紫膠色酸A的熒光性質及其在檢測中的應用

伊冠東，劉蘭香，雷福厚，張加研，李 凱，鄭 華，張 弘，孫彥琳,*

（1.昆明理工大學化學工程學院，云南 昆明 650500；2.中國林業(yè)科學研究院資源昆蟲研究所，云南 昆明 650224；3.廣西民族大學 廣西林產(chǎn)化學與工程重點實驗室，廣西 南寧 530006；4.西南林業(yè)大學化學工程學院，云南 昆明 650224）

紫膠紅色素來源于紫膠蟲的新陳代謝產(chǎn)物[1-2]，是一種被多個國家允許用于食品添加的天然色素[3]，同時被廣泛運用在棉、羊毛、紡織品等的染色[4-5]。紫膠紅色素的主要染色成分是紫膠色酸混合物，主要含有A、B、C、D、E 5 種組分，其中紫膠色酸A占總質量的85%左右，它們均屬于蒽醌類化合物[6-8]（圖1）。蒽醌及其衍生物由于具有較好的平面及共軛結構，大多可發(fā)射熒光，被廣泛用來識別不同體系中多種金屬離子或其他陰離子[9-10]。紫膠紅色素已被證明具有熒光性[6]，然而，化學結構確定的單一成分紫膠色酸的熒光性質還鮮見有關報道。另外，目前檢測食品、化妝品等樣品中天然色素的常用方法有毛細管電泳法、高效液相色譜法、高效液相色譜-質譜聯(lián)用法等，而檢測食品中紫膠紅色素方法的相關報道很少見[11-12]。因此，為滿足食品安全發(fā)展的需要，開發(fā)快速、靈敏、準確檢測食品中紫膠紅色素的方法具有現(xiàn)實意義。

另一方面，金屬元素廣泛存在于自然界中，它們與生命體的生理活動有著密不可分的聯(lián)系，當人體中攝入的某種元素過少或過多時都會影響身體健康[13-16]。因此，開發(fā)快速、便捷的檢測金屬離子方法，在食品[17-18]、環(huán)境[19]、化學、生命科學[8]等領域具有重要意義。熒光探針法[20-22]具有靈敏度高、特異性強、及時性及簡便快捷等優(yōu)點，在金屬離子檢測研究中受到了密切關注[23]。

本實驗考察紫膠色酸A的熒光及吸收光譜的基本性質和影響因素，探索紫膠色酸A對金屬離子的識別作用，期望將紫膠色酸A開發(fā)為檢測某種特定金屬離子的熒光分子探針，同時開發(fā)一種快速、準確檢測紫膠色酸A的方法，為紫膠紅色素的綜合開發(fā)利用提供理論基礎，預期了紫膠紅色素更加廣泛的應用特性和市場前景。

圖1 紫膠色酸A的分子結構圖Fig. 1 Molecular structure of laccaic acid A

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

海之言果味飲料。紫膠紅色素及紫膠色酸A（≥95%）由中國林業(yè)科學研究院資源昆蟲研究所提供；鹽酸、氫氧化鈉、甲醇、乙醇、正丁醇、N,N-二甲基甲酰胺（N,N-dimethylformamide，DMF）、二甲基亞砜（dimethyl sulfoxide，DMSO）、硝酸銀及其他金屬無機鹽（氯化鹽）（均為分析純） 廣東光華科技股份有限公司；實驗室用水為去離子水。

1.2 儀器與設備

F-4600熒光光譜儀 日本Hitachi公司；Cary Series紫外-可見吸收光譜儀 美國Agilent Technologies公司；WD-9403C紫外儀 北京六一生物科技有限公司；AB204-型精密電子天平 梅特勒-托利多（中國）有限公司；CPC-505臺式pH計 歐洲Elmetron公司；TY742X2A型純水機 美國Barnstead公司。

1.3 方法

1.3.1 一般光譜測定方法

熒光光譜測定時設置激發(fā)波長為380 nm，狹縫寬度為10 nm，掃描速率為12 000 nm/min，光電倍增管電壓為950 V。紫外-可見吸收光譜全波長掃描過程中掃描速率為600 nm/min。

