甲醇分子荧光光谱的研究

第32卷第1期光学技术Vol. 32 No.12006年1月OPTICAL TECHNIQUEJan.2006文章编号: 1002- 158X 2006 01-011-03 .甲醇分子荧光光谱的研究朱拓12 ,陈国庆' ,虞锐鹏' ,刘莹2 ,倪晓武2(1.江南大学理学院,江苏无锡214036;2.南京理工大学理学院,江苏南京210094)摘要:采用RoperScientifieSP-2558多功能光谱测量系统对色谱纯甲醇溶液在紫外光激励下产生的荧光光谱进行了实验研究。实验结果表明,甲醇溶液能吸收紫外光并向外发射峰值位于340nm附近的荧光光谱同时得到了能产生荧光光谱的最长激励光波长的临界值为245nm左右。对甲醇分子发射荧光的机理进行了讨论给出了与实验结果相一致的理论分析。研究甲醇的荧光光谱可为其作为有机溶剂和催化剂时对其他有机大分子相关光谱的影响提供理论和实验上的参考并可直接为荧光探针技术的发展提供服务。关键词:甲醇;荧光探针;辐射跃迁;荧光光谱中图分类号:0632文献标识码:AStudy of fluorescent spectra of methanolZHU Tuo' 2 ,CHEN Guo-qing' ,YU Rui-peng' ,LIU Ying2 , NI Xiao-wu?( 1. School of Science , Southern Yangtze University , Wuxi 214036 , China )( 2. School of Science , Nanjing University of Science and Technology , Nanjing 210094 , China )Abstract : Using the Roper Scientific SP- 2558 multifunctional spectrometer system , the fluorescent spectra was researchedwith experiments induced by UV-light. The research indicates that methanol molecules can absorb the UV-light and they canemit fluorescence with the peak value about 340nm. And the critical value of largest exciting wavelength( 245nm ) was got.The emitting mechanism of methanol molecule was discussed. The investigation on the fluorescence spectra and their character-istic will contribute to study other organic macromolecule fluorescence spectra when methanol serves as solute and hydrolysis cat-alyst. The results can be directly used to technology of fluorescent probe.Key words : methanol ; fluorescent probe ; radiative transition ; fluorescent spectra究。本文采用Roper Scientific SP - 2558多功能光1引.言谱系统对色谱纯甲醇液体在紫外光激励下产生的荧甲醇既是剧毒品又被广泛用作化工基础产品和光光谱进行了实验研究在此基础上,首次正面回答有机化工原料12],有关甲醇的紫外吸收光谱和作了甲醇分子是荧光物质。即通过实验找到了不同激为广泛应用的有机溶剂对紫外光谱的影响已有研励光照射下甲醇分子荧光光谱的峰值位置和展宽范究。例如异亚丙基丙酮,当 溶剂从己烷到甲醇时其围，而且通过实验还找出了能产生明显荧光光谱的长吸收带λmax从229.5nm到238nm位移了约最长激励波长的临界值;进而对实验研究结果进行10nnF3],甲醇的吸收截止点波长(在指定池中溶剂了初步的理论分析和讨论。对该物质有了更进--步透过率为10%)为205nn[3],但在截止点波长后的的全面认识。更长波长范围中能否激励起甲醇分子中的电子并发2实验装置和实验方法射出荧光光谱并未见研究报道。许多学者认为甲醇2.1实验装置分子是非荧光物质即在215nm以上其液体对光是实验装置如图1。