用荧光光谱法研究染料与氧的作用机制.pdf

中国矿业大学学报990 2 2 0 中国矿业大学学报 JO U RNA L O F CH I NA U NI VERSI T Y O F M I NI NG T ECH NO LO G Y 1999年 第2 期 第2 8 卷 Vo l . 2 8 No . 2 1999 用荧光光谱法研究染料与氧的作用机制 冀亚飞 石俊英 摘要 研究了孟加拉玫瑰红 RB 和品红甲亚胺染料与氧的作用机制. 结果表明，氧对RB 的荧光猝灭是能量转移、电子转移、以及对其激发单线态和激发三线态猝灭的综合作 用结果，呈现偏离正常的St e r n -Vo l m e r 直线关系. 氧与品红甲亚胺染料的作用，出现荧 光量子产率增大的现象，可能是形成了接触电荷转移激态络合物，由它转换生成单线 态氧和超氧负离子自由基的能力极低. 关键词 品红甲亚胺染料，光褪色，荧光光谱，荧光猝灭，单线态氧 中图分类号 O 6 2 1 Re s e a r c h o n In t e r a c t i o n Be t w e e n D y e a n d O x y g e n U s i n g Fl u o r e s c e n c e Sp e c t r o s c o p y Ji Ya f e i D e p a r t m e n t o f En e r g y U t i l i z a t i o n a n d Ch e m i c a l En g i n e e r i n g , CU M T , Xu z h o u 2 2 10 0 8 Sh i Ju n y i n g Re s e a r c h In s t i t u t e o f Fi n e Ch e m i c a l s , Ea s t Ch i n a U n i v e r s i t y o f Sc i e n c e a n d T e c h n o l o g y , Sh a n g h a i 2 0 0 2 37 A b s t r a c t T h e i n t e r a c t i o n s b e t w e e n Ro s e Be n g a l RB , m a g e n t a a z o m e t h i n e d y e a n d o x y g e n a r e s t u d i e d u s i n g f l u o r e s c e n c e s p e c t r o p h o t o m e t e r . T h e r e s e a r c h s h o w s t h a t t h e f l u o r e s c e n c e q u e n c h i n g o f RB b y o x y g e n , d e v i a t e d f r o m n o r m a l St e r n -Vo l m e r p l o t , m a y b e r e s u l t e d f r o m b o t h e n e r g y t r a n s f e r a n d e l e c t r o n t r a n s f e r . A n u n u s u a l p h e n o m e n o n w a s o b s e r v e d t h a t t h e f l u o r e s c e n c e q u a n t u m y i e l d o f m a g e n t a a z o m e t h i n e d y e c o u l d b e i n c r e a s e d b y t h e a c t i o n o f o x y g e n p o s s i b l y b e c a u s e a l i t t l e s t a b l e CCT Co n t a c t Ch a r g e T r a n s f e r e x c i t e d c o m p l e x h a d b e e n f o r m e d . I t a l s o s h o w s t h a t t h e CCT e x c i t e d c o m p l e x i s d i f f i c u l t t o p r o d u c e b o t h s i n g l e t o x y g e n a n d s u p e r o x i d e a n i o n r a d i c a l . K e y w o r d s m a g e n t a a z o m e t h i n e d y e , p h o t o f a d i n g , f l u o r e s c e n c e s p e c t r u m , s i n g l e t o x y g e n 品红甲亚胺染料的光褪色问题，是影响彩色相纸影像色彩平衡的主要原因. 探讨品 红甲亚胺染料的光褪色机理，无疑对提高彩色影像的保存性具有重要的意义. 