水杨基荧光酮的荧光光谱与荧光量子产率

张 锋，张洪锋，杨明非，顾 皞

(1.东北林业大学理学院，哈尔滨 150040；2.天津科技大学理学院，天津 300457)

水杨基荧光酮的荧光光谱与荧光量子产率

张 锋1，张洪锋2，杨明非1，顾 皞1

(1.东北林业大学理学院，哈尔滨 150040；2.天津科技大学理学院，天津 300457)

研究了水杨基荧光酮(SAF)的荧光光谱和荧光量子产率，发现在pH 2.0以下，SAF无荧光，随pH升高，SAF由非荧光体转化为荧光体，荧光强度增强，在pH 6.0～7.0，SAF有稳定的强荧光，最大发射波长537,nm，最大激发波长507,nm．在碱性条件下，随pH升高，SAF荧光强度下降，当pH在10.0以上SAF无荧光．在pH＝6.5的缓冲溶液中，SAF稀水溶液的荧光强度与浓度之间存在良好的线性关系，线性范围为2.0×10-7～1.2×10-6,mol/L，检出限为5.2× 10-9,mol/L．SAF在醇溶液中，激发波长蓝移，发射峰红移，Stokes位移增大．在稀水溶液中，β-环糊精对SAF的荧光强度有很强的增敏作用．以罗丹明6,G为参比，使用Williams梯度法测量了SAF的荧光量子产率，在激发波长500,nm处的荧光量子产率为0.68．

水杨基荧光酮；荧光光谱；荧光量子产率；罗丹明6,G

水杨基荧光酮(Salicylfluorone，SAF)，化学名为2，6，7–三羟基–9–(2–羟基苯基)–3,H–占吨–3–酮，作为高灵敏显色剂在无机离子光度分析中得到了广泛的研究和应用[1–5]．除作显色剂外，Zhang等[6]报道了SAF在电化学伏安法中的应用．SAF自身属强荧光物质，近年来作为荧光探针在荧光分析中的应用研究蓬勃开展[7–8]，特别是在表面活性剂的作用下，利用荧光酮与金属离子形成配合物而使荧光消失建立起的荧光熄灭法已用于痕量重金属离子的测定[9–12]．清华大学Liu等[13–14]使用羧甲基纤维素铅搭载发光的SAF在室温固相条件下的磷光猝灭法成功实现了对痕量重金属钼、银的测定．但是，到目前为止，对于SAF荧光光谱性质的研究却不够深入和细致，特别是对荧光量子产率的数据鲜有报道．本文对SAF荧光光谱的pH效应以及其他环境因素的影响进行了较为详尽的研究，并以罗丹明6,G为参比[15–16]，测定了荧光量子产率，以期为荧光性质的分析应用和稳定性研究提供基础数据．

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

LS 55型荧光分光光度计、Lambda 35 型UV/Vis分光光度计，PerkinElmer公司；1,cm四通荧光池；PB–10 型数显酸度计，Sartorius公司．

SAF，分析纯，天津市光复精细化工研究所，准确称取SAF 0.084,1,g，用无水乙醇进行溶解，配制成1.0×10-3,mol/L乙醇溶液，使用时适当稀释．罗丹明6,G，生物染色剂，阿拉丁化学试剂，配制成1.0×10-3mol/L乙醇溶液，使用时适当稀释．KOH、KNO3、Na2HPO4、NaH2PO4、甲醇、乙醇、乙二醇，分析纯；HNO3，优级纯；二次去离子水．

表面活性剂及浓度：溴化十六烷基三甲基铵(CTMAB)，1.0×10-3,mol/L；β–环糊精(β-CD)，15,g/L；曲拉通X-100(Triton X-100)，3.0,g/L；吐温80(Tween-80)，40,g/L；聚乙二醇辛基苯基醚(OP)，40,g/L；十二烷基硫酸钠(SDS)，20,g/L．各种表面活性剂在溶液体系中均达到临界胶束浓度．

1.2 实验方法

在25,mL 容量瓶中，分别加入SAF或罗丹明6,G乙醇溶液，加入1.0,mol/L KNO3溶液控制离子强度，以酸、碱溶液或 Na2HPO4–NaH2PO4缓冲溶液调节pH，以水稀释到刻度，摇匀．扫描荧光光谱或紫外可见吸收光谱．

