胭脂红和苋菜红分子结构与光谱性质的对比研究

应用英国Edinburgh FLS920P稳态-瞬态荧光光谱仪,对互为同分异构体的胭脂红、苋菜红分子的吸收光谱和荧光光谱实验检测,得到二者的光谱特性参数,并进行对比。分别采用密度泛函理论（DFT）和含时密度泛函理论（TD-DFT）对这两种分子的基态和激发态结构进行优化,将所得基态分子构型进行频率计算,结果显示均无虚频存在,进而比较两分子构型在不同能态下的差异。在此基础上,应用TD-DFT并结合极化连续介质模型（PCM）在6-311++G(d, p)水平上分别计算二者的吸收光谱和荧光光谱,对两种分子的发光机制、荧光光谱特性差异与分子结构的关系进行了分析。结果表明,两种分子的基态结构均为非平面,它们中的两个萘环不共面,存在一定的夹角;苋菜红含有分子内氢键,且氢键所在萘环的平面性要优于胭脂红分子对应的萘环部分;激发态时二者各自的两个萘环均共平面。量子化学计算得到的光谱理论值与实验结果较为吻合,说明优化所得胭脂红与苋菜红的分子构型基本合理。与苋菜红相比,胭脂红右侧萘环结构的平面性稍差,分子从激发态跃迁回到基态经历了更多的振动和转动,损耗了更多的能量,导致用来产生荧光光子的能量减少,因此,胭脂红的荧光发射波长更长。本文首次得到胭脂红、苋菜红分子基态与激发态下的分子结构信息,并找出二者光谱特性差异的原因,结果可为研究同分异构体分子的光谱特性与分子结构的关系提供参考。     

基于密度泛函理论的肾上腺素分子的光谱分析

肾上腺素是一种神经和激素的传送体,研究肾上腺素分子的光谱和能级有助于了解其化学稳定性和药理作用。基于密度泛函理论（DFT）,利用Gaussian 09软件在B3LYP/6-311G（d,p）基组水平上对肾上腺素分子进行结构优化,采用含时密度泛函理论（TD-DFT）的PBE方法在def2tzvp基组水平上计算肾上腺素分子在气相中的前20个激发态,利用Multiwfn3.7（dev）软件绘制出其紫外光谱图并对激发性质进行分析。肾上腺素分子紫外光谱对应的主要跃迁是从基态分别到第1,2,4,8,15和16激发态的跃迁,其他的激发态的振子强度低于阈值0.03。理论计算得出肾上腺素的紫外光谱有两个吸收峰,分别位于206.23和273.92 nm,206.23 nm峰主要由基态跃迁到第16激发态形成,273.92 nm峰主要是基态跃迁到第2、4激发态形成,主要是由苯环上π→π*跃迁所产生,并与实验光谱吻合较好。对肾上腺素分子的激发态性质分析可知,上述吸收峰都是在最高占据轨道和最低空轨道的临近轨道跃迁产生的。利用密度泛函的PBE方法在6-311G（d, p）的基组水平上计算肾上腺素分子频率并绘制红外光谱,由振动分析可知,3 738和3 662 cm-1峰是由酚羟基O-H伸缩振动产生的特征吸收峰,3 715 cm-1峰是由醇羟基O-H伸缩振动产生的特征吸收峰,2 854 cm-1峰是由甲基的C18-H20键的伸缩振动产生的特征吸收峰,1 516和1 439 cm-1峰是苯环骨架的伸缩振动的特征吸收峰,1 279与1 057 cm-1峰分别是由C6-O10和C12-O23键伸缩振动产生的特征吸收峰,620 cm-1峰是N22-H17键摇摆振动的特征吸收峰。对比肾上腺素的实验红外光谱,发现理论光谱与实验光谱中各基团的特征吸收峰都较为明显且总体吻合较好。由于肾上腺素分子二聚体和多聚体之间形成氢键,分子间氢键的形成削弱了O-H键的强度,降低了能形成分子间氢键的羟基O-H的伸缩振动频率,从而导致实验光谱在3 500～2 500 cm-1之间呈现出一个宽峰。     

