磺基水杨酸的荧光光谱与荧光量子产率.pdf

第24卷,第6期 光谱学与光谱分析Vol 1 24,No16,pp647-6512 0 0 4 年 6 月 Spectroscopy and Spectral AnalysisJune,2004 磺基水杨酸的荧光光谱与荧光量子产率魏永巨,李 娜,秦身钧河北师范大学化学学院,河北 石家庄 050016摘 要 报道了磺基水杨酸(SSA)的荧光光谱和荧光量子产率。在 pH 13 的强碱性条件下,SSA 转变为另一种荧光型体,最大激发波长 261 nm,最大发射波长390 nm。SSA 浓度较高时,荧光激发光谱发生变化,但发射光谱不变。在近中性条件下,SSA 稀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 5 250 ng#mL-1,检测下限为 5 ng#mL-1。以硫酸奎宁为参比,测量了 SSA 在不同波长下的荧光量子产率,在最大激发波长 297 nm 处的荧光量子产率为 0154。主题词 荧光光谱;磺基水杨酸;奎宁;荧光量子产率中图分类号:O657139 文献标识码:A 文章编号:1000-0593(2004)06-0647-05 收稿日期:2002-07-08,修订日期:2002-11-18 基金项目:河北省自然科学基金(200153)和河北省教育厅博士基金资助课题 作者简介:魏永巨,1954 年生,理学博士,河北师范大学化学学院教授引 言 磺基水杨酸(5-Sulfosalicylic Acid,SSA)的分子结构如Scheme 1 所示,它是光度法测定 Fe3+的常用试剂,可与UO2+2,Ti4+等离子形成有色络合物。在 EDTA 存在下,SSA与 Tb3+,Dy3+等稀土离子形成具有荧光的络合物 1,2。在生物、医学领域,SSA 用作蛋白质的沉淀剂。李少霞等 3报道过 SSA 的荧光现象,并以荧光法测定了酸性锡电镀液中的SSA。但是,该文献中未报道 SSA 荧光性质的深入研究内容。我们在实验中观测到 SSA 稀溶液有很强的荧光。本文研究了SSA 的荧光光谱,以硫酸奎宁为参比 4,5,测量了 SSA 的荧光量子产率。实验结果表明,SSA 是一种很灵敏的荧光试剂在分析化学中可以获得更广泛的应用。HO3SCOOHOHScheme 1.Molecular structure of SSA1 实 验111 仪器与试剂F-4500 荧光分光光度计(Hitachi);UV-2501PC 分光光度计(Shimadzu);868 型 pH/ISE 测试仪(Orion)。磺基水杨酸(天津市化学试剂一厂,含量 9910%):以水配制成 01010 0 mol#L-1(2154 mg#mL-1)标准溶液,使用时适当稀释。硫酸奎宁(生化试剂,上海试剂二厂)以 01050mol#L-1硫酸溶液配成 1100 10-3mol#L-1标准溶液,使用时以 01050 mol#L1硫酸溶液适当稀释。分析纯 NaOH;优级纯 HCl溶液;二次蒸馏水。112 实验方法在 25 mL 容量瓶中,分别加入 SSA 溶液或硫酸奎宁溶液以及 HCl 或 NaOH 等辅助试剂,以水稀释至刻度,摇匀,扫描荧光光谱或吸收光谱。为了准确计算荧光量子产率,在测量荧光光谱之前,首先用罗丹明 B 光量子计和散射光板对 F-4500 荧光分光光度计的激发光谱和发射光谱进行校正。2 结果与讨论211 SSA在不同酸度下的荧光光谱与荧光强度固定 SSA 浓度,改变 pH 值,测量了 SSA 稀溶液在不同酸度下的荧光光谱。图 1 为酸性条件下的荧光光谱。荧光发射峰 Kem位于 402 nm,荧光激发峰 Kex分别位于 212,238 和297 nm。在激发波长 238 nm 处荧光发射较强,但将激发波长选择在 297 nm,可以获得比较稳定的荧光发射。改变激发波长,发射光谱中的最强发射波长位置不变。随 pH 值升高,荧光激发峰和发射峰均逐步升高,但激发光谱和发射光谱的形状无变化,表明 pH 值升高使 SSA 由非荧光型体逐步转变为荧光型体。在碱性条件下,SSA 稀溶液的荧光光谱如图 2。随 pH 升高,图 2 中 SSA 的荧光发射峰逐步降低,最大发射波长由402 nm 蓝移至 390 nm。在激发光谱中,随 pH 升高,212,238 和 297 nm 激发峰降低,261 nm 出现一个新的逐步升高的激发峰,在 247 和 278 nm 形成两个等荧光发射点,这种光谱特征与图 1 中的激发光谱明显不同,表明两种荧光型体随pH 值的改变而相互转化。Fig11 Fluorescence excitation and emission spectra ofSSA in acidic solutionscSSA:210 10-6mol#L-1(0150 Lg#mL-1);Kex/Kem=297/402 nm;bandpasses of slits:5/5 nmFig12 Fluorescence excitation and emission spectra ofSSA in alkaline solutionscSSA:210 10-6mol#L-1(0150 Lg#mL-1);Kex/Kem=297/402 nm;bandpasses of slits:5/5 nmFig13 Influence of acidity on fluorescence intensity of SSAcSSA:210 10-6mol#L-1(0150 Lg#mL-1);Kex/Kem=297/402 nm;bandpasses of slits:5/5 nm 在激发波长 297 nm,发射波长 402 nm,荧光强度随 pH值的变化如图 3 所示。在 pH 1015 之后,荧光强度随 pH值增大而下降,但当 pH 1315 时,荧光强度又达到一个稳定值。从 SSA 分子结构图可知,SSA 为三元酸,pH 值的改变影响 SSA 的离解平衡:H3L-H+H+H2L-H+H+HL2-H+H+L3-(1)式(1)中的三级离解分别对应于 SSA 分子苯环上连接的磺酸基、羧基和羟基质子的离解。磺酸基质子极易离解,H3L 只存在于强酸性环境,本文实验条件下不涉及 SSA 的第一级离解。SSA 的电离常数 pKa2=2186,pKa3=11176。