1 引言
碱性玫瑰精荧光染料是一种以氧杂蒽为母体的碱性染料，最早发现于古老的纤维用染料中，应用于20世纪20年代，是一类具有高激光输出效率和强荧光的染料，易于吸收入射波的能量并发射出相对较长波，产生荧光。同时由于分子内部的热运动的相应降低，会减少激发态能量非辐射的失活，提高荧光量子产率。特殊的结构和荧光特性使碱性玫瑰精染料在分析化学和生物分析领域得到了广泛的研究[1-4]。关于碱性玫瑰精荧光染料离子结构、光物理特性的文献越来越多[4-6]。与其他普通荧光染料相比碱性玫瑰精荧光染料具有荧光量子产率高、发射波长宽、光稳定性好和对pH值不敏感等优点，被广泛应用在环境化学、信息科学、激光染料、荧光标记等方面，是最常见的荧光染料，但对于碱性玫瑰精荧光机理研究较少。本文主要通过浓度、溶剂、pH值和关照时间等因素对碱性玫瑰精的荧光机理进行初步的探讨。
2 实验部分
1) 仪器和试剂
F212型荧光光谱测试仪、WFH-204B型手提式紫外分析仪；
碱性玫瑰精(分析纯)、丙酮(化学纯)、无水乙醇(化学纯)、N，N-二甲基甲酰胺(分析纯)、氢氧化钠(化学纯)、盐酸(化学纯)。
2) 实验方法
配置碱性玫瑰精的无水乙醇、丙酮、DMF和水的母液：取1 g碱性玫瑰精用一定量水溶解并定容值200 mL，其余母液配置方法相同。实验用液由母液稀释得到。
然后根据实验要求，进行荧光测试，采用F212型荧光光谱测试仪，常规石英样品池，激发和发射狭缝全部取5 nm。
3 结果与讨论
1) 碱性玫瑰精浓度对荧光性质的影响
由图1可知，当碱性玫瑰精的浓度小于4×10-3 g/L时，其最大发射波长λem·max基本没有变化，但荧光强度逐渐变大。这是因为溶液荧光强度于溶液中单位体积内处于激发态的碱性玫瑰精的数量成正比，且当碱性玫瑰精浓度小于1×10-4 g/L其荧光强度与浓度线性正相关(如图2所示)。
图1 不同浓度碱性玫瑰精荧光光谱图
Fig.1 Fluorescence spectra of basic rose essence
at different concentrations
图2 碱性玫瑰精浓度小于1×10-4 g/L时荧光强度曲线图
Fig.2 Fluorescence intensity curve when the concentration
of basic rose essence was less than 1×10-4 g/L
但当碱性玫瑰精浓度的增加超过1×10-4 g/L 时，尽管荧光强度仍然增加，但已经无线性关系了；当浓度大于8×10-3 g/L，最大发射波长都发生了变化，随着碱性玫瑰精浓度增加，发射光谱发生了红移，这可能是由于浓度达到一定程度时会出现的聚集状态，形成了所谓的二聚体或多聚体[1]。发射光谱红移是由于聚集状态下的第一电子激发单线态的能量比单体的第一电子激发单线态低，导致所需的激发能量相对较低[7]。当浓度达到一定程度时，单体碱性玫瑰精形成二聚体或多聚体，这使得能量在组分分子间来回转移，导致荧光自熄灭作用增强，所以溶液体系的荧光强度随着碱性玫瑰精浓度增加反而减小。
表1 不同浓度碱性玫瑰精荧光性质
Table 1 Fluorescence properties of basic rose essence
at different concentrations
C/(g·L-1)λem·max/nm荧光强度10-55658.552 610-456461.040 510-3565362.014 44×10-3565452.516 08×10-3567396.085 210-2563290.733 810-1578130.777 6
2) 不同溶剂对荧光性质的影响
在不同溶剂环境下碱性玫瑰精溶液存在不同的分子结构：在质子溶剂环境下其以两性离子和阳离子的形式存在，在疏质子溶剂环境中为内酯结构[2]。并呈现不同的光物理和光谱特性。试验结果表明，碱性玫瑰精的内转换过程非常复杂，不是简单的由溶剂的粘稠度决定的，且不同溶剂中其分子的内转换使得双键变为了单键，空间构型发生变化。下面就对碱性玫瑰精在不同溶剂中的荧光光谱性质进行测试研究。
本研究在25 ℃、pH=8和浓度为 1×10-4 g/L条件下，测定了碱性玫瑰精在四种不同溶剂中的荧光光谱。这些溶剂的部分物理常数如表2所示。
表2 不同溶剂的部分物理常数
Table 2 partial physical constants of different solvents
溶剂温度/℃黏度介电常数偶极矩水250.893 780.001.85乙醇251.078 225.001.69丙酮250.305 120.702.88DMF250.802 138.003.82