1.3.2 溶劑的影響

將2.7 mg紫膠色酸A分別溶于體積為25.0 mL的水、甲醇、乙醇、正丁醇、DMF、DMSO溶劑中，配成濃度為2×10－4mol/L的紫膠色酸A溶液，室溫超聲10 min后分別進行光譜測定。

1.3.3 紫膠色酸A濃度的影響

稱取107.5 mg的紫膠色酸A溶于50.0 mL體積分數(shù)為75%的乙醇溶液，配成濃度為4.0×10－3mol/L的紫膠色酸A儲備液，然后逐級稀釋至不同濃度（2.0×10－3～2×10－6mol/L）作為待測樣品溶液備用，考察紫膠色酸A濃度對其光譜性質的影響。

1.3.4 pH值的影響

分別制備0.1 mol/L的HCl和0.1 mol/L的NaOH儲備溶液，然后將溶液適當稀釋至所需pH值并用pH計校正。稱取2.7 mg的紫膠色酸A溶于25.0 mL上述不同pH值的稀釋液中，配成濃度為2.0×10－4mol/L的紫膠色酸A溶液，室溫超聲10 min，考察pH值不同的HCl和NaOH溶液對紫膠色酸A光譜性質的影響。

1.3.5 紫膠色酸A對金屬離子的選擇性識別

稱取紫膠色酸A溶于75%乙醇溶液中，配成濃度為2.0×10－4mol/L的標準溶液，然后分別取5.0 mL紫膠色酸A乙醇溶液與1.0 mL金屬離子（4.0×10－3mol/L）溶液混合于離心管中，混合均勻后靜置20 min，然后測定熒光強度，考察金屬離子對紫膠色酸A的熒光影響。

1.3.6 抗干擾性實驗

將紫膠色酸A溶于75%乙醇溶液，配成濃度為2.0×10－4mol/L的樣品溶液，將5.0 mL紫膠色酸A溶液和1.0 mL Al3+（4×10－3mol/L）溶液混合于離心管中，然后再分別加入1.0 mL濃度為4.0×10－3mol/L的其他金屬離子溶液，混合均勻后測定其熒光強度。

1.3.7 Zn2+或 Al3+濃度與紫膠色酸A熒光強度的關系

配制濃度為0.1 mol/L的Zn2+或Al3+儲備液，并將其逐級稀釋至不同濃度（8.0×10－2～1.0×10－4mol/L）待用，然后將5.0 mL濃度為2.0×10－4mol/L的紫膠色酸A的75%乙醇溶液和1.0 mL不同濃度的Zn2+或Al3+混合均勻后檢測熒光，考察Zn2+或 Al3+濃度與紫膠色酸A的熒光強度的關系。

1.3.8 Al3+存在下紫膠色酸A濃度與其熒光強度的關系

將紫膠色酸A溶于75%的乙醇溶液中，配成濃度為4.0×10－3mol/L的儲備液，逐級稀釋至不同濃度（2.0×10－3～1.0×10－6mol/L）作為待測樣品備用。配制濃度為0.04 mol/L的Al3+溶液備用。取5.0 mL不同濃度的紫膠色酸A溶液于離心管中，分別加入1.0 mL Al3+溶液，混合均勻后測定溶液的熒光強度并繪制工作曲線。

1.3.9 實際應用實驗

配制濃度為0.04 mol/L 的AlCl3標準液；紫膠色酸A加入至飲料中配制成3.7×10－3mol/L的儲備液，然后用75%乙醇溶液稀釋至不同濃度作為待測樣品。取5.0 mL待測樣品于離心管中，分別加入1.0 mL Al3+標準液，混合均勻后測定溶液的熒光強度，將所得數(shù)據(jù)代入標準方程，計算得到待測樣品中紫膠色酸A的濃度。