石俊英 ［1］等曾通过激光光解瞬态吸收光谱和紫外可见吸收光谱，研究了品红甲亚胺染料与 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 2 / 990 2 2 0 . h t m （第 1／8 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 2 1 中国矿业大学学报990 2 2 0 氧的相互作用，提出在品红甲亚胺染料的光褪色过程中，染料与氧受光激发形成CCT （Co n t a c t Ch a r g e T r a n s f e r ）络合物的机制 作者［2 ］利用紫外可见光谱, 研究了品红甲亚胺染料光褪色过程中活性氧 1O 2，O2 －. 的贡献，对该机理提供了佐证. 此外，利用荧光光谱对染料与氧的相互作用进行研 究，通过氧对品红甲亚胺染料荧光发射光谱的影响，发现了不同于氧对敏化剂孟加拉 玫瑰红荧光猝灭的反常现象. 1 实验部分 1. 1 仪器 双光束紫外可见光度计 Sh i m a d z u U V-36 5型 ，荧光分光光度计 H i t a c h i -8 50 型 . 旋 转式光激发装置 光源50 0 W 卤钨灯 . 低压高纯氧气瓶, 可连通氧气瓶的特制1c m 石英皿. 1. 2 样品和试剂 品红甲亚胺染料为作者合成，经柱层析提纯，m . p . 142 ～142 . 5℃，最大吸收峰 λm a x 536 n m ，结构如下 其它敏化剂染料均为国产，经柱层析提纯. 二次蒸馏水、乙腈、乙醇、甲醇均为国 产A . R. 级；二苯基苯并呋喃 D PBF 、L-肾上腺素均为A l d r i c h 产品，A . R. 级；高纯氧气， 高纯氮气. 1. 3 实验方法 1 荧光猝灭 将特制的石英皿与低压高纯氧接通，控制氧气的压力在0 ～0 . 12 M Pa 之间，测定在指定浓度下染料乙腈溶液在不同氧压下的荧光发射光谱和相对荧光强度. f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 2 / 990 2 2 0 . h t m （第 2 ／8 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 2 1 中国矿业大学学报990 2 2 0 2 光照实验 旋转光激发距离7 c m ，以重铬酸钾滤色液滤去波长小于50 0 n m 的光 线. 室温下光照，时间一定，以滤色液循环冷却保持试管温度不超过32 ℃，使用同质同 规格试管进行. 2 结果与讨论 2 . 1 氧对RB的荧光猝灭 测定1. 0 10 -4m o l / L的RB乙腈溶液分别在不同氧压下的荧光发射光谱如图1所示. 以 不通氧时的相对荧光强度I0与不同氧压下的相对荧光强度I 的比值为纵坐标，氧气压力 为横坐标，得到一个偏离St e r n -Vo l m e r 直线关系图（图2 ）. 从图2 可以看出，随着氧气压 力的增大，氧在乙腈中的溶解度增大，对RB的荧光猝灭加强. 当压力增大到0 . 0 5M Pa 时，开始偏离了St e r n -Vo l m e r 直线关系. 这与氧对有机物的荧光猝灭情况相似［3］. 图1 1. 0 10 -4m o l / L RB乙腈溶液的荧光光谱 （λEX 56 0 n m , λEM 590 n m Fi g . 1 Fl u o r e s c e n c e s p e c t r u m o f RB i n a c e t o n i t r i l e a . 0 . 12 M Pa 氧压下； b . 解除氧压后； c . 续通氮气后； d . 未曾通氧时 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 2 / 990 2 2 0 . h t m （第 3／8 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 2 1 中国矿业大学学报990 2 2 0 图2 O 2对RB荧光猝灭的St e r n -Vo l m e r 关系图 Fi g . 2 St e r n -Vo l m e r p l o t o f RB f l u o r e s c e n c e q u e n c h e d b y O 2 对St e r n -Vo l m e r 直线关系发生偏离应包含以下一些因素 1 由图1看出，当氧气的压力增大时，RB的荧光发射光谱显著地发生了改变，已 不同于原先的发射光谱. 这种新的发射带可看作是CCT 激态络合物的特征之一［4］. 分子 氧对激态染料的物理猝灭包含了激发态染料与氧分子间形成活性中间络合物的过程. 该 激态络合物可以能量转移、电子转移和无辐射跃迁等方式猝灭激发单线态染料和激发 三线态染料，从而引起对St e r n -Vo l m e r 线性关系的偏离［5］. 2 K u r a m o t o 和K i t a o ［6 ］对典型的单线态氧敏化剂RB和亚甲基兰 M B 发生电子转移 产生超氧负离子自由基 O 2 -. 的反应进行了研究，发现它们的确具有很强的产生超氧负 离子自由基的能力. 通过电子转移产生自由基是RB发生荧光猝灭并偏离St e r n -Vo l m e r 线 形关系的原因之一. RB与氧的作用机制，也符合下列过程 对St e r n -Vo l m e r 直线关系的偏离，往往是多种因素的综合体现，包含着多种猝灭过 程. 在氧对敏化剂M B, 曙红（ER）, 丫啶橙（A O 的荧光猝灭实验中，也出现类似的现 象，而以RB，M B最为典型，这显然与它们敏化产生活性氧的能力有关. 2 . 