甲醇溶液的荧光光谱特性

第32卷第6期光电工程VoL 32. No 62005年6月Opto-Electronic EngineeringJune 2005文章编号:1003-501X(2005)06-0031-04甲醇溶液的荧光光谱特性陈国庆1,朱拓2,虞锐鹏',吴亚敏,刘莹2,倪晓武(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:应用SP-258多功能光谱测量系统,由Xe灯通过激发光谱仪获得不同波长的紫外光,对不同浓度甲醇溶液在不同波长紫外光激励下产生荧光光谱的特性进行了实验研究。结果表明,甲醇溶液在波长220πm左右的紫外光激励下能产生较强的荧光。荧光峰是3l0nm至370nm范围的宽谱峰;荧光峰值波长在337m附近,并随激励光波长增大而产生红移;在同-紫外光激励下荧光强度随甲醇溶液浓度的増大发生先增强再减弱的变化。根据分子光谱理论,经分析提岀,该荧光是由甲醇分子中OH基团的孤对电子跃迁产生的,荧光光谱的上述特性由电子的跃迁情况决定。研究结果为甲醇作为常用溶剂和重要有机化工原料的应用、检测提供依据关键词:甲醇溶液;紫外光;激励;荧光光谱中图分类号:O433.1文献标识码:AFluorescence spectra of methanol solution and its characteristicCHEN Guo-qing, ZHU Tuo",2, YU Rui-peng, WU Ya-min, LIU Ying, NI Xiao-wu(1. School of Science, Southern Yangtze University, Wuxi 214036, China;School of Science, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)Abstract: Experimental study on fluorescent spectral properties of methanol solutions with differentconcentrations excited by different wavelength UV light is carried out. The applied measuring system isSP-2558 multi-functional spectral measuring system and different wavelength UV light is obtained byexciting spectrometer with Xe lamp. The results show that a stronger fluorescence can be generatedwhen methanol solution is excited by UV light with a wavelength of 220nm. The fluorescence spectrumis withine from 310nm to 370nm Peak wavelength of the fluorescence is about 337nm and redshift will be generated by increasing the exciting wavelength. Excited by a same UV light, fluorescentintensity will be strengthened first and then weakened with the increase of methanol solutionconcentration. According to the principle of molecular spectroscopy, through analyzing, it has concludethat the fluorescence is generated by the transition of lone-pair electrons in -OH group in methanolmolecule and the above property of the fluorescent spectrum is determined by electrons transition. theresearch results provide the basis for using methanol as common solvent and important organic chemicalindustrial chemicalsKey words: Methanol solution; UV-light: Excitation; Fluorescence spectra引言分子荧光光谱分析,作为一种常用的光谱分析技术被广泛应用于有机物质和生物组织的分析研究l到。甲醇作为最常用的有机溶剂之一,在进行有机分子或生物大分子的光谱分析和色谱分析中常被用作溶剂。甲醇与此类分子共存时的荧光已有所研究46。一直以来,许多学者认产生荧光的特性和机理没见有研究报道。笔者经实验得到,甲醇溶液在H中国煤化工时甲醇自身CNMHG的荧光,稿日期:2004-07-15;收到修改稿日期:2005-03-07作者简介:陈国庆(1964-),男(汉族),江苏无锡人,副教授,硕士,主要从事激光光谱和分子光谱硏究。E-mi:cgg2098@tom.com光电工程第32卷第6期进而对其光谱特性进行了实验研究。研究甲醇溶液的荧光光谱特性,可为其作为溶剂或添加剂对其它物质进行光谱和色谱分析时提供对比和参考。其次,甲醇属剧毒化合物,可引起严重中毒、失明或死亡。研究甲醇荧光光谱与溶液浓度的变化关系,可为食品安全和环境保护等领域发展高灵敏度的测试甲醇含量的实用方法提供依据。