王昊琳，琚 敏，徐 沛，董開拓，于濂清

（中國石油大學（華東）理學院，山東省新能源物理與材料科學重點實驗室, 山東 青島 266580）

科研與開發(fā)

溫度對羅丹明B水溶液熒光強度影響研究

王昊琳，琚 敏，徐 沛，董開拓＊，于濂清

（中國石油大學（華東）理學院，山東省新能源物理與材料科學重點實驗室, 山東 青島 266580）

配制了 3 種不同濃度的羅丹明 B（RhB）水溶液，分別測量其在低溫和高溫條件下的發(fā)射光譜。結(jié)果表明，無論在低溫過程或高溫過程，羅丹明B水溶液的熒光強度都隨溫度的升高而降低，反之增加。由低溫 5 ℃升至室溫過程中，熒光強度與溫度呈線性關系，在由高溫 60 ℃降至室溫過程中，60～40 ℃和 40～30 ℃兩個溫度區(qū)間，溫度與熒光強度呈現(xiàn)兩種不同的關系，40～30 ℃溫度區(qū)間內(nèi)是線性關系。但高溫自然降溫至室溫的羅丹明 B 溶液與低溫自然升溫至室溫的羅丹明 B 溶液熒光光強會發(fā)生突變，這表明羅丹明 B 在低溫（0 ℃）和高溫（70 ℃）下保溫時發(fā)生了部分不可逆的反應。

羅丹明 B；熒光光譜法；低溫高溫；熒光強度突變

羅丹明熒光染料是一種以氧雜蒽為母體的堿性呫噸染料，最初是從古老的纖維用染料中篩選出來的，應用于無機熒光分析已有 120 余年的歷史。它是一類具有強熒光高激光輸出效率的染料，它們的發(fā)色團是帶有 3, 6 位取代氨基及其衍生物的氧雜蒽母體。兩個芳環(huán)間“氧橋”（—O—）相連，碳與氧處在對位上形成一個六元環(huán)，分子中具有一個很長的共扼體系，具有剛性（僵硬性）平面結(jié)構(gòu)，容易吸收入射光的能量而發(fā)射長波，從而產(chǎn)生熒光，并且可以減少分子內(nèi)部的熱運動，減少激發(fā)態(tài)能量的耗損，提高熒光發(fā)射效率[1]。

由于特殊的結(jié)構(gòu)及相應的熒光特性，使羅丹明類熒光染料在化學和生物分析等領域中廣泛研究[1-5]。

羅丹明 B（RhB）的熒光特性深受溫度影響，魯維[7]等用羅丹明 B 染色細胞，實現(xiàn)了微波輻照下細胞水平溫度的實時測量，徐惠等[2]用羅丹明類染料做探針來監(jiān)測環(huán)境溫度，因此研究溫度對羅丹明B染料熒光強度的影響對于羅丹明B熒光基礎理論研究及在生物學、化學、環(huán)境科學等領域的應用都有較大意義。

本文是在低溫 5～30 ℃以及高溫60～30 ℃較大的溫度范圍內(nèi)進行的羅丹明B熒光強度研究。具體為分別從低溫 5 ℃升至 30 ℃過程，從較高溫度 60℃降至 30 ℃兩個過程，研究溫度變化過程中熒光強度的變化規(guī)律。

1 實驗部分

1.1 儀器

（1）7-PL 熒光光譜儀。賽凡光電有限公司。

（2）羅丹明 B。分析純，C28H31ClN2O3，廣東和為化工有限公司。

（3） 85-2 數(shù)顯控溫磁力攪拌器，金壇市大地自動化儀器廠。

（4） DLSB-5 低溫冷卻循環(huán)泵，鞏義市英峪儀器廠。

（5）其他器材有比色皿（光程 1cm）、25 mL量筒、100 mL 量筒、250 mL 燒杯、100 mL 燒杯、離心管。

1.2 實驗方法

樣品準備。稱量 0.02 g 羅丹明 B 固體，200 mL去離子水，配制濃度為 10-1g/L 的羅丹明 B 母溶液，蓋保鮮膜混合攪拌 10 min，然后分別稀釋出 0.001、0.005、0.01g/L 羅丹明 B 水溶液，蓋保鮮膜，避光儲藏。