用美国Roper Scientific 公司透明的45]我们对乙醇分子的荧光光谱及其光谱的SP-2558多功能光谱测量系统获得甲醇溶液的荧特性进行了研究67]。而甲醇和乙醇具有相似的极光光谱。所使用的光源为氙灯,该光束经单色仪系限吸收波长和相同的生色基团,因而我们进一步 开统选定的紫外光照射到样品池中的石英比色皿上,展了有关紫外光激励甲醇溶液的荧光光谱特性的研比色皿内盛装被测样品。样品所发射的荧光经单色收稿日期: 2004-12-13 ;收到修改稿日期: 2005-01-17E-mail : tzhu@sytu. edu. cn基金项目:国家自然科学基金资助项目(20276027)教育部工业生物技术重点实验室开放课题。作者简介:朱拓( 1957-)男苏州人江南大学教授从事现代光学的研究与教学工作。11光学技术第32卷仪系统再由CCD采8C习3.2甲醇液体荧光光谱的最长激励光波长的临集信号最后由计算界点机进行实时采集和后为了获得甲醇分子发射荧光光谱的极限激励光续处理并输出实验结中Scmple Chamber品;波长,由以上的实验结果可以看出当激励光波长增果。激发单色仪系统大至250nm时荧光发射已经不明显了。为此特将l0中的光栅为每毫米9激励光波长从240nm变化至250nm ,并采用12001200刻线的闪耀光刻线的闪耀光栅分光,以便获得甲醇分子发射荧光栅(闪耀波长为的极限激励光波长,波长以每隔1nm的间距变化,300nm)发射单色仪所获得的荧光光谱图如图3所示。图1 SP-2558多功能200;中分别用每毫米150光谱测量系统100%- 200nm100%-210nm刻线和1200刻线两三180| .0011种光栅。薄160八M第202.2试剂长1401实验中使用的试剂为美国天地公司生产的色谱200波长/nm0 50030040500纯甲醇液体。a 1000100% 220nm100% 230nm2.3实 验方法警2000司6001用210nm、220nm、230nm、240nm、250nm五种54臧1000不同波长的紫外光作激励光照射色谱纯甲醇液体并获得荧光光谱。选用每毫米150刻线光栅为分光元200 300 400 500250 300 350 400 450 500波长/hm波长/mm件扫描范围为200nm~500nm,每次扫描时间为100%-240nm100%-250nm/15s并得到相应的光谱图。最后用每毫米1200 刻王40003000线光栅为分光元件,以激励光波长改变1nm的间隔果2000械2000进行比较实验研究寻找产生明显荧光光谱的最长1000激励光波长的临界点。3实验结果图2不同波长的紫外 光照射100%甲醇(色谱纯液体的荧光光谱图3.1不同波长的紫外光激励色谱纯甲醇液体的241nm242nm荧光光谱基200画200激励光采用五种不同波长的紫外光210nm、实18030340350360370感，330340350360370220nm、230nm、240nm、250nm分别照射色谱纯甲醇液体获得荧光光谱图如图2所示。图2左边第-a243m244nm个高峰为激励光所产生,中间的峰就是荧光所产生,右边的高峰为激励光的二次衍射所产生。当激励光330 340 350 360 370波长为210nm时,甲醇液体能吸收入射光的能量并波长/m .波长/um向外发射出荧光荧光的峰值位置为336. 0nm左24Snm246nma 200右谱线展开为311.5~ 371.4nm ;改变激励光波长为220nm时用醇的荧光发射相对强度更大荧光第330~340350360370数330340350360370发射比较明显荧光的峰值为338. 3nm谱线展开为波长/rm316.3~368.5nm;当采用波长为230nm的紫外光图3241 ~ 246nm的光激励甲醇溶液荧光光谱图照射甲醇液体时荧光的相对强度比220nm光激发由图3的6幅分图中可见:从241nm~246nm时弱些荧光峰值为342. 5nm谱线展开为317. 8~每间隔1nm检测一次在波长位置348nm附近处荧367.4nm;激励光波长为240nm时荧光的发射较光所产生的光谱峰值呈逐步下降且趋于平滑之势弱荧光峰值为348. 8nm谱线展开为324. 7~ 368.(图上标出的数字是激励光波长值》到激励光波长7nm;当激励光波长继续增大至250nm时荧光发为246nm时，用醇分子所产生的荧光光谱峰值已无射不明显甚至无法判定荧光的峰值位置。法辩认即甲醇分子已基本上没有荧光的发射了。12第1期朱拓等:甲醇分子荧光光谱的研究4讨论340nm附近。