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胭脂红荧光光谱机理研究

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第2 9卷,第1期 2 0 0 9年1月 光谱学与光谱分析 Vo1.29,No.1,pp192—195 Spectroscopy and Spectral Analysis January,2009 胭脂红荧光光谱机理研究 史爱敏 ,朱 拓。 ,顾恩东 ,刘周忆 ,徐 辉 1.江南大学通信与控制工程学院,江苏无锡2.江南大学理学院,江苏无锡214122 214122 摘要胭脂红是食品添加剂中最常用的一种食用色素之一,国家标准对其在食品中添加的剂量有明确的 规定,研究其荧光光谱特性具有一定的实际意义。文章分别从理论与实验上对220 ̄400 FLrn不同激发波长 下胭脂红标准溶液的荧光光谱进行了分析,结果表明,胭脂红可以产生较强的荧光,分别在420,530,635, 687 nm波长处产生了4个荧光峰,各荧光峰的最佳激发波长也不尽相同,文章给出了相应的荧光光谱图。 经研究认为胭脂红荧光是由一()H中的11电子的7"1一 跃迁和奈环中的 电子的 一 跃迁这两类跃迁而 产生的,其中420 m处的荧光峰是由n一 跃迁产生的,而530,635和687 nm这3个波长处的荧光峰是 由 一 跃迁而产生的,同时其4个波长处的荧光相对强度随激发波长的变化相对改变不同,文章分别从微 观机理上给出了一定的解释。研究胭脂红的荧光光谱及其特性可为其他偶氮类色素的荧光光谱研究提供参 考,同时能为食品安全检测提供新的方法与途径。 关键词胭脂红;荧光光谱;荧光峰 文献标识码:A DOI:10.3964/j.issn.1000—0593(2009)01-0192—04 胭脂红(Ponceau 4R)是目前我国使用最广泛、用量最大 中图分类号:0657.3 引 言 合成色素以它的色泽鲜艳、着色力强、稳定性好、价格 低等特点,在食品工业中得到了广泛应用。但是,随着医学 的一种单偶氮类人工合成色素。近年来,有报道指出,胭脂 红与欧盟标准禁用的苏丹红I同属于偶氮类色素,偶氮化合 物在体内可代谢生成致突变原前体——芳香胺类化合物,芳 香胺被进一步代谢活化后成为亲电子产物与DNA和RNA 结合形成加合物而诱发突变rg],它也可被氧化产生自由基, 进而再与体内物质代谢产生一系列活性(reactiveoxygenspe— cies,ROS),R()S攻击DNA造成DNA氧化损伤}1 。胭脂红 和食品科学地研究不断深入,人们陆续发现许多合成色素具 有严重的慢性毒性和致癌作用。因此,许多合成色素已被世 界许多国家所淘汰。即使是少数被允许使用的合成色素,在 使用数量和使用范围方面,也受到了严格的控制。有的国家 毒理学实验显示其具有一定的致癌和致突变作用l1 ]。美 国、加拿大、挪威禁止在食品中添加胭脂红,中国、欧盟、日 甚至完全禁止在食品中加入任何合成色素 。 目前国内外几乎没有学者对食用合成色素的荧光光谱特 性进行研究,见诸报道的多是对食用合成色素含量的测定, 方法也较单一。有人用极谱法对某种色素进行分析|2 ],现 行国家标准分析方法有高效液相色谱法和薄层色谱法l5],前 者灵敏度及准确度高,但仪器昂贵不能普及,后者灵敏度 本等国允许使用,但对其使用范围和最高使用量都有严格规 定。《中华人民共和国食品添加剂使用卫生标准GB2760-- 1996}规定,胭脂红可严格限量用于果汁饮料、配制酒、糖 果、冰淇淋等食品的着色,而不能用于红肠肠衣外的肉制 品[ 。 低,准确度差。作为目前研究生物大分子的重要手段,光谱 分析法具有快速非破坏性的优点[6 ,为更全面有效的对食 品中食用色素的检测提供理论依据,同时能够为食品安全检 测提供新的方法与途径 本研究以常用食品色素胭脂红为研究对象,在荧光光谱 图的基础上分析其荧光光谱特性,对其产生机理进行解释, 为更好的了解与利用胭脂红这种色素提供理论帮助。 收稿日期:2007 10 12,修订日期:2008—01—26 基金项目:国家自然科学基金项目(20671044)资助 作者简介:史爱敏,女,1978年生,江南大学通信与控制工程学院硕士 *通讯联系人 e-mail:tzhu@jiangnan.edu.cn e-mail:ss.08@163.corn 第1期 光谱学与光谱分析 193 处的荧光峰在290 nl-n激发照射下,荧光强度再一次增大, 1实验准备和方法 1.1实验装置 采用美国Roper Scientific公司的SP-2558多功能光谱测 到320 nlTl处达到最大,随后逐渐降低。而530和687 n_rn处 的荧光峰却一直随着激发波长的增大荧光相对强度逐渐降 低。 量系统获得荧光光谱。所使用的光源为氙灯,样品所发射的 荧光经单色仪系统再由CCD采集信号。激发单色仪系统中 的光栅为每毫米i 200刻线的闪耀光栅(闪耀波长为300 irm),发射单色仪中用每毫米150刻线光栅(闪耀波长为500 j nm)。 1.2试剂 , 实验中使用胭脂红为国家标准物质中心生产的胭脂红标 准物质,浓度为0.5 g·mI ~。 1.3实验方法 使用美国Roper Scientific公司的SP-2558多功能光谱测 量系统,用不发荧光的石英比色皿盛装被测样品,并将其置 于荧光池内中心位置。选用220 ̄400 Din的不同波长的光照 射试剂,每隔10 nlTl照射一次,扫描时间为10 S,得到相应 的荧光光谱图。 