为了准确计算荧光量子产率，预先用罗丹明B光量子计和散射板对LS 55型荧光分光光度计的激发和发射光谱进行校正．荧光测量时仪器的激发和发射狭缝均为5.0,nm，使用515,nm截止滤光片，检测器负高压设置为固定值．

2 结果与讨论

2.1 SAF在不同pH下的荧光光谱

固定SAF浓度为1.0×10-6,mol/L(溶液在波长500,nm下吸光度A≤0.050)，改变pH，测量SAF稀溶液在不同pH下的荧光光谱．SAF在酸性条件下的荧光光谱如图1所示．当溶液pH小于2.0时，SAF没有荧光．随着pH升高，同步荧光峰和发射峰均逐步升高，荧光发射峰由526,nm红移至537,nm，最大激发峰由497,nm红移至507,nm．当pH大于6.0时，荧光强度显著增强，表明pH升高使SAF由非荧光体逐步转变为荧光体．在碱性条件下，SAF的荧光光谱如图2所示．随pH升高，同步荧光峰和发射峰均显著降低，但形状没有改变．当pH大于10.0时，SAF溶液已基本没有荧光．

图1 SAF在酸性条件下的荧光光谱Fig.1 Fluorescence spectra of SAF in acidic solutions

图2 SAF在碱性条件下的荧光光谱Fig.2 Fluorescence spectra of SAF in alkaline solutions

从SAF的分子结构[6,17]可知，pH的改变影响到SAF的离解平衡：

因此，在不同的pH下，SAF有不同的主要存在形式[18]．随着溶液pH的升高，SAF的羟基氧逐级离解为O-，SAF不同形式下π电子的共轭度不同．由于分子中羟基氧上未共用电子对的增加，给电子能力增强，提高了共轭体系的共轭度，使基态的能级发生改变，仅需吸收较小的能量便可使π电子激发跃迁，从而使最大激发波长λex、最大发射波长λem红移．随着pH的逐步升高，羟基的离解度越大，λex、λem越红移，同时荧光强度也显著增大．在强酸性溶液中，可能是羟基的离解度很小，分子共轭度小，荧光弱．而在碱性溶液中，由于试剂的逐渐分解，共轭体系被破坏，因此荧光逐渐变弱．

2.2 荧光强度与浓度的关系

在pH＝6.5的Na2HPO4–NaH2PO4缓冲溶液中，探讨SAF荧光强度与浓度的关系．在2.0×10-7～1.2×10-6,mol/L的浓度范围内，荧光强度IF与SAF浓度c(10-6,mol/L)之间有良好的线性关系，回归方程为IF＝21.4＋158.6,c，相关系数R2＝0.999,2，检出限为5.2×10-9,mol/L．当浓度大于1.5×10-6,mol/L时，荧光强度不仅不随溶液浓度线性增大，反而出现了随浓度的增大而下降的现象，这可能是由浓度效应而导致的．随着浓度提高，发生了SAF分子的相互作用，产生了SAF激发态分子与其基态分子的二聚物，从而导致荧光强度的下降．当浓度更大时，甚至发生了SAF基态分子的聚集，导致荧光强度急剧下降．

2.3 溶剂对荧光光谱的影响

固定SAF浓度为1.0×10-6,mol/L，测定其在不同溶剂下的荧光光谱，结果如图3所示．

图3 SAF在不同溶剂下的荧光光谱Fig.3 Fluorescence spectra of SAF in different solvent

由图3可知：SAF在醇溶液中光谱形状发生一定变化，最大激发波长蓝移，而最大发射峰红移，Stokes位移增大，且强度显著增强，这是由溶剂效应造成的．溶剂的影响可分为一般的溶剂效应和特殊的溶剂效应，前者指的是溶剂的介电常数ξ、折射率n以及定向极化率Δf的影响，后者指的是荧光体和溶剂分子间的特殊化学作用，如形成氢键和配合作用等．实验所选取的4种溶剂的物理参数见表1[19]．由表1可知：4种溶剂的定向极化率相差不大．一般情况下，n增大，ξ减小，将使荧光体基态与激发态能差减小，Stokes位移减小，这显然与实验结果相矛盾，因此不能用一般的溶剂效应来解释光谱的改变，特别是Stokes位移的增大主要是由特殊的溶剂效应造成的．一方面，水电离出质子的能力比醇强，抑制荧光体的电离，造成SAF在水溶液中荧光弱；另一方面，在醇溶液中，SAF基态分子被溶剂分子包围，通过氢键生成氢键配合物，降低基态的能量，使基态更稳定，需要更大的能量激发，故激发波长蓝移；同时最低激发态分子与溶剂分子发生氢键作用，使荧光发射光谱向长波方向移动．因此，在醇溶液中，Stokes位移显著增大．氢键等溶剂化作用使SAF共轭结构的共轭度进一步提高，SAF在醇溶剂中荧光强度更大．