低溫冷卻系統(tǒng)。低溫冷卻循環(huán)泵中加入55%/45%（vol）的乙二醇水溶液低溫不凍液 5 L，制冷溫度設置為-3 °C。取樣品 5 mL 放入離心管內(nèi)，并將熒光用比色皿放入玻璃管中，進行制冷。將達到制冷溫度的比色皿與樣品取出，放入熒光光譜儀樣品室中，連接帶有測溫探針的測溫系統(tǒng)，能夠?qū)悠窚囟冗M行實時測量。

高溫加熱系統(tǒng)。在 500 mL 燒杯中加入 400 mL去離子水，在 85-2 型數(shù)顯控溫磁力攪拌器上攪拌并加熱至 80 °C。取樣品 5 mL 放入離心管內(nèi)，并將比色皿放入玻璃管中，玻璃管和離心管都放入 80 ℃水浴中，保溫至 80° C。

發(fā)射譜測量。將樣品降溫至 0 °C 附近保溫 10 min，測量從 5 °C 自然升溫至 30 °C（低溫過程）的發(fā)射譜，然后將該樣品加熱至 70℃附近保溫 10 min，測量從 60 °C 自然降溫至 30 °C（高溫過程）的發(fā)射譜。激發(fā)波長 550 nm，起始波長 570 nm，終止波長 588 nm，掃描間隔 2 nm，掃描速度 255，將樣品置于四通光比色皿中，固定于樣品室中，測量其發(fā)射光譜。并記錄最強發(fā)射波長 λem掃描時的實時溫度與 λem的熒光強度值。

2 結(jié)果與討論

2.1 RhB 溶液熒光強度與溫度的關系

2.1.1 低溫過程（5～30 °C）中 RhB 溶液熒光強度與溫度的關系

先將待測的溶液放入冷卻液中降溫至 0 °C。低溫過程由 5 C 升至 30 °C，過程中測量熒光強度。圖 1是以濃度為 0.001、0.005、0.01g/L 時，RhB 溶液在低溫過程（5～30 °C）中的不同溫度對應的 λem的熒光強度值為數(shù)據(jù)點，作出的點線圖。可以看出低溫下隨著溫度升高，三種濃度的溶液熒光強度全部降低，并且三種濃度溶液熒光強度與溫度成線性關系。

圖1 低溫過程RhB溶液熒光強度與溫度關系圖Fig.1pL intensityplot for kinds of RhB aqueous solution in theprocess of low temperature

2.1.2 高溫過程（60 ～30 °C）中 RhB 溶液熒光強度與溫度的關系

先將待測的 RhB 水溶液加熱至 70 °C。高溫過程由 60 °C 降至 30 °C，過程中進行 λem的熒光強度測試。圖 2 是以濃度為 0.001、0.005、0.01g/L 的RhB 溶液在高溫下（60→30 °C）不同的溫度對應的λem的熒光強度值為數(shù)據(jù)點，作出的點線圖。在60→40°C 高溫過程中，隨著溫度降低，三種濃度的溶液熒光強度呈指數(shù)型變化；而在 40→30 °C 過程中，三種濃度的溶液熒光強度隨溶液濃度的變化是線性的。

圖2 高溫過程 RhB 溶液熒光強度與溫度關系圖Fig.2pL intensityplot for kinds of RhB aqueous solution in theprocess of high temperature

2.2 低溫升溫與高溫降溫的熒光突變

我們進行了3種濃度的低溫、高溫過程熒光強度的連續(xù)測量。具體操作為，先進行低溫過程熒光強度測量，之后進行高溫過程的測量。圖3a是不同濃度樣品連續(xù)測量低溫過程、高溫過程熒光強度與溫度關系圖。由此看到，0.001g/L(濃度較小，熒光強度較小)的 RhB 水溶液低溫高溫過程銜接處，即在 30 °C 附近，λem的熒光強度基本沒有突變。然而對于 0.005 和 0.01g/L 的 RhB 水溶液，我們將高溫與低溫測得的曲線比較發(fā)現(xiàn)，由低溫 5 °C 自然升溫至 30 °C 附近的羅丹明 B 溶液的熒光強度與高溫 60°C 自然降溫至 30 °C 附近的羅丹明 B 溶液的熒光光強發(fā)生了突變，即不連續(xù)，不銜接。且 0.005 與 0.01g/L 的 RhB 水溶液突變方向也不相同，0.005 g/L 羅丹明 B 水溶液高溫過程熒光強度向上突變，0.01g/L羅丹明B水溶液高溫過程熒光強度向下突變。