苋菜红分子基态和激发态结构与光谱性质的量子化学研究

应用英国Edinburgh FLS920P光谱仪对苋菜红的吸收光谱和荧光光谱进行了实验检测.同时,分别采用密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TD-DFT)对苋菜红分子的基态和激发态构型进行优化,经振动分析合理后,比较这两种能态下分子结构的差异,并对其前线分子轨道和发光机制进行了分析.在此基础上,选用6种泛函并结合溶剂化模型(PCM)在6-311++G(d,p)水平上分别计算苋菜红的吸收光谱和荧光光谱.计算结果表明:苋菜红含有分子内氢键,基态结构非平面,两个萘环所在平面有一定的夹角,激发态时两个萘环共平面;CAM-B3LYP泛函得到光谱的理论值与实验结果基本吻合;421 nm处的荧光峰值波长对应的轨道跃迁为LUMO→HOMO-1.     

团簇LaO的理论研究

采用密度泛函理论研究LaO团簇体系。中性分子LaO的基态是两重态(2Σ),阴离子LaO-和阳离子LaO 的基态都是单重态(1Σ)。使用不同的方法计算团簇LaO的电子亲和能和电离能。计算结果表明用BLYP方法和弥散极化基组计算结果和实验数据吻合较好。用含时密度泛函理论计算团簇LaO的低能激发态,从理论上归属LaO-的光电子能谱的谱峰和LaO的吸收光谱的谱峰。计算得到与实验一致的结果。     

苋菜红分子基态和激发态结构与光谱性质的量子化学研究

应用英国Edinburgh FLS920P光谱仪对苋菜红的吸收光谱和荧光光谱进行了实验检测．同时,分别采用密度泛函理论（DFT）和含时密度泛函理论（TD-DFT）对苋菜红分子的基态和激发态构型进行优化,经振动分析合理后,比较这两种能态下分子结构的差异,并对其前线分子轨道和发光机制进行了分析．在此基础上,选用6种泛函并结合溶剂化模型（PCM）在6-311++G(d, p)水平上分别计算苋菜红的吸收光谱和荧光光谱．计算结果表明：苋菜红含有分子内氢键,基态结构非平面,两个萘环所在平面有一定的夹角,激发态时两个萘环共平面;CAM-B3LYP泛函得到光谱的理论值与实验结果基本吻合;421 nm处的荧光峰值波长对应的轨道跃迁为LUMO→HOMO-1．     

基于密度泛函的甲醇和乙醇荧光特性研究

使用英国爱丁堡FLS920P荧光光谱仪,对甲醇、乙醇的紫外吸收光谱和荧光光谱进行实验检测,得到二者的光谱特征参数。分别采用密度泛函理论(DFT)和单激发组态相互作用(CIS)对二者分子的基态和激发态结构进行优化,并比较两种分子在不同能态下的差异。应用含时密度泛函理论(TD-DFT)的不同泛函结合极化连续介质模型(PCM)在6-31++G(d, p)水平上分别计算了二者的紫外吸收光谱和荧光光谱,与实验结果吻合。分析了甲醇、乙醇荧光产生机理,同时分析了不同泛函对于计算光谱的影响。结果表明：甲醇、乙醇在紫外波段有微弱吸收,在紫外激发下能产生拉曼峰和微弱的荧光峰。甲醇、乙醇的吸收光谱是由里德堡激发产生,产生荧光的轨道跃迁为σ*→π*。泛函OLYP能够较好地重现实验吸收能,而泛函MPWK能够较好地重现实验发射能,并且发现不同的纯泛函计算跃迁能也具有差异性。结果可为醇类分子的分子特性研究提供参考。     