根据上述实验结果可以推断,H2L-是无荧光型体,图 3 中最大荧光强度二分之一处所对应的 pH 值大致等于 pKa2。HL2-是强荧光型体,存在于 pH 4 至 pH 1015 之间,其磺酸基与羧基质子均已离解,羟基质子未离解,在离解的羧基和羟基之间可能形成了氢键,使分子的平面性和刚性增强,因而荧光增强。L3-是另一种荧光型体,存在于 pH 13 的强碱性条件下,其最大荧光激发和发射波长分别为 261和 390 nm,见图 4。Fig14 Fluorescence spectra of SSA in strong alkaline solutionscSSA:210 10-6mol#L-1(0150 Lg#mL-1);Kex/Kem=261/390 nm;bandpasses of slits:5/5 nm212 SSA浓度较高时的荧光光谱测量了 SSA 浓度较高时的荧光光谱,结果见图 5。自图5a 至图 5d,SSA 浓度依次增大 10 倍。图中荧光发射峰的位置不变,最大发射波长均在 402 nm,但激发光谱有明显变化,总的趋势是随 SSA 浓度增大,荧光激发峰红移。从 SSA分子结构可以推测,当浓度增大时,SSA 分子之间可能形成氢键,或者聚集而产生相互作用,这种作用可影响 SSA 的吸光性质,进而影响其激发光谱。因此,SSA 激发光谱的变化可以提供 SSA 分子之间相互作用的信息。213 SSA稀溶液浓度与荧光强度的关系在近中性条件下,SSA 稀溶液的荧光发射光谱见图 6。荧光强度与 SSA 浓度的关系见图 7。在 5 250 ng#mL-1(210 10-8 110 10-6mol#L-1)浓度范围内,荧光强度与SSA 浓度之间有良好的线性关系,回归直线的相关系数 r=01999 5。SSA 的实际检测限可以达到 5 ng#mL-1。648 光谱学与光谱分析 第 24 卷Fig15 Fluorescence spectra of SSA at different concentrations(a),cSSA:110 10-5mol#L-1,Kex/Kem=297/402 nm,bandpasses of slits:5/5 nm;(b),cSSA:110 10-4mol#L-1,Kex/Kem=297/402 nm,bandpasses of slits:215/5 nm;(c),cSSA:110 10-3mol#L-1,Kex/Kem=276,318/402 nm,bandpasses of slits:215/5 nm;(d),cSSA:110 10-2mol#L-1,Kex/Kem=262,336/402 nm,bandpasses of slits:215/5 nmFig16 Fluorescence emission spectra of neutraldiluted SSA solutionscSSA(ng#mL-1):1,5;2,10;3,15;4,20;5,30;6,40;750;8,60;9,70;10,80;11,90;12,100,Kex=297 nm,bandpasses ofslits:5/5 nm214 SSA荧光量子产率的测量荧光量子产率(Y)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。在实验上,一般用参比法测定物质的荧光量子产率。通过测量待测物质和参比物质的稀溶液在同一激发波长下的积分荧光强度和对该波长激发光的吸光度,然后按下式计算待测物质的荧光量子产率5:Fig17 Relationship between fluorescenceintensity and SSA concentrationKex=297 nm,Kem=402 nm,bandpasses of slits:5/5 nmYu=Ys#FuFs#AsAu(2)式中,Yu和 Ys分别表示待测物质和参比物质的荧光量子产率,Fu和Fs分别表示待测物质和参比物质的积分荧光强度,Au和As分别表示待测物质和参比物质对该波长激发光的吸光度。硫酸奎宁由于化学性质稳定、量子产率高且吸收光谱与发射光谱基本不重叠,因而经常被用来作为参比物。本文用硫酸奎宁为参比,测量 SSA 的荧光量子产率。649第 6 期 光谱学与光谱分析Fig18 Absorption spectra of SSA and quinine bisulfatecSSA:114 10-5mol#L-1;cQuinine:410 10-6mol#L-1,01050 mol#L-1H2SO4Fig 19 Fluorescence spectra of sulfosalicylic acid(SSA)cSSA:114 10-5mol#L-1(315 Lg#mL-1,aqueous solution),band-passes of slits:5/5 nm,0:Excitation spectrum(its emission spectral lineKem=402 nm),1-11:Emission spectra,its excitation spectral lines Kex(nm):1,260;2,270;3,280;4,290;5,297;6,300;7,305;8,310;9,315;10,320;11,330 配制适当浓度的 SSA 水溶液和硫酸奎宁溶液,使两者的吸光度相近且不大于 0105,扫描吸收光谱(见图 8)并读取一定波长的 Au和 As值。再扫描 SSA 水溶液和硫酸奎宁溶液在不同激发波长下的荧光光谱(分别见图 9 和图 10),计算给定波长范围内的积分荧光强度,最后按式(2)计算荧光量子产率。Fig110 Fluorescence spectra of quinine bisulfatecQuinine:410 10-6mol#L-1(01050 mol#L-1H2SO4),bandpasses ofslits:5/5 nm,0:Ex citation spectrum(its emission spectral line Kem=452 nm),1-11:Emission spectra,its ex citation spectral lines Kex(nm):1,270;2,280;3,290;4,297;5,300;6,305;7,310;8,330;9,335;10,340;11,346 由图 9 和图 10 可见,在不同激发波长下,磺基水杨酸和硫酸奎宁的荧光发射强度不同,但发射光谱峰位置不变,两者的最强发射波长分别为 402和 452 nm。