1.4 數(shù)據(jù)處理

實驗數(shù)據(jù)均平行處理3 次，結果以 ±s表示。各因素對紫膠色酸A熒光性質的影響采用Origin 9.1數(shù)據(jù)分析軟件繪制。

2 結果與分析

2.1 溶劑對紫膠色酸A光譜的影響

圖2 溶劑對紫膠色酸A的熒光（A）和吸收（B）光譜的影響Fig. 2 Fluorescence (A) and absorption (B) spectra of laccaic acid A in different solvents

如圖2所示，紫膠色酸A在不同的溶劑中其熒光強度由小到大的順序為：水＜甲醇＜DMSO＜正丁醇＜乙醇＜DMF。此外，紫膠色酸A的最大發(fā)射波長與溶劑有關，在水和醇中發(fā)射波長位于590 nm左右，在DMF和DMSO中發(fā)射波長位于630 nm左右。隨著熒光強度和發(fā)射波長的變化紫膠色酸A在可見光區(qū)的最大吸收波長（λmax）發(fā)生了改變，最小的是在水中，為488 nm；最大的是在DMF中，為501 nm。究其原因，水和醇屬于質子性溶劑，它們與色酸分子容易形成氫鍵，有助于色酸分子聚集，而水是所考察的所有溶劑中極性最大的，色酸分子的親水性作用足以克服色酸陰離子之間的靜電斥力，從而使其熒光降低，因此，紫膠色酸A在水中的熒光強度最小。DMSO和DMF屬于非質子性溶劑，它們與溶質色酸分子容易發(fā)生溶劑化作用，同時，由于溶劑中存在S＝O或C＝O鍵，在色酸分子的熒光被激發(fā)時有助于π→π*躍遷，而DMF中的N原子具有孤對電子，加強了這種作用，因而紫膠色酸A在DMF中的熒光最強。由此可見，紫膠色酸A的熒光強度主要受溶劑本身的化學特性影響，其次，溶劑的極性也有一定程度的影響[24]。紫膠色酸A在水中的溶解度很小，在乙醇中的溶解度較大，而DMSO、DMF等有機溶劑有一定的毒性，因此，考慮到實際應用，選擇乙醇-水混合體系作為溶劑較為合適，本實驗選擇75%的乙醇溶液作溶劑。

2.2 紫膠色酸A濃度對熒光強度的影響

圖3 紫膠色酸A濃度對熒光強度和發(fā)射波長的影響Fig. 3 Effect of concentrations on the fluorescence intensity and emission wavelength of laccaic acid A

如圖3所示，當紫膠色酸A濃度在2×10－6～2×10－4mol/L范圍內(nèi)，紫膠色酸A的熒光強度和發(fā)射波長均隨濃度的增大而增大，當溶度為2×10－4mol/L時熒光最強，發(fā)射波長從585 nm增大至598 nm；繼續(xù)增大紫膠色酸A的濃度，體系的熒光強度會急劇減小直至猝滅，發(fā)射波長基本保持在600 nm左右。這可能是由于熒光分子在低濃度范圍內(nèi)聚集形成二聚體或多聚體是有助于熒光增強的，但是當熒光分子濃度增大到一定程度，激發(fā)態(tài)的分子與處于基態(tài)的分子相互碰撞導致激發(fā)態(tài)分子失活的概率增大，熒光分子發(fā)生能量自吸收從而引起了熒光減弱甚至猝滅[25-26]。因此，探究紫膠色酸A的其他熒光性質時，選擇其濃度為2.0×10－4mol/L。

2.3 pH值對紫膠色酸A熒光強度的影響

圖4 pH值對紫膠色酸A熒光強度（A）和吸收光譜（B）的影響Fig. 4 Fluorescence intensity (A) and absorption spectra (B) of laccaic acid A at different pH values