2实验结果 图l为不同激发波长下胭脂红标准溶液的荧光光谱图。 390 4O0 j 鼍 毒 量 重 WavelengOdnm Fig.1 Fluorescence spectra ofpono ̄au 4R excited by diferent wavelength 为了能更清楚的显示各激发波长下其荧光光谱图,图2 图4对图1进行了拆分。 从图2可以看出,在220 ̄290 nlTl的激发光照射下,胭 脂红标准溶液可以产生明显的3个荧光峰。分别位于420, 530,687 rlln附近,且随着激发波长的增大,各波段荧光相 对强度的变化也不同。在440和530 nrn的两处荧光峰,均在 240 nn-i的激发光照射下,荧光相对强度达到最大,随后随着 激发波长的增大,荧光相对强度逐渐降低。而687 nlTl处的 荧光峰,在270 lifn激发光照射下,荧光相对强度达到最大, 随后逐渐降低。 从图3和图4综合可以看出,随着激发波长的不断增 大,3个荧光峰位置的荧光相对强度又发生了变化,420 nrfl 墨 呈 WavelengtlYnm Fig.2 Fluorescence spectra ofpOR ̄U 4R excited by 220 ̄290 nnl wavelength Wavelengtldnm Fig.3 Fluorescence spectra oflmneeau 4R excited by 290-320 m wavelength j 著 羔 WavelengtlYnm Fig.4 Fluorescence spectra of pIDIl啷Ⅱ4R excited by 320-400 nln wavelength 从图3和图4综合可以看出,在300 nnl激发光照射下, 又出现了1个明显的荧光峰,位于635啪处附近,在370 194 光谱学与光谱分析 第29卷 nrn激发光照射下荧光相对强度达到最大,随后逐渐减小。 电子发生矿 ,r‘跃迁产生的。而封闭共轭体系的萘环会产生 3个 跃迁的特征吸收带[1 ,荧光是吸光的逆过程,只 有强吸光才会产生强荧光,因此就产生了3个荧光峰。所以 图4中左侧350 ̄400 rim的峰为入射光的瑞利散射峰。 3分析与讨论 (1)胭脂红结构式如图5所示,胭脂红为偶氮类合成色 素,从胭脂红结构式可以看出,偶氮基连接两个萘环而形成 了一个大的平面共轭结构,有利于荧光的发射。而且平面结 后面的3个荧光峰即530,635,687 nlTl处的荧光峰是由于萘 环的 电子发生 一 ’跃迁引起的。 (4)位于420 nm处的荧光峰随着激发波长的增大相对强 度是先增大后降低然后再增大再降低,这可能是由于胭脂红 中的偶氮基 —N的影响而产生的,偶氮基也有 电子,也 会发生 一7r。跃迁,所以420 Bin处的荧光峰是 构可以增大分子的吸光截面,增大摩尔吸光系数,增强荧光 强度。同时胭脂红具有给电子取代基一0H,由于—0H上的 N和 0H相互影响的结果。但偶氮基的 电子不与萘环上的 n电子云几乎与萘环上的/r电子轨道平行,因而实际上它们 共享了共轭 电子,形成了户~,r共轭,扩大共轭体系,增强 了其发射荧光的功能。这很好的说明了胭脂红是荧光物质, 可以发射荧光。 电子云共平面,不象给电子基团一0H那样共享和共轭 键 并扩大其共轭7/"键,所以能够使荧光减弱,因此在420 nIn处 的荧光相对强度先是由于一0H的影响能力较大,荧光相对 强度随激发波长的增大逐渐增大,而到240 nnl以后, I、 一N的影响在起作用,使得荧光强度不断降低,激发波 NaO:,S 长在290 nIB后,一0H的给电子能力又战胜了 —N的吸 电子能力,所以荧光相对强度又逐渐增大[j 。 (5)胭脂红共出现了四个明显的荧光峰,各波长处荧光 so: ̄Na 相对强度随激发波长的变化其改变也各不相同,呈现出了偶 氮类色素荧光光谱特性的复杂性。对于偶氮类色素来说,在 Fig.5 Structural formula ofpono ̄lu 4R 受到光线照射后,容易发生结构异化,从而将一部分能量用 在结构的变化和发热上,使得荧光减弱,而水中的小分子与 胭脂红分子相互碰撞,从而影响了胭脂红分子对激励光的吸 收,而同时胭脂红又具有能够增强荧光特性的萘环共轭结 构,以及吸电子基团一OH,这使得胭脂红荧光光谱不象一 般的荧光物质随激发波长有较有规律的变化,其详细影响机 (2)大多数能发荧光的化合物都是由 一7r 或 一丌。跃 迁激发,然后经过振动弛豫等无辐射跃迁,再发生71" 一 或 7l" 一 跃迁而产生荧光。从胭脂红结构式可以看出,胭脂红 分子中含有一()H,一0H的 电子容易被激发而产生”一 /i" 跃迁[14-17 ̄,同时两个萘环的丌电子也吸收激励光光子的 能量,引起了,r+ 跃迁。根据紫外吸收理论,,r+ 跃迁所 理还将进一步研究。 需要的能量较低,吸收波长一般落在近紫外光区或紫外光 区。对于 化合物,其 跃迁来说,一般孤立双键的如乙烯、丙烯等 。跃迁的波长在170 ̄200 nin范围内,然而 本文系统的分析了胭脂红的荧光光谱产生机理,可以看 出胭脂红为荧光物质,能够产生4个明显的荧光峰,且荧光 相对强度随激励光波长的变化而变化,本文从微观机理上给 出了解释。在目前我国现行有效的检测方法中,对食品安全 的分析还是采用常规的分析方法,在检测的重现性与定性的 准确性中距离现代食品安全的要求还具有一定的差距,而物 4结语 由于胭脂红具有大的共轭结构,使得 一 。和 - 跃迁的 波长都发生了红移,这也使得胭脂红荧光光谱发射比较复 杂,且相对于其他一些荧光物质来说,荧光发射波长较长。 (3)从试验中可以看出,胭脂红共出现了4个荧光峰,这 正是由于胭脂红电子跃迁的复杂性所决定的。而由于吸收时 ,r+ 跃迁的摩尔吸光系数比 一,r 跃迁的大1O。~1O。倍, 跃迁的寿命(10 ~10 )比n一 跃迁的寿命(10-5 质的荧光光谱具有很好的重现性和准确的定性与定量,本文 通过对胭脂红荧光光谱的研究,以期能找到一种新的食品色 素检测方法,为更好的利用这类色素以及食品安全检测提供 帮助。 10 )短,因此荧光发射的速率常数Kf值较大,荧光发射 的效率高。因此,7/" 一 跃迁发射荧光的强度大。所以荧光 相对强度最小也就是420呻坡 的荧光峰是由一0H中非键n 参 考 文 献 [1]XI Gang-yi[日](西冈一).Translated by CHEN Wen-lin,TU Yi-ju,CAO Tong-yuan(陈文麟,涂挹菊,槽桐源,译).Food Additives and Health(食品添加剂与人体健康).Beijing:Food Press of ChinaCIl ̄京:中国食品出版社),1989.23. 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Fluorescence Spectra of Ponceau-4R SHI Ai-min ,ZHU Tuo“,GU En-dong ,LIU Zhou-yi ,XU Hui’ 1.School of Communication and Control Engineering,Southern Yangtze University,Wuxi 214122,China 2.School of Science,Southern Yangtze University,Wuxi 214122,China Alastraet The fluorescence spectra of ponceau 4R induced by 220—400 nm light were studied in the present paper.The result shows that poneeau 4R has four obvious fluorescence spectral peal【s respectively locatde at 420,530,635 nad 687 I吼,each of these fluorescence spectral peaks has different best induced light,and the corresponding fluorescence spectra were listed.It was ocnsidered that this fluorescence comes from the transition n ,r’of n electrons in the—OH and/r ,r of,r electrons in the naphthalene.The fluorescence spectral peaks at 420 nrn ocme from the transition,r’,r and the other three fluorescence spectral peaks come from玎 丌.But the intensity of the four fluorescence spectral peaks changes differently with the excited wave— length.This paper attempted to give the expression of the four lfuorescence spectral peaks based on the microcosmic mechanism. The reason for that opnceau 4R has ocmplex lfuorescence characteristic is taht opnceau 4R not only has big nad ocnjugate struc— ture such as naphthalene and provides electron group--OH which can intensify its ability to emit fluorescence,but also absorbs electron group such as N which Can depress its ability to emit fluorescence.Investigation on the fluorescence spectra and its characteristics will contribute to the study on the fluorescence spectra of other ago pigment and help find a new way for chec- king food ̄fety. KeywmMs Ponceau 4R)Fluorescence spectra;Fluorescence spectral peak (Received Oct.12,2007;accepted JarL 26,2008) *Correspondign author 

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