2 氧对品红甲亚胺染料荧光量子产率的影响 在研究氧对品红甲亚胺染料的荧光猝灭时，我们发现一奇特现象，氧气不仅不猝 灭品红甲亚胺染料的荧光，反而使其荧光强度增大 图3 . 我们注意到，无论是施加一定 的氧压，还是常压下通氧，当其荧光强度增大到一定值时，即基本保持恒定. 无论是降 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 2 / 990 2 2 0 . h t m （第 4／8 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 2 1 中国矿业大学学报990 2 2 0 低氧压还是停止通氧，这种荧光增强的现象能够长时间的保持. 图3 品红甲亚胺染料乙腈溶液的荧光光谱 C M A D 1. 0 10 -5m o l / L, λEX 536 n m , λEM 57 1n m Fi g . 3 Fl u o r e s c e n c e s p e c t r u m o f m a g e n t a a z o m e t h i n e d y e i n a c e t o n i t r i l e a . 未通氧时； b . 通氧5m i n 后； c . 续通氮后 我们以若丹明B乙醇溶液作为稳定的基准荧光物质，可求得品红甲亚胺染料通氧前 后的荧光量子产率变化. 当在同一溶剂中可以由下式求出第二种物质的荧光量子产率 ‧φ2 F2/ F1 φ2ε2c 2l / φ1ε1c1l φ2A2/ φ1A1 ， 式中F1，F2分别是若丹明B和被测物质的荧光光谱积分面积；φ1 0 . 97 ；c 1, c2分别是 若舟明B和被测物质的浓度；l 为石英试管长度；A 1，A2分别为若丹明B和被测物的消光 值. 如果使用不同的溶剂，必须考虑溶液折光率的影响，则上式改变为 ‧φ2＝φ1F2A 1n 2 2/ F1A2n 2 1 ， 式中n 1，n2为若丹明B和被测物质溶液的折光率. 若是极稀溶液，可直接使用溶剂在一 定温度下的折光率. 在2 0 ℃时n 乙醇 1. 36 2 ，n 乙腈 1. 344. 根据测得的光谱数据计算 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 2 / 990 2 2 0 . h t m （第 5／8 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 2 1 中国矿业大学学报990 2 2 0 得到的荧光量子产率见表1. 从表1可知，随着氧气的鼓入，品红甲亚胺染料的消光值A 有所增大，其荧光量子 产率在通氧前后增大了2 5. 这种有悖常态的现象，显然不能由氧分子将能量转移给品 红甲亚胺染料分子来解释. 品红甲亚胺染料的St o k e s 位移很大 57 1-536 35n m ，说明其分 子的几何构型在激发前后变化较大. 这种结构刚性差的分子，吸收过程与发射过程之间 能量损失也大，因而它的荧光量子产率很低［7 ］. 当通入氧后，由于在品红甲亚胺染料 和氧之间形成了较为稳定的CCT 络合物，使得分子结构的刚性有所增强，其激态络合 物的荧光量子产率得以增大. 应当指出，在这种CCT 激态络合物中，氧对品红甲亚胺染 料分子轨道的微扰很弱，不可能使激态络合物的荧光发射光谱发生大的改变. 从图3可 以看到通氧后的荧光发射光谱还是发生了微小的红移. 与它的紫外可见吸收光谱一样， 通入氮气可以破坏这种CCT 络合物的形成，使荧光发射光谱基本恢复到原来的状态 ［1］. 表1 品红甲亚胺染料的荧光量子产率 λEM 57 1n m T a b l e 1 Fl u o r e s c e n c e q u a n t u m y i e l d s o f m a g e n t a a z o m e t h i n e d y e 染料 溶剂 c B/ m o l . L-1 激发波长/ n m 扫描范围/ n m 消光值 荧光积分面积 荧光量子产率‧φ 若丹明B 乙醇110 -5 57 552 0 ～6 7 30 . 47 03. 7 0 10 5 0 . 97 品红甲亚胺染 料 乙腈, 未通 氧 110 -5 536545～6 500 . 2 2 01. 8 6 10 3 1. 2 10 -2 品红甲亚胺染 料 乙腈, 通氧5 m i n 110 -5 536545～6 500 . 2 2 52 . 40 10 3 1. 510 -2 2 . 3 品红甲亚胺染料与RB敏化能力的比较 染料及其它有机物与氧的相互作用主要存在着能量转移和电子转移两种过程. 它们 产生了1O 2和O2 -. . 产生1O 2，O2 -. 的能力则由染料的结构、光激发状况和环境因素而定. D PBF是已知活性最高的单线态氧猝灭剂之一，它以下式和单线态氧发生化学猝 灭 在我们的实验条件下，D PBF在451 n m 处有极强的荧光光谱. 但当加入染料并用光 照射敏化使其产生单线态氧后，D PBF的荧光强度将随着染料浓度的增加而减少. 