甲醇溶液的荧光光谱特性

第32卷第6期光电工程VoL32, 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'，朱拓12， 虞锐鹏'，吴亚敏'，刘莹，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:应用SP-2558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220nm左右的紫外光激励下能产生较强的荧光。荧光峰是310nm至370nm范围的宽谱峰;荧光峰值波长在337nm附近，并随激励光波长增大而产生红移;在同一紫外光激励下，荧光强度随甲醇溶液浓度的增大发生先增强再减弱的变化。根据分子光谱理论，经分析提出，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: 0433.1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-wu2(1. School of Science, Southern Yangtze University, Wuxi 214036，China;2. 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 within a range from 3 10nm 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 concludedthat 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 chemicals.Key words: Methanol solution; UV-light; Excitation; Fluorescence spectra引言分子荧光光谱分析，作为- -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小-3]。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1461。-直以来，许多学者认为甲醇是非荧光物质，故对甲醇自身产生荧光的特性和机理没见有研究报道。笔者经实验得到，甲醇溶液在紫外光激励下能产生较强的荧光;收稿日期: 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研究。E mail: cgq2098@ tom.com32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、失明或死亡口。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[89)，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门的项目，前景十分诱人10。荧光光谱分析为进-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CcD1.1实验仪器与试剂OEmissionmonochromator实验仪器是美国Roper Scientific公司SP-2558 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。Sample chamber1.2实验方法-←-刁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DBK为试样，取3ml盛于本身不产生荧光的石英比色皿中，置于光谱测量Hub1Excitation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°C 左右温度下进行。Xe soure1.3实验结果图1 SP- 2558多功能光谱测量系统1.3.1同一浓度不同激励波长下甲醇溶液的荧光光谱Fig.1 SP-2558 mulifunctional spetrometer system用波长分别是200nm、210nm、220nm- 230nm、 240nm 和250nm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。3000个350个0o个30%-220nm30%- 240nm30%- 200nm25006002000250 .1500200400100015020000100200250300 350 400 450 500200250 300 350 400 450 500200 250 300 350 400 450 500Wavelengt/mWavelengthmWavelength/hm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 dfferent wavelenghs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370nm350范围的宽谱峰，峰值波长在337nm左右，比激励光波长长。当激45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3,335 t二者基本符合线性关系。草330200210 220 230 240 2501.3. 2同一激励波 长不同浓度甲醇溶液的荧光光谱Induced wavelength/m用波长是200m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Fig.3 Relationship between fluorescent wavelength andexcited light wavelength量荧光光谱，其中三种样品的荧光光谱如图4。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荧光峰线型及峰值波长基本相同，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强见图5,二者成非线性关系。2005年6月陈国庆等:甲醇溶液荧光光谱特性33120050%- 220nm00|。80010%- 220nm100%-220nm00会60000 t600三.40(4(昌.200200 250300350 400 450 500200 250 300 350 400 450 500200 250 300350 400 450 50Wavelength/mWavelength/hmWavelengh/hm图4不同浓度甲醇溶液荧光光谱Fig4 Fluorescence specta of dfferenet methanol solution concentation2讨论1400实验研究结果分析讨论如下:1000(1)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400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0 2040 60 80 100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Consistency/%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Fig.5 Relationship between fluorescence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intensity and methanol solution concentration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，但同一电子态的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，对激励光的吸收增加，跃迁电子数目增加，荧光强度增大。同时，碰撞几率增大，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，通过一个分子的氧原子的两对孤对电子中的一对与另- -分子形成氢键而缔合，形成链状结构。溶液的浓度不同,这种氢键作用的强弱不同12)，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220nm左右的紫外光激励下能产生较强的荧光。分析得出，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 - >n)情况决定了荧光光谱是一个310nm至370nm范围的宽谱峰，荧光峰值波长大于激励光波长，在337nm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:[1] 刘晓，王水才，贺俊芳，等PSII颗粒复合物低温荧光光谱特性[].光子学报，2004, 33(1): 61- 64.LIU Xiao， WANG Shui-cai, HE Jun-fang， et al. 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