將紫膠色酸A溶解于pH值不同的水溶液中，當溶液的pH值小于或等于3時，紫膠色酸A的溶解度很小，小于2×10－4mol/L，導致其熒光強度極低。如圖4所示，當溶液的pH值在4～10之間，紫膠色酸A的熒光強度受pH值的影響較小，幾乎保持不變，吸收光譜也沒有明顯差異。當溶液pH值達到11時，溶液的顏色變?yōu)樽霞t色，熒光幾乎猝滅，可見光譜中出現(xiàn)了一個平而寬的吸收峰。當pH值大于11時，紫膠色酸A熒光強度迅速顯著增加，可見光區(qū)出現(xiàn)雙吸收峰，最大吸收波長分別為530 nm和565 nm。紫膠色酸A在不同pH值范圍內(nèi)呈現(xiàn)出熒光強度變化的差異性可能與其分子結構中的羧基、羥基（酚）的電離有關[27-28]，pH值在4～10之間，紫膠色酸A主要以分子形態(tài)存在；pH值在11左右，分子中的兩個羧基發(fā)生電離；當pH值大于11時，羥基（酚）開始電離，紫膠色酸A主要以離子形態(tài)存在。因此，考察其他因素對紫膠色酸A的熒光影響時可選擇pH值為4～10之間的溶液。

2.4 紫膠色酸A對金屬離子的選擇性識別

如圖5A所示，在75%乙醇溶液體系中加入Na+、K+、Cd2+、Ag+、NH4+、Mn2+和Hg2+等金屬離子對紫膠色酸A的熒光強度幾乎沒有產(chǎn)生影響，Cu2+、Fe3+、Fe2+和Pb2+四種離子均使紫膠色酸A的熒光幾乎完全猝滅，而Mg2+使其熒光略有增加，Zn2+和Al3+卻使紫膠色酸A熒光強度顯著增強。究其原因，可能是紫膠色酸A分子中的酚羥基、羧基都是金屬離子的良好配體，易與金屬離子形成配合物從而發(fā)生電子、能量轉移等作用[29-30]。同時，受金屬離子的核外電子排布和電荷的影響，不同的金屬離子對紫膠色酸A的熒光產(chǎn)生的作用效果出現(xiàn)了差異[29-30]。

圖5 紫膠色酸A在75%乙醇溶液中對金屬離子的熒光識別（A）和Al3 ＋、Zn2＋濃度對熒光強度的影響（B）Fig. 5 Fluorescence recognition of metal ions by laccaic acid in 75% ethanol solution (A) and effects of Al3+ and Zn2+ concentration on fluorescence intensity(B)

圖6 熒光光譜（A）和可見光光譜（B）Fig. 6 Fluorescence spectrum (A) and visible spectrum (B)

進一步考察Zn2+或Al3+與紫膠色酸A熒光強度的關系，如圖5B所示，當Zn2+的濃度小于4×10－3mol/L時，紫膠色酸A的熒光強度隨Zn2+的濃度增加而增加，但是繼續(xù)增加Zn2+的濃度，溶液中開始產(chǎn)生不溶物，熒光逐漸減弱直至完全猝滅。與加入Zn2+的變化不同，當Al3+的濃度小于2.0×10－2mol/L 時，紫膠色酸A的熒光強度隨Al3+濃度的增加而明顯增加，繼續(xù)增加其濃度，紫膠色酸A的熒光強度幾乎保持不變。由此可見，二者增強紫膠色酸A熒光的機理可能是不一樣的，這個推論可由熒光光譜和紫外-可見光光譜得到進一步驗證。如圖6所示，紫膠色酸A溶液加入Zn2+時，其發(fā)射波長和可見光區(qū)的最大吸收波長基本沒變化，然而，加入Al3+時，紫膠色酸溶液的發(fā)射波長由590 nm移動至625 nm左右，同時，可見光譜由488 nm向長波長方向移至522 nm，同時出現(xiàn)另一個吸收峰，其可見光區(qū)的最大吸收波長為562 nm。據(jù)此，可推測Zn2+增強紫膠色酸A熒光的原因可能是Zn2+與色酸分子中的N原子和—OH作用下發(fā)生光致電子轉移，而Al3+與色酸分子中多個位點的—OH和—COOH形成不同的配合物，發(fā)生熒光能量共振轉移[29-30]。綜合以上，在所考察的金屬離子中，只有Al3+顯現(xiàn)出顯著增強紫膠色酸A的熒光強度的特異性。