不同浓 度的品红甲亚胺染料和RB敏化对D PBF荧光强度的影响见表2 . f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 2 / 990 2 2 0 . h t m （第 6 ／8 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 2 1 中国矿业大学学报990 2 2 0 表2 染料敏化下的D PBF荧光强度相对值 溶剂甲醇 T a b l e 2 Re l a t i v e f l u o r e s c e n c e i n t e n s i t i e s o f D PBF i n t h e p r e s e n c e o f d y e s e n s i t i z e d s i n g l e t o x y g e n c 品红 / m o l . L-1ID PBF 品红 ID PBF/ ID PBF 品红 c RB / m o l . L-1 ID PBF RBID PBF/ ID PBF RB 043. 34 10 43. 341 110 -6 41. 321. 0 5110 -6 0 . 16 62 6 1. 1 510 -6 39. 101. 11510 -6 0 . 0 2 31 8 8 4. 3 110 -5 37 . 451. 16 510 -5 36 . 0 11. 2 0 注通氧3. 0 m i n , 光照3. 5 m i n , c D PBF 2 . 0 10 -6 m o l / L. 由此可见，品红甲亚胺染料是能够敏化产生单线态氧的. 但与RB相比，它的敏化能 力是极低的. 它的激态络合物 D y e ⋯O 2 *CCT对转换生成单线态氧的贡献是很小的. L-肾上腺素 L-Ep i n e p h r i n e 是通用的O 2 -. 猝灭剂，肾上腺素被O 2 -. 氧化后生成的肾 上腺素红 A d r e n o c h r o m e 在48 0 n m 有一吸收峰. 按文献［6 ］的方法进行测试，没有发现品红甲亚胺染料敏化产生O 2 -. 的显著迹象. 据文献［2 ］，品红甲亚胺染料的 D y e ⋯O 2 *CCT转换产生O 2 -. 的能力是十分低的， O 2 -. 对品红甲亚胺染料的光氧化贡献不是主要的. 通N2后，荧光光谱可以复原, 也说明生 成自由基的不可逆猝灭过程不是主要的. 3 结 论 1 氧对RB的荧光猝灭偏离正常的St e r n -Vo l m e r 直线关系，是多种猝灭过程的综合， 其中包括CCT 激态络合物迅速发生能量转移对激发单线态和激发三线态染料的猝灭， 以及发生电子转移产生自由基而引起的猝灭. 2 氧能够与品红甲亚胺染料生成具有一定稳定性的CCT 络合物，这种CCT 络合物 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 2 / 990 2 2 0 . h t m （第 7 ／8 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 2 1 中国矿业大学学报990 2 2 0 对转换生成1O 2，O2 -. 的贡献很小，品红甲亚胺染料的荧光量子产率由于这种CCT 络合 物的生成而大大增大. 在品红甲亚胺染料光褪色过程中，O 2 -. 对它的贡献不是主要的. 作者简介 冀亚飞，男，196 4年生，讲师，博士研究生 作者单位冀亚飞中国矿业大学能源利用与化学工程系 徐州 2 2 10 0 8 石俊英华东理工大学精细化工研究所 上海 2 0 0 2 37 参考文献 1 石俊英, 何书麟．抗氧化剂防止品红甲亚胺染料光褪色的作用机制．高等学校化学 学报, 1991, 12 2 193 2 冀亚飞, 石俊英, 陈志文．活性氧对品红甲亚胺染料光褪色过程的影响. 化学通报, 1995 7 45 3 Re n d e l l d . Fl u o r e s c e n c e a n d p h o s p h o r e s c e n e s p e c t r o s c o p y . Lo n d o n Cr o w n Co p y r i g h t , 198 7 . 18 9 4 特 罗. 现代分子光化学. 姚邵明译. 北京 科学出版社, 198 7 . 148 5 Bi r k s J O . Ph o t o p h y s i c s o f a r o m a t i c m o l e c u l e s . Ne w Yo r k W i l e y -I n t e r s c i e n c e , 197 0 . 57 6 K u r a m o t o N, K i t a o T . Co n t r i b u t i o n o f s u p e r o x i d e i o n t o t h e p h o t o f a d i n g o f d y e s . J So c D y e s Co l o u r , 198 2 , 98 5 159 7 Re n d e l l d . Fl u o r e s c e n c e a n d p h o s p h o r e s c e n e s p e c t r o s c o p y . Lo n d o n Cr o w n Co p y r i g h t , 198 7 . 2 5 收稿日期 1998 -0 6 -0 4 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 2 / 990 2 2 0 . h t m （第 8 ／8 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 2 1