胭脂红分子结构的量子化学计算及荧光光谱机理研究

运用Gaussian 09W量子化学程序包,对胭脂红分子进行基态和激发态几何结构构型优化,计算得到激发态电子结构、分子前线轨道和发射光谱等信息;应用英国Edinburgh FLS920P 光谱仪,实验测定胭脂红溶液的荧光光谱。比较荧光发射光谱的计算值与实验值,吻合较好,说明优化所得构型基本合理。进一步对比胭脂红分子基态和激发态结构,分析荧光光谱产生的机理,发现胭脂红分子激发态几乎呈平面结构,为强荧光物质,其荧光由139→137轨道的跃迁产生。     

核黄素在不同极性溶剂中的光谱特性研究

实验测得核黄素在水、二甲基亚砜(DMSO)和三氯甲烷三种不同极性溶剂中的稳态吸收光谱、荧光光谱和时间分辨荧光光谱,研究了溶剂对核黄素光谱性质的影响。实验结果表明,在不同极性的溶剂中,核黄素的吸收峰位置几乎不变,而荧光光谱峰值随着溶剂极性的增大而出现红移。这是由于溶质分子的电子激发及溶剂化效应引起的电子重新分布导致它在极性溶剂中第一激发单重态能级的变化。在时间分辨荧光光谱实验中,核黄素在水溶液中荧光寿命也高于在其他两种溶剂中,荧光寿命的延长可归因于核黄素与氢键对体溶剂之间的分子间氢键相互作用。应用Gaussian09软件,采用密度泛函理论和含时密度泛函理论,结合基于密度的溶剂化模型,对不同极性溶剂中的核黄素分子进行基态和激发态优化和计算。通过前线分子轨道分析,核黄素的受激跃迁属于苯环和含氮杂环上的π电子向苯环及C N,C O共轭双键的反键轨道π*的跃迁。分子偶极矩的计算结果表明,核黄素分子的第一激发态偶极矩大于基态偶极矩,偶极矩的增大,导致溶质与溶剂分子之间的相互作用的增大。而溶剂分子与溶质分子基态和激发态的相互作用程度不同,使得吸收峰和荧光峰出现不同变化情况。极性越大的溶剂越有利于对激发态的稳定作用,使激发态能量降低,相应的发射波长发生红移。最后,通过分子表面静电势和弱相互作用分析,在水溶剂中考虑氢键作用对核黄素分子光谱的影响。多聚体结构的理论吸收和发射峰值更接近实验结果,说明多聚体结构合理。水分子二聚体与核黄素形成的环状结构,有利于提高核黄素分子的刚性,有利于荧光的发射,减少非辐射跃迁的几率,荧光寿命延长。     

外场作用下蒽分子的激发特性研究

蒽(anthracene)具有良好的热稳定性以及较高的荧光量子产率的优点, 是最早用于研究有机发光器件(organic light-emitting device, OLED)的材料之一. 在本文中, 主要利用量子化学方法研究了不同外电场对蒽分子激发特性的影响规律. 首先采用密度泛函理论(density functional theory, DFT)在6-311G(d, p)基组水平上对蒽分子基态结构进行优化, 基于稳定基态结构, 利用含时密度泛函(time-dependent density functional theory, TDDFT)以及同一基组水平, 计算出蒽分子的前十个激发态的激发能、跃迁偶极矩、振子强度和紫外吸收光谱等数据. 然后以密度泛函B3P86方法优化出的不同外电场下蒽分子基态结构为基础, 使用TDDFT方法研究了不同外电场对蒽分子前线轨道能级和激发特性的影响规律. 结果显示, 无场时蒽分子在紫外区域234.50 nm处有一个较强的吸收峰, 对应基态电子跃迁至第5激发态吸收光子波长; 在外电场作用下, 蒽分子电子由基态跃迁到激发态的各项光谱参数均有显著变化, 加场后蒽分子的吸收光谱发生了红移, 由紫外波段移向了紫外–可见光波段, 与实验值相符合. 分子前线轨道的计算结果也表明蒽分子的最高占据轨道(highest occupied molecular orbital, HOMO)和最低未占据轨道(lowest unoccupied molecular orbital, LUMO)能量差值在不同电场下存在差异. 关键词： 蒽 外电场 激发特性     