以硫酸奎宁在激发波长 313 nm 的荧光量子产率 0155 为标准 4,5,测得硫酸奎宁和 SSA 在不同激发波长下的荧光量子产率,列于表 1。Table 1.Fluorescence quantum yield of quinine bisulfate and sulfosalicylic acid激发波长/nm硫酸奎宁F*积分荧光强度A吸光度Y荧光量子产率Y/Y313磺基水杨酸F*积分荧光强度A吸光度Y荧光量子产率27043 06001009 601426017753 16001011 30144728057 10401012 7014270178122 02001022 80150829096 03701018 2015010191210 42501037 601531297134 12401024 1015280196235 94301041 801536300151 82501026 9015360197229 04901040 501537305180 96601031 1015521100194 31301033 401552310206 30001036 3015400198135 18001022 201578313218 41501037 701550110098 96901016 301576315222 77201038 301552110078 61201013 301561320221 68701037 801557110140 02901006 601576330223 09601037 801560110211 92901002 801404335243 42001041 6015561101340262 67601046 8015420199355247 26501045 3015501100350267 08501042 9015470199360214 08301036 2015611102*积分范围:380 580 nm;*积分范围:340 540 nm650 光谱学与光谱分析 第 24 卷 由表 1 可见,在激发波长 297 360 nm 范围内,硫酸奎宁的荧光量子产率变化不大。SSA 在激发波长 290 320 nm范围内,荧光量子产率大致相同。在激发波长 297 nm,SSA的荧光量子产率为0154,与硫酸奎宁的荧光量子产率几乎相等,表明 SSA 是一种强荧光化合物。参考文献 1 黄汉国,高建文.Bunseki Kagaku(分析化学(日),1989,38:361.2 YIN Hong-zong,CUI Yan,ZHU Gu-i yun et al(尹洪宗,崔 彦,朱贵云等).Spectroscopy and Spectral Analysis(光谱学与光谱分析),1999,19(3):460.3 LI Shao-xia,ZHU Ya-xian,XU Yong-xin et al(李少霞,朱亚先,许永新等).Journal of Xiamen University(Natural Science)(厦门大学学报#自然科学版),1997,36(4):604.4 Parker C A,Rees W T.Analyst,1960,85:587.5 CHEN Guo-zhen,HUANG Xian-zhi,ZHENG Zhu-zi et al(陈国珍,黄贤智,郑朱梓等).Fluorescence Analytical Methods(荧光分析法#第二版).Beijing:Science Press(北京:科学出版社),1990.15.Fluorescence Spectra and Fluorescence Quantum Yield of SulfosalicylicAcidWEI Yong-ju,LI Na,QIN Shen-junCollege of Chemistry,Hebei Normal University,Shijiazhuang 050016,ChinaAbstract Fluorescence spectra and fluorescence quantum yield of sulfosalicylic acid(SSA)have been studied.Under the condition ofpH 13,SSA exists as another fluorescence species with a maximumexcitation wavelength at 261 nm and a maximum emission wavelength at 390 nm.The excitation spectrum of SSA changes when itsconcentration is relatively higher,but the emission spectrum remains unchanged.There is an excellent linear relationship betweenfluorescence intensity and the concentration of SSA under neutral condition.The linear range is 5-250 ng#mL-1,and the detectionlimit is 5 ng#mL-1.Using quinine bisulphate as a reference,fluorescence quantum yields of SSA at different wavelengths weremeasured.At the maximum excitation wavelength 297 nm,fluorescence quantum yield of SSA is 0154.Keywords Fluorescence spectra;Sulfosalicylic acid;Quinine;Fluorescence quantum yield(Received July 8,2002;accepted Nov.18,2002)651第 6 期 光谱学与光谱分析