表1 不同溶剂的物理常数Tab.1 Physical parameters of different solvent

2.4 表面活性剂对荧光光谱的影响

分别实验了SDS、CTMAB、Triton,X-100、Tween-80、OP以及β-CD几种表面活性剂对SAF荧光强度的影响．结果表明：除SDS外，其他表面活性剂对SAF的荧光强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空腔体内径约0.65,nm，SAF的苯基(直径约0.28,nm)可被β-CD腔体包络，且酚羟基与β-CD的氢键作用，使SAF共轭体系共轭程度提高，荧光强度显著增大．

2.5 荧光量子产率

荧光量子产率(Q)定义为荧光物质吸光后发射的光子数与所吸收的激发光的光子数之比．在实验中，一般采用参比法测定物质的荧光量子产率，具体过程可以使用“一点法”和“Williams梯度法”．前者操作方便，但数据不够精确；后者测量过程繁琐，但数据精准可靠．本实验选择“Williams梯度法”，该方法要求分别绘制荧光待测物质和参比物质积分荧光强度对吸光度的工作曲线，然后利用式(1)计算待测物质的荧光量子产率[20–21].

式中：Q和QR分别表示待测物质和参比物质的量子产率；Grad和GradR分别表示待测物质和参比物质积分荧光强度对吸光度作图工作曲线的斜率；n和nR分别表示待测物与参比物溶液的折射率，如在同一溶剂条件下，n/nR值为1.0．罗丹明6,G化学性质稳定、量子产率高，本文选择罗丹明6,G为参比物，测量SAF的量子产率．实验测得罗丹明6,G在不同激发波长下的量子产率，结果见表2．

表2 不同激发波长下罗丹明6,G的荧光量子产率Tab.2 Fluorescence quantum yield of Rhodamine 6,G atdifferent excitation wavelength

配制一系列适当浓度的SAF和罗丹明6,G水溶液，保证吸光度不大于0.050，测定在500,nm下的吸光度值，再分别在500,nm激发波长下扫描SAF和罗丹明6,G的荧光光谱，绘制积分荧光强度对吸光度的工作曲线，如图4、图5所示．结合罗丹明6,G在500,nm激发波长下的荧光量子产率0.94(表2)可按式(1)计算SAF的荧光量子产率．有分析应用价值的荧光化合物，其荧光量子产率的数值通常处于0.1～1之间．如常用的荧光染料罗丹明B水溶液的量子产率为0.31；硫酸奎宁在0.1,mol/L 硫酸水溶液中的量子产率为0.58；甲酚紫乙醇溶液的量子产率为0.53．而在激发波长500,nm下，SAF的荧光量子产率为0.68，表明SAF是一种强荧光化合物．

图4 不同浓度罗丹明6,G的荧光光谱与积分荧光强度Fig.4 Fluorescence spectra of Rhodamine 6,G and integrated fluorescence intensity under different concentration

图5 不同浓度SAF的荧光光谱与积分荧光强度Fig.5 Fluorescence spectra of SAF and integrated fluorescence intensity under different concentration

3 结 论

溶剂性质、pH、表面活性剂以及水杨基荧光酮自身浓度大小均对SAF的荧光光谱有较大影响．在pH 6.0～7.0，SAF稀水溶液有稳定的强荧光，且荧光强度与浓度之间存在良好的线性关系．在激发波长为500,nm下，以罗丹明6,G为参比，测得SAF水溶液的荧光量子产率为0.68．

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责任编辑：周建军

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

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2572014BB18)

张 锋（1982—），男，河南西峡人，工程师；通信作者：张洪锋，工程师，fszhf@126.com．

数字出版日期：2015-07-08；数字出版网址：http://www.cnki.net/kcms/detail/12.1355.N.20150708.1607.003.html.