自由基CH(X2Π,a4Σ-)的光谱数据从头算研究

用分子轨道从头算方法,对CH自由基的基态(X2Π)和低激发态(a4Σ-)的光谱数据进行了计算.计算结果表明,在基态CH(X2Π)时,在QCISD(T)/6-311G (3df,3pd)水平上,计算所得的键长R=0.1120981nm,偶极矩μ＝1.5891 Debye,ν＝2845.43cm-1均与实验值相吻合,在B3PW91/6-311G (3df,3pd)理论水平上,计算的基态能量为-38.496143 Hartree,误差仅为0.22%;对低激发态CH(a4Σ-),使用含时的密度泛函方法(TDDFT)和大基组6-311 G(3df,3pd)计算所得的R=0.1094nm,垂直跃迁能量为0.926eV,均与实验结果有较好的吻合.     

常用合成食品色素荧光光谱研究

分析合成食品色素的分子结构特点,根据荧光与分子结构的关系,理论上推断合成食品色素是荧光物质。应用SP-2558多功能光谱测量系统,测得胭脂红、苋菜红、柠檬黄、日落黄、亮蓝等五种最常用的合成食品色素标准溶液的三维荧光光谱。结果表明,胭脂红在波长330～430 nm的光激发下,产生较强荧光,荧光峰值波长为621 nm,最佳激发波长为376 nm;苋菜红在波长300～440 nm的光激发下,产生较强荧光,荧光峰值波长为643 nm,最佳激发波长为370 nm;柠檬黄在波长280～380 nm的光激发下,产生很强荧光,荧光峰值波长为565 nm,最佳激发波长为315 nm;日落黄在波长310～410 nm的光激发下,产生较强荧光,荧光峰值波长为592 nm,最佳激发波长为348 nm;亮蓝在波长320～390 nm的光激发下,产生较强荧光,荧光峰值波长为456 nm,最佳激发波长为350 nm。进而对这五种合成食品色素的荧光光谱进行了分析讨论。结果可为食品色素检测和食品安全提供帮助。     

Identification of tartrazine and sunset yellow by fluorescence spectroscopy combined with radial basis function neural network

The fluorescence spectra of synthetic food dyes of sunset yellow and tartrazine are analyzed. The fluorescence peak wavelengths of sunset yellow and tartrazine are 576 and 569 nm, respectively, while the fluorescence spectra widths are 480-750 and 500 750 nm induced by ultraviolet light between 310-400 nm. The fluorescence spectra of sunset yellow overlap heavily with those of tartrazine, so it is difficult to distinguish them. Based on the principle of radial basis function neural network, a neural network is obtained from the training of the 14 groups of experimental data. The results show that the species of sunset yellow and tartrazine could be recognized accurately. This method has potential applications in other synthetic food dyes detection and food safety inspection.     

基于径向基神经网络和BP神经网络对日落黄荧光光谱的分析

对食用合成色素日落黄的荧光光谱进行研究,发现在最佳激发波长370nm紫外光的激励下,荧光峰值波位于576nm;经分析认为,日落黄溶液之所以能产生荧光是因为分子中偶氮键将一个苯环和一个萘环连接在一起,形成大共轭结构,并且取代基与—SO3Na与—OH处于萘环的对位,大大增强了日落黄分子的共轭程度,使其具有强的吸光功能,发出强荧光。另外,结合径向基神经网络和BP神经网络对未知样本进行浓度预测,结果精确,平均相对误差分别为3.51%和5.45%,RSD分别为1.83%和2.95%。该方法有望成为对食用合成色素进行高效检测的有效方法。     

基于BP神经网络的日落黄溶液荧光光谱的研究

对食用合成色素日落黄的荧光光谱进行了研究,发现在310~400nm紫外光的激励下,日落黄溶液发出强荧光,峰值荧光强度随浓度的增加先增强后减弱,且荧光谱峰位置出现明显红移。经分析认为,日落黄溶液能产生荧光是因为分子中偶氮键将一个苯环和一个萘环连接在一起,形成大共轭结构,并且取代基-SO3Na与-OH处于萘环的对位,大大增强了日落黄分子的共轭程度,使其具有强的吸光功能,发出强荧光。另外,结合BP神经网络,通过训练好的网络对4种不同浓度的样本进行浓度预测,结果表明相对误差分别为4.269%,6.078%,4.977%和5.308%,相对标准偏差分别为0.448%,0.375%,0.419%和0.414%。实验表明,该方法具有训练速度快、预测结果准确度高等特点,有望成为一种对食用合成色素进行高效、痕量检测的有效方法。     