根据所做实验研究结果,可以得到以下结论:(6)并非激励光波长-旦进入存 在吸收范围内，(1)甲醇液体能较好地吸收紫外波段的入射就立即产生明显荧光光谱。以每一纳米为间隔进行光并向外发射出明显的荧光形成了从310m至比较实验研究直到波长为小于等于245nm处最长370nm展开的一一个宽谱峰,这也是甲醇分子的主要吸收波长为260nm才找到明显稳定的荧光光谱在荧光峰其峰值位于340nm附近。说明甲醇分子就245nm至260nm间虽然有吸收- -方面n电子吸收是荧光物质。光子能量后可以无辐射跃迁到基态另一方面在靠(2)随着激励光波长的变化,甲醇发射的荧光近最长吸收波长处其吸收很弱相应产生荧光也很光谱线特征稍有差异。当激励光波长短于230nm弱即可能发生液池前部的液体吸收入射光后尚能产左右时甲醇分子的荧光效率较强。随着激励光波生荧光但液池中后部的液体尚未得到激励,且前部长的变长所发射荧光的峰值位置稍有变化即产生液体发射的荧光又被后部液体吸收。最终导致测不小量的红移。到明显稳定的荧光光谱而小于245nm的紫外光-(3)根据紫外吸收光谱的理论,甲醇分子吸收是由于甲醇分子吸收的增加二是其自身光量子能量紫外光的原因是其中必须具有吸收结构,甲醇分子的增大一部分以非辐射跃迁到基态另一部分可以产中除了含有甲基结构之外就是羟基- OH 别无其它生较多的激发电子而形成明显稳定的荧光光谱。生色团。而甲基结构仅吸收波长小于200mm 的光(7)由于100%的色谱纯甲醇液体的吸收最长波所以甲醇分子对大于200nm小于245mm光的吸波长是大于不同浓度时所对应的最长吸收波长的收结构应是羟基( - 0OH )所致即杂原子(氧)沫共享(有关内容另文将详细讨论)，所以本文得到的能产电子对吸收入射光光子的能量并引起其基团中n生明显荧光光谱最长激励波长值是-个临界点位→π° 的电子跃迁。因为电子跃迁的能级间隔能量置即要使甲醇分子能产生荧光激励光波长都要小大小依次为σ- >σ°>n→o°>π→π°>n→π°。根于此值换句话说激励光子能量要大于hec/215=据分子光谱学知识选用了最长激励光波长来激励电8.12x10- 19]。子跃迁所以该跃迁是能量最小能级间的跃迁,即n本文报道了甲醇液体存在荧光光谱的实验结果→π°跃迁。并对其产生机理进行了讨论给出了激励光的临界(4)甲醇分子吸收了激发光光子能量后产生点波长值。根据甲醇的荧光特征可以有效区分甲醇电子跃迁从而转变为受激发的单态,而受激电子是与其它醇类的物种在食品安全检测中有多种醇类不稳定的在由激发态返回基态的过程中它可以向物的存在。本方法为高效检测甲醇存在与否和含量环境释放能量无辐射跃迁到基态,也可以以辐射跃多少提供了理论基础。与本文有密切关系的甲醇分迁的形式而失去多余的能量,即产生荧光。实验中子的紫外吸收光谱和荧光光谱强度等问题将在另所测到的荧光即是甲醇分子中的杂原孔(氧沫共享外- 文中作完整的叙述。 关于在不同浓度、不同激电子对”电子吸收激励光光子的能量跃迁到π"轨励波长下甲醇溶液的荧光特征及实际应用等问题尚道的不同振转动能级后该受激电子从π°轨道的最待进一步深入研究。低振动能级以辐射跃迁的形式返回基态时所产生,参考文献:发射荧光类型也只能是π"→n轨道间的跃迁。进[1]樊美公等光化学基本原理与光子学材料科筑M1北京科学出版社2001.319.一步讲由于受激电子跃迁到激发态的不同振转能[2]谢克昌李忠.甲醇及其衍生物[ M1北京:化学工业出版社,级而发射荧光是从激发态的最低振动能级的辐射2002.1-44.跃迁形式返回基态。所以荧光的波长要比发光波长[3]彭勤记王瞿人.波谱分析在精细化工中的应用MI北京中国石化出版社2001.7- -81.长这被称为斯托克斯位移( stoke' s shift98]。图2、[4]宁永成.有机化合物结构鉴定与有机波谱学M1北京科学出版社2000. 364.3给出了激励波长和对应荧光峰值处波长的量值。[5]洪山海,光谱解析法在有机化学中的应甩M1北京科学出版(5)由于基态也是有不同的振动能级,所以受社,1981.366.激电子返回基态时发射的荧光波长是不同的所以[6]刘莹兰秀凤高淑梅筹.253. 7rm光辐照乙醇溶液荧光光谱分机J]南京理工大学学报2003 276):720- -723.我们测到了荧光光谱有-定宽度这正是311nm至，[7]兰秀凤刘莹高淑梅等乙醇溶液的荧光光谱及其特性的研究[J1激光技术2003 2X5)477- -479.371nm波段处有-个宽谱峰的原因所在。我们认[8]樊美公等光化学基本原理与光子学材料科学M]北京科学为该谱峰是甲醇分子的主要荧光峰,其峰值处在出版社2001. 15.3