以水、乙醇、丙酮和DMF不同溶剂为介质，配成1×10-4g/L碱性玫瑰精工作液，其发射光谱图如图3。
图3 不同溶剂下碱性玫瑰精发射光谱图
Fig.3 Emission spectra of basic rosine
in different solvents
图4给出了碱性玫瑰精在不同溶剂中的荧光强度大小。溶剂介电常数的增强使得碱性玫瑰精溶液荧光强度明显降低，的碱性玫瑰精的荧光强度在水中最低，而在丙酮中荧光强度最高。在DMF中由于溶液黏度等原因，使得刚性平面结构发生扭转，与氧杂葱环形成了大的共扼体系，受紫外光激发后表现出对氧杂葱共轭环提供电子，使激发后的电子不能发生回传，导致了荧光减弱，从而导致量子产率下降。
注：1～4分别为：丙酮、乙醇、DMF和水
图4 碱性玫瑰精在不同溶剂中的荧光强度直方图
Fig.4 Fluorescence intensity of basic rose
essence in different solvents
由图5可以看出，碱性玫瑰精最大发射波长λem·max随溶剂极性的增加发生一定红移，其中在DMF中的最大发射波长最大，在乙醇中最小。
在偶极距较大的DMF溶液中，碱性玫瑰精的最大吸收波长与在偶极距较小的乙醇中的光谱相比有一定的红移(20 nm左右)，这是因为不同溶剂分子的偶极矩不同，在溶液中偶极矩较大的溶剂分子容易受到溶剂极性的影响发生波普移动。
注：1～4分别为：丙酮、乙醇、DMF和水
图5 碱性玫瑰精在不同溶剂中的最大发射波长直方图
Fig.5 The maximum emission wavelength of basic
rosin in different solvents
3) pH值的影响
由于碱性玫瑰精是碱性染色剂，pH值对其有很大的影响。图6为不同pH值条件下浓度为10-4 g/L碱性玫瑰精溶液的荧光强度。激发波长为254 nm。
图6 不同pH值时碱性玫瑰精荧光强度曲线
Fig.6 Fluorescence intensity of basic rose essence
at different pH values
由图6可知，pH=0，1时，溶液为强酸性，碱性玫瑰精的羧基没有电离，所以碱性玫瑰精荧光很弱，这主要是由于羧基是一个强吸电子基团，造成碱性玫瑰精的荧光猝灭[4]。当pH值为2～3时，碱性玫瑰精开始逐渐电离，荧光强度逐渐增强，当pH值大于3时碱性玫瑰精溶液的荧光强度基本稳定在某一值这说明碱性玫瑰精溶液已经全部电离。由此可以判定碱性玫瑰精中的羧基基团是影响碱性玫瑰精溶液荧光强弱的重要基团。
4) 激发光照时间的影响
本研究分别测定了碱性玫瑰精在乙醇和水中的荧光强度与激发光照射时间的关系。如图7和图8所示碱性玫瑰精溶液的荧光强度随激发光照时间增加而降低，在水中比乙醇溶液中的降低速度要快很多，这是因为碱性玫瑰精的分子处于激发态时，其核间距离大于基态时的核间距离，从而激发态的分子核间的束缚力相对就会较弱于基态，因而在较强的紫外光长时间照射下，其分子易于产生离解，所以其荧光强度随光照时间增加而削弱[5]。碱性玫瑰精在极性溶液较强的溶液中更易形成二聚体或多聚体[8]，因二聚体[9]和多聚体[10]与单体之间具有不同的吸收光谱且不发生荧光或者所发射的荧光比单体弱，导致其溶液荧光强度的迅速下降，所以溶剂的极性越强，其荧光强度下降的越快。
图7 光照时间对碱性玫瑰精水溶液荧光强度的影响曲线
Fig.7 Influence of illumination time on fluorescence intensity
of basic rose aqueous solution
图8 光照时间对碱性玫瑰精乙醇溶液
荧光强度的影响曲线
Fig.8 Influence of illumination time on fluorescence intensity
of basic rose extract ethanol solution
4 结论
研究了碱性玫瑰精不同浓度、不同溶剂、不同pH和不同激发光照时间下的荧光特性，当碱性玫瑰精的浓度小于1×10-4 g/L时，其荧光强度与浓度程线性正相关，当碱性玫瑰精的浓度大于4×10-3 g/L时，随着碱性玫瑰精浓度增加时，其荧光波普发生红移，荧光强度先增加后减少；溶剂介电常数增加，溶液荧光强度增加，溶剂偶极距增加，波长发生特殊效应红移，当pH为1～2时荧光强度逐渐增强，当pH>3时荧光强度基本维持不变，证明碱性玫瑰精中的羧基基团是影响碱性玫瑰精溶液荧光强弱的重要基团；碱性玫瑰精溶液的荧光强度随激发光照时间增加而降低，在水中比乙醇溶液中的降低速率要大很多。
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