苋菜红与胭脂红荧光光谱的比较分析

测量了胭脂红以及其同份异构体苋菜红的荧光光谱.胭脂红标准溶液在220～400 nm不同波长激发光下,分别在420 nm,530 nm,635 nm,687 nm波长处产生了四个荧光峰,苋菜红在220～430 nm不同波长激发光下,在654 nm处产生了一个明显荧光峰.胭脂红产生四个荧光峰是由于其具有四种可以发射荧光的荧光团,为了研究这四种荧光在不同激发光激励下产生荧光的敏感程度,以及找到胭脂红和苋菜红这两种色素产生荧光的基团之间的联系.利用荧光强度的加和性原则,分别对这两种物质的荧光强度进行了理论计算.认为苋菜红的荧光峰对应丁胭脂红的第三个荧光峰,根据此特点,初步分析了四种荧光团对这两种色素在荧光发射过程中的影响程度,同时还从结构上分析了两种色素荧光光谱差异的根本原因.     

三聚氰胺溶液的荧光光谱实验研究

对三聚氰胺溶液和含三聚氰胺的奶粉溶液在紫外光激励下产生的荧光光谱进行了实验研究.讨论了其产生机理和谱线特性,并对奶粉溶液和含三聚氰胺奶粉溶液的荧光光谱进行了纵坐标比值变换分析.结果表明,三聚氰胺溶液在波长为240 nm左右的紫外光激励下能产生较强的荧光,荧光峰分别位于350 nm和370 nm附近;在同一波长紫外光激励下,含三聚氰胺奶粉溶液与奶粉溶液的荧光光谱相比,荧光主峰位置由328 nm变为350 nm,其他荧光峰的位置基本保持不变,荧光相对强度在370 nm处最大.     

导数同步荧光光谱法同时测定食品中的合成色素

建立了测定食品中胭脂红和日落黄的一阶导数同步荧光光谱法。研究了胭脂红和日落黄在不同pH值溶液中的同步荧光光谱特征,确定了同步荧光光谱的最佳波长差。当Δλ=130 nm时,胭脂红和日落黄导数同步荧光光谱的零交点位于313.6和302.8 nm,可分别测定日落黄和胭脂红的含量。胭脂红在0.1~4.0 mg·L-1、日落黄在0.1~2.0 mg·L-1范围内浓度与导数同步荧光值呈线性,相关系数(R2)为0.999 2和0.996 6;检出限为0.041和0.019 mg·L-1;相对标准偏差(RSD)为4.8%和4.6%。 回收率在91.0%~110%之间。 测定结果与导数-分光光度法的结果相一致,具有简便、 快捷等特点,能够同时测定食品中胭脂红和日落黄的含量。     

ZnO/PAA复合体系的制备和光致发光研究

通过加热法在多孔氧化铝模板的纳米孔内组装了ZnO颗粒,形成了ZnO和多孔氧化铝模板(PAA)复合体系.用Y-2000型X射线衍射仪表征了复合体系的结构,用TU-1901型紫外-可见分光光度计测量了复合体系的光学透过率,用WFY-28型荧光分光光度计测量了复合体系的光致发光.结果显示,多孔氧化铝模板中的ZnO结晶良好,平均晶粒尺寸10.8 nm;多孔氧化铝模板组装ZnO后透过率明显下降,550 nm处只有45%左右;ZnO/PAA复合体系在短波长光激发下有一个强的430 nm峰位的发光峰,随着激发波长增大,发光峰位红移,并且逐渐分解为两个峰,峰位分别在410 nm和460 nm.