2.3 討論

在低溫過程和高溫過程中，羅丹明 B 水溶液 λem的熒光強度隨溫度的升高而降低，反之增加。溫度升高，分子熱運動加大，分子碰撞概率增加，使處于激發(fā)態(tài)的π電子難以維持穩(wěn)定的時間，通過碰撞將能量轉(zhuǎn)移給其他分子，無輻射去活過程幾率增加，導致熒光猝滅，熒光強度降低。

羅丹明 B 水溶液在低溫以及高溫過程 40→30 °C 范圍內(nèi)時，熒光強度與溫度都有較好的線性關系，在 60→40 °C 高溫過程中隨著溫度降低，三種濃度的溶液熒光強度呈指數(shù)型變化。這表明，λem的熒光強度在不同的溫度區(qū)間，與溫度有著不同的相關性。

圖3表明了低溫高溫過程的熒光強度的突變。這說明高溫（70 °C）或低溫（0 °C）的保溫處理都有可能使羅丹明B在水中的結(jié)構(gòu)和存在形式發(fā)生改變。為此我們將高低溫熒光強度結(jié)果與沒有經(jīng)過高溫低溫處理的常溫下配制的 RhB 溶液的 λem的熒光強度值進行了比較，對比結(jié)果在圖 3（b）（c）（d）中所示。在圖 3b 和 3c 中，低溫和高溫過程下的溶液都與未處理的常溫溶液的熒光值不同，說明對于濃度 0.001和 0.005 g/L 的 RhB 溶液，低溫和高溫都可能產(chǎn)生了部分不可逆的變化。在圖 3d中，高溫過程下的溶液與未處理的常溫溶液的熒光值吻合，而低溫過程曲線與未處理的不吻合，說明 0.0 g/L 的溶液在高溫處理可能沒有使 RhB 發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)變，但低溫處理使得 RhB 發(fā)生了不可逆轉(zhuǎn)變。

因此綜合圖3的結(jié)果，我們認為，羅丹明B水溶液在低溫和高溫時都會產(chǎn)生部分不可逆的反應。這也和魯維[7]等和 Bermingham[8]等人的工作有相似之處。

此外，在圖 2中可以看出，在高溫過程中，40→30 °C 和 60→40 °C 兩個區(qū)間，溫度與熒光強度有不同的相關性，分別為線性關系和指數(shù)關系。因此 40 °C 是一個關鍵臨界點。具體機制和變化規(guī)律還有待進一步探索。

圖3 （a）高溫與低溫不同濃度RhB水溶液熒光強度與溫度曲線。箭頭方向是指明溫度變化方向，低溫過程由5 °C自然升溫升至30°C，高溫過程由60 °C降至30 °C；圖（b）、（c）、（d）依次為0.001、0.005、0.01g/L RhB溶液熒光強度與溫度曲線。箭頭所指紅點為在室溫下配制的未經(jīng)高溫低溫處理的相應濃度溶液的熒光強度Fig.3 (a)pL intensityplot for kinds of RhB aqueous solution in theprocess of low and high temperature, the arrows indicated change tendency of temperature from 5℃to 30℃ for theprocess of low temperature and from 60℃to 30℃for theprocessof high temperature, respectively; (b)(c)(d)pL intensityplot for 0.001, 0.005, 0.01g/L RhB aqueous solution in theprocess of low and high temperature, the dotpointed by arrowpresentedpL intensity of RhB solution that wasprepared at ambient condition without any heat or cold treatment

此外，在低溫過程和高溫過程，總的熒光強度值隨濃度的變化規(guī)律也不一致。低溫過程中，熒光強度與濃度的關系為：0.01g/L＞0.005 g/L＞0.001g/L，隨著濃度的增大，熒光強度越大；然而高溫過程 ， 熒 光 強 度 與 濃 度 的 關 系 為 :0.005 g/L＞0.01g/L＞0.001g/L，隨著濃度增大，熒光強度先增大后減?。ㄅc室溫下變化規(guī)律相同）。說明溫度影響了濃度與熒光強度之間的關系。