另外,甲醇作为一种重要的一碳化工基础产品和有机化工原料应用十分广泛并不断扩大S9,如甲醇燃料电池IMFC和DMFC的研究开发正是当前一个十分热门的项目,前景十分诱人。荧光光谱分析为进一步研究甲醇特性及其与其它分子的相互作用,发展其应用领域,提供了支持。所以,我们认为对甲醇溶液荧光光谱特性的研究是十分有意义的。1实验与结果1.1实验仪器与试剂( Emissionmonochromator实验仪器是美国 Roper Scientific公司SP2558多功能光谱测量系统,结构如图1。试剂是美国天地公司色谱纯甲醇液体和无锡华晶公司超纯水1.2实验方法将色谱纯甲醇液体用超纯水稀释,配制成各种浓度的甲醇溶液作为试样,取3m盛于本身不产生荧光的石英比色皿中,置于光谱测量L Excitation系统样品室中,由Xe灯通过激发光谱仪获得所需的各种不同波长的紫外光,激励样品,测量其荧光光谱。实验在18°左右温度下进行。3实验结果图1SP-2558多功能光谱测量系统用波长分别是200m210m、20m、230m、240m和250m23mmm的紫外光激励浓度30%的甲醇溶液,测量荧光光谱,其中三幅光谱如图2所示。300030%-22mm30%-200m2500252000200250300350400450500200250300350400450500200250300350400450图2不同波长紫外光激励下甲醇溶液荧光光谱Fig 2 Fluorescence spectra of methanol solution generated by excitation of UV light with different wavelengths图中,中间的峰是荧光谱峰,左右两侧分别是激励光谱峰和其二级衍射谱,从图2可看出,产生的荧光峰是310nm至370mm范围的宽谱峰,峰值波长在337πm左右,比激励光波长长。当激励光波长变长时,同一甲醇溶液的荧光峰值波长变长,即产生红340移,但红移量较小。激励紫外光波长和对应荧光峰值波长见图3,二者基本符合线性关系。2002102202302402503.2同一激励波长不同浓度甲醇溶液的荧光光谱Induced wavelength/n用波长是220m的紫外光激励浓度分别为10%、20%、30%、图3荧光峰值波长与激励光波长的关系40%、50%60%、70%、80%90%、100%的十种甲醇溶液,测Fg3 Relationship between fluorescent wavelength and量荧光光谱,其中三种样品的荧光光谱如图4。excited light wavelength从图4可看出,同一紫外光激励下,不同浓度的甲醇溶液产生的中国煤化工本相同,而荧光强度随浓度变化发生显著变化。甲醇溶液浓度和对应荧光相对光弜YH老CNMHG系005年6月陈国庆等:甲醇溶液荧光光谱特性50%-220mm100010%-220nm0100%220mm4000003586820025030035040045050035040045050000250300350400450Wavelength/nm图4不同浓度甲醇溶液荧光光谱Fig 4 Fluorescence spectra of different methanol solution concentration2讨论实验研究结果分析讨论如下:彐12001)根据分子光谱理论,分析甲醇分子结构可知,甲醇分子800中_OH基团的孤对电子在有一定带宽的紫外光激励下吸收光子能量,产生电子跃迁:n-)π,即由基电子态跃迁至最低激发电子态的不同振动能级和转动能级。处在该态的电子可由两种方式返20406080100回基态,一种是通过碰撞驰豫发生无辐射跃迁;另一种是发生辐射跃迁,即产生荧光(2)分子的每个电子态都有十分丰富的振、图5荧光强度与甲醇溶液浓度关系转能级,辐射跃迁发生在二个电子态的不同振转能级之间,故产and methanol solution con生的荧光峰有一定展宽,而且是通过驰豫回到最低振转能级,辐射光子能量低于吸收光子能量,即产生荧光的峰值波长大于激励光波长;(3)当激励光波长改变时,受激电子吸收的光子能量不同,跃迁至激发电子态的不同振转能级,激励光波长大,吸收光子能量小,跃迁至的能级低,发射的光子能量小,故辐射跃迁产生的荧光峰值波长随激励光波长增大而红移,但同一电子态旳不同振转能级能量差异小,故荧光峰值波长变化小,即红移量小;(4)以相同波长的紫外光激励不同浓度的甲醇溶液时,电子吸收的光子能量相同,跃迁能级相同,故产生的荧光除强度外线型、峰值波长相同;(5〕同一紫外光激励不同浓度甲醇溶液,随着浓度的增加,对激励光的吸收増加,跃迁电子数囯增加,荧光强度増大。同时,碰撞几率増大,无辐射跃迁增加,又使得荧光光强减小。另外,甲醇溶液中,甲醇分子之间、甲醇分子与水分子之间,通过-个分子的氧原子的两对孤对电子中的一对与另一分子形成氢键而缔合,形成链状结构。溶液的浓度不同,这种氫键作用的强弱不同,能产生受激跃迁的孤对电子数目不同,使荧光强度随溶液浓度发生变化。在这些因素共同作用下,甲醇溶液的荧光强度随浓度增大发生先增大再减小的非线性变化。3结论实验发现,甲醇溶液在波长为220m左右的紫外光激励下能产生较强的荧光。分析得岀,荧光光谱是由甲醇分子中OH基团的孤对电子跃迁产生的。此电子的吸收(n→π)和辐射跃迁(π→m情况决定了荧光光谱是一个3lonm至370nm范围的宽谱峰,荧光峰值波长大于激励光波长,在337πm附近,并随激励光波长增大而红移。因吸收、辐射及氢键作用强弱与溶液浓度相关,在同一紫外光激励下,荧光强度随溶液浓度增加发生先增大再减小的变化参考文献:[]刘晓,王水才,贺俊芳,等.PSⅡI颗粒复合物低温荧光光谱特性.光子学报,2004,33(1)∷:61-64LIU Xiao, WANG Shui-cai, HE Jun-fang, et al. 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