The fluorescence properties ofPterocarpusmacarocarpusKurz aqueous extraction solution was studied by investigating the blue fluorescence phenomenon of the solution. It was found that the fluorescence intensity ofP.macarocarpusKurz aqueous extraction solution depends on the pH and mass concentrations when the aqueous extraction solution was observed under natural light and black ultraviolet light. Three-dimensional and two-dimensional fluorescence spectra ofP.macarocarpusKurz aqueous extraction at various pH and mass concentrations were measured by fluorescence spectrophotometer. Two apparent fluorescence peaks were observed in the three-dimensional fluorescence contour spectrum. The excitation wavelength of the two peaks was 275 nm and 430 nm and the emission wavelength of two peaks was 467 nm. These results confirmed that it should contain fluorescent components, and it could probably be some aromatic compounds containing substituted groups. In the pH ranging from 3 to 13, the peaks in the fluorescence spectra, the maximum excitation and emission wavelengths remained unchanged while the fluorescence intensity of the fluorescence component changed significantly. When the pH was lower than 8, the fluorescence intensity of the solution increased with the increase of pH and reached the maximum when pH was between 8 and 9. The fluorescence intensity reduced with the increase of pH when pH was higher than 9, indicating that dissociation of protons existed in the moleculars of the fluorescence component was related to the changes of the pH of the solution. For low mass concentrations (0.010-0.100 mg/mL) ofP.macarocarpusKurz aqueous extraction solution, highly linear correlation between the fluorescence intensity and mass concentration of the fluorescence component were obtained.

PterocarpusmacarocarpusKurz; fluorescence spectrum; pH; mass concentration

2016-11-10

2017-02-28

國家自然科學基金(31670558)；江蘇高校優(yōu)勢學科建設工程資助項目(PAPD)。

朱續(xù)娜，女，研究方向為木材學。通信作者：張耀麗，女，教授。E-mail:zhangyaoli@126.com

S781.4

A

2096-1359(2017)04-0046-05