2.5 抗干擾性實驗結果

圖7 其他金屬離子對探針識別Al3＋的影響Fig. 7 Effect of other metal ions on Al3+ recognition by fluorescence probes

如圖7所示，在含有Al3+的紫膠色酸A的75%乙醇溶液中加入其他金屬離子，F(xiàn)e3+與Al3+共存時體系的熒光猝滅，Zn2+和Pb2+與Al3+共存時體系的熒光強度有所降低，而其他金屬離子共存時并未明顯改變體系的熒光強度。結果表明，在沒有Fe3+、Zn2+和Pb2+離子的環(huán)境中，紫膠色酸A對Al3+選擇性識別的抗干擾性較強、選擇性較好，紫膠色酸A具有開發(fā)成為熒光探針用于檢測Al3+的潛在應用。

2.6 紫膠色酸A濃度與其熒光強度的關系

圖8 紫膠色酸A濃度與熒光強度的關系圖Fig. 8 Relationship between laccaic A concentration and fluorescence intensity

如圖8所示，在紫膠色酸A的75%乙醇溶液中，無論溶液中是否加入Al3+，紫膠色酸A的熒光強度都隨其濃度的增加呈現(xiàn)先增后減的變化。然而，在未加Al3+時，紫膠色酸A的熒光強度很低，若用熒光法檢測其濃度，誤差較大，而加入Al3+后其熒光強度最大可增強6 倍多，因此，可考察Al3+存在的條件下，紫膠色酸A的熒光強度與其濃度的關系。結果表明，紫膠色酸A在Al3+（0.04 mol/L）存在的條件下，其在1×10－5～8×10－5mol/L濃度范圍內(nèi)與其熒光強度呈良好的線性關系，對線性進行擬合得到方程y=326.2x+467.7，線性相關系數(shù)R2為0.995 2。

圖9 紫膠色酸A在自然光（A）和紫外光365 nm波長處（B）的照片F(xiàn)ig. 9 Pictures of laccaic acid A in natural light (A) and UV light (365 nm, B)

如圖9所示，在Al3+（0.04 mol/L）存在的條件下，紫膠色酸A的75%乙醇溶液在自然光下，溶液顏色由淺變深，紫紅色變?yōu)榧t色再變?yōu)榘导t色；熒光呈現(xiàn)淡紫色至橙色再到紅色直至無熒光的變化。

2.7 應用實驗結果

表1 紫膠色酸A檢測應用實驗結果（n= 3）Table 1 Application of the fluorescence method for laccaic acid A detection in beverages (n= 3)

如表1所示，以Al3+為標準液，用熒光法檢測兩種不同飲料中添加的紫膠色酸A含量，樣品回收率在95.0%～109.3%之間，相對標準偏差在1.9%～5.4%之間，結果表明，在Al3+（0.04 mol/L）存在的條件下，可用熒光法檢測紫膠色酸A在樣品中的含量，該方法具有實際應用價值。

3 結 論

紫膠色酸A可發(fā)射較強熒光，溶劑的化學特性和極性、其自身濃度以及溶液的酸堿性都會影響其熒光強度和發(fā)射波長。

紫膠色酸A對不同的金屬離子具有一定的識別作用，在75%乙醇溶液中，Na+、K+、Cd2+、Ag+、NH4+、Mn2+和Hg2+等金屬離子對其熒光強度幾乎沒有影響，Cu2+、Fe3+、Fe2+和Pb2+四種離子均可猝滅其熒光，而Zn2+和Al3+顯著增強了紫膠色酸A的熒光強度。

在75%乙醇溶液中，Al3+顯現(xiàn)出顯著增強紫膠色酸A熒光強度的特異性；在Al3+（0.04 mol/L）存在的條件下，紫膠色酸A在其濃度為1.0×10－5～8.0×10－5mol/L的范圍內(nèi)與熒光強度呈良好的線性關系。

應用實驗結果表明，以Al3+為標準液，用熒光法檢測兩種不同飲料中添加紫膠色酸A的含量，樣品回收率在95.0%～109.3%之間，相對標準偏差在1.9%～5.4%之間，該方法具有實際應用價值。