3 結(jié) 論

（1）羅丹明 B 水溶液熒光強度隨溫度的升高而降低，反之增加。

（2）低溫過程（3→30 °C）中熒光強度與溫度成線性關系。高溫過程（60→40 °C）中隨著溫度降低，三種濃度的溶液熒光強度呈指數(shù)型變化；在40→30 °C 過程中，三種濃度的溶液熒光強度隨溶液濃度的變化是線性的。也說明 40 °C 是一個關鍵臨界點。

（3）高溫自然降溫至室溫的羅丹明 B 溶液與低溫自然升溫至室溫的羅丹明B溶液熒光光強會發(fā)生突變，并且 0.001g/L（濃度較小，熒光強度較小)的 RhB 水溶液基本沒有突變，而 0.005 與 0.01g/L的RhB水溶液突變方向也不相同。更重要的是，低溫、高溫都與常溫未處理的溶液熒光強度不同，說明低溫和高溫處理都會對羅丹明B溶液造成某種不可逆的變化。

（4）低溫過程中，隨著濃度的增大，熒光強度越大；然而高溫過程，隨著濃度增大，熒光強度先增大后減小（與室溫下變化規(guī)律相同）。說明溫度影響了濃度與熒光強度之間的關系。

［1］顏范勇，陳立功，閆喜龍，等.羅丹明類熒光染料的合成及應用[J].化學進展，2006，18(2/3):232-242.

［2］徐慧，代艷娜，單洪巖，等.羅丹明衍生物/Er3+復合熒光探針對溫度的響應[J].高等學?；瘜W學報，2014，4（35）:736-740.

［3］Haugland Rp.Handbook of fluorescentprobes and research chemi cals[M]. 9thed. Molecularprobes，Eugene， OR， USA， 2002，1.6: 6-18.

［4］Huang X F，Zhang Y Q.Fluorescenceprobe technology[M].Beijing:people`s Military Medicalpress，2004:49-53.

［5］吳世康.熒光探針技術在高分子科學中的應用[J].化學進展，1996，8（2）：118-128.

［6］楊丙成，關亞風，譚峰.超痕量分析中的激光誘導熒光檢測[J].化學進展，2004，16(6)：871-878.

［7］魯維.用羅丹明 B 實現(xiàn)微波輻照下細胞水平溫度的實時測量[J].生物物理學報，2015，31（2）：116-124.

［8］Bermingham JF， Chen Y Y， McIntosh R L， Wood A W. A measurement and modeling study of temperature in living and fix ed tissue during and after radiofrequency exposure[J]. Bioelectrom agnetics， 2014， 35(3): 181-91.

Study on Effect of Temperature on Rhodamine B Solution Fluorescence Intensity

WANG Hao-lin, JU Min, XVpei, DONG Kai-tuo*, YU Lian-qing
（Shandong Key Laboratory of New Energyphysics&Materials Science,College of Science, China University ofpetroleum, Shandong Qingdao 266580，China）

Fluorescence intensities of three kinds of RhB aqueous solution were measured under low temperature (from 5 ℃ to 30 ℃) and high temperature (from 60 ℃ to 30 ℃). The results show that the fluorescence intensity decreases with the increase of temperature. Fluorescence intensity has a linear relation with temperature under low temperature; under high temperature, there is an exponential relationship between temperature and fluorescence intensity from 60 ℃ to 40 ℃ and a linear function from 40 ℃ to 30 ℃. The fluorescence intensity of RhB solution around 30 ℃ under low temperature is not consistent with that under high temperature, which indicates an irreversible reaction of RhB molecules at 0 ℃ or 70 ℃.

Rhodamine B(RhB);Fluorescent spectrometry;Low and high temperature; Mutation of fluorescence intensity

TQ 201

： A

： 1671-0460（2017）02-0197-04

國家自然科學基金項目，項目號：21476262；大學生創(chuàng)新訓練項目，項目號：201610425066。

2016-08-30

王昊琳（1996-），女，內(nèi)蒙古呼倫貝爾人，研究方向：納米材料制備、光電化學。E-mail：15610451069@163.com。

董開拓（1987-），男，助理實驗師，碩士，研究方向：污水處理、光電化學轉(zhuǎn)化和碳材料。E-mail：dkt3030@163.com。