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．     

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.     

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。     

芳香性取代基对2-(2-羟基苯基)苯并咪唑激发态质子转移和光谱性质影响的理论研究

运用密度泛函(DFT)和含时密度泛函(TD DFT)理论方法研究了在2-(2-羟基苯基)苯并咪唑(HBI)苯环羟基的对位分别被呋喃基、吡咯基等五种芳香性取代基后的衍生物(HBI-R)分子内质子转移过程,考察了取代基的电子离域效应对分子结构、分子内氢键和质子转移的影响,模拟计算了各分子的IR振动光谱和电子光谱。研究发现,基态的HBI与HBI-R分子内氢键O—H…N比O…H—N强度大,因氢键中的O—H增长和H—N的缩短,激发态氢键O—H…N弱于O…H—N强度,基态和激发态的稳定构型分别为醇式和酮式结构,取代基总体上使酮式构型相对稳定性有所增加,但呋喃基、吡咯基和噻吩基却略降低了激发态酮式构型相对稳定性。取代基降低了HBI基态和激发态分子内质子转移反应的能垒,但影响不大。电子吸收光谱的最大吸收峰和荧光光谱的最大发射峰主要源于前线分子轨道HOMO与LUMO之间的电子跃迁,芳环取代基增强了电子离域效应,使光谱的吸收峰和发射峰波长均有较大的红移。     

激发态下甘氨酸与水分子间氢键性质研究

在生物体中氨基酸通常以水作为溶剂,是形成细胞的重要成分.在该环境下,分子间氢键的产生会对氨基酸分子与水分子的结构和性质产生影响.为了研究其在基态和激发态下的性质,本文利用密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TD-DFT)对甘氨酸分子和H₂O分子在基态和激发态下的分子间氢键的静电势、键长、自然键轨道(NBO)电荷、分子中的原子理论(AIM)分析、Wiberg键级b、红外(IR)光谱、空穴-电子轨道和基态与激发态之间的电子转移进行了理论研究.结果表明：分子间氢键的形成会导致分子结构的改变和红外光谱振动频率的移动.在激发态下,分子间氢键有不同程度的增强或减弱.该计算结果为氢键的形成和激发态下分子间氢键的研究提供理论依据.     

邻硝基苯甲醛缩对乙酰基苯胺希夫碱的结构与光谱的理论研究

利用实验方法测定了标题化合物的紫外吸收光谱、荧光发射光谱和相对荧光量子产率,结果表明该化合物具有较强的荧光性质。采用密度泛函理论(density functional theory, DFT)中的杂化密度泛函B3LYP方法,在6-311G(d)基组水平上对该化合物基态分子构型进行了几何结构全优化,得到了其最稳定构型、总能量及HOMO与LUMO能级差。研究结果说明：分子具有较强的芳香性和较大的共轭体系。振动频率分析说明,标题分子优化后的结构稳定。将优化后的基态结构应用含时密度泛函理论(TD-DFT),在B3LYP/6-311G水平上计算并研究了此化合物的吸收光谱。用单激发组态相互作用(single-excitation configuration interaction, CIS)法优化了标题分子的激发态构型,并在此基础上用TD-DFT//B3LYP/6-311G方法计算了这种化合物的发射光谱。结果表明,理论计算的光谱数据与实验结果较吻合。     

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。     

水杨醛缩对乙酰基苯胺希夫碱的合成及其荧光性质的理论研究

以水杨醛和对乙酰基苯胺为原料,首次采用绿色环保的室温固相反应方法制备了水杨醛缩对乙酰基苯胺希夫碱,用元素分析和核磁共振氢谱对产物进行了表征。测定了产物的紫外光谱、荧光光谱和相对荧光量子效率,发现该化合物具有较强的荧光性质。利用密度泛函理论(density functional theory, DFT)方法,在B3LYP/6-311G基组水平上优化了该化合物的基态分子构型。采用相同的方法和基组计算了标题化合物的振动频率,频率数据中没有虚频,即该优化构型是稳定的。分析理论计算结果发现：标题分子具有较强的芳香性和较大共轭体系。在基态优化结构的基础上应用含时密度泛函理论(TD-DFT),在B3LYP/6-31G水平上计算并研究了此化合物的吸收光谱。用单激发组态相互作用(CIS)方法优化了标题分子的激发态构型,并在此基础上用TD-DFT//B3LYP/6-31G方法计算了这种化合物的荧光发射光谱。将理论计算的光谱性质与实验的光谱数据相比较发现二者吻合较好。分析探讨了化合物分子的结构与其荧光性质之间的关系,为进一步寻找具有荧光性质的化合物提供了理论指导。     

基于ESIPT机理检测Al3+荧光探针分子结构和电子光谱的理论研究

本文应用密度泛函理论（DFT）和含时密度泛函理论（TD-DFT）方法，研究了具有激发态分子内质子转移（ESIPT）特性的3-羟基黄酮（3HF）及其两种氰基和氨基取代衍生物（3HF-CY和3HF-AM）作为水溶液中Al3+离子检测的荧光探针分子结构和电子光谱性质. 计算得到了与ESIPT过程相关的键长、键角以及势能曲线，模拟计算了单独分子和分子@Al3+复合物的吸收和荧光光谱. 结果表明，氰基或氨基的引入均会抑制3HF的质子在基态（S0）或激发态（S1）的转移. 而从得到的吸收光谱可以看出，在3HF中引入吸电子基团氰基可以引起其吸收光谱的红移，而给电子基团氨基的引入则出现相反现象. 此外，与3HF-AM的荧光光谱相比，3HF-AM@Al3+复合物发生了75.88 nm的蓝移，由此推测3HF-AM与水中的Al3+反应后，在光激发下溶液荧光会由绿色转变为紫色，表明3HF-AM分子可以作为有效检测水中Al3+的荧光探针.     

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。     

基于荧光光谱和径向基函数神经网络的合成食品色素测定和鉴别

以合成食品色素胭脂红、苋菜红溶液为例,提出了应用荧光光谱结合径向基函数神经网络对合成食品色素溶液进行浓度测定和种类鉴别的方法。应用SP-2558多功能光谱测量系统,测得胭脂红和苋菜红溶液分别在波长为300和400 nm的光激发下产生的荧光光谱。对每个胭脂红溶液样本选取15个发射波长值所对应的荧光强度作为网络特征参数,训练、建立用于浓度预测的径向基函数神经网络。据此,对3种胭脂红溶液样本的浓度进行预测,预测结果相对误差分别为1.42%,1.44%和3.93%。另外,以胭脂红和苋菜红溶液荧光波长值所对应的荧光强度作为特征参数,训练、建立了用于种类鉴别的径向基函数神经网络,进行合成食品色素溶液种类识别,准确率达100%。这些结果表明,该方法方便、快捷、准确度较高,可应用于合成食品色素检测及食品安全监管。     

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.     

胭脂红荧光光谱机理研究

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 nm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—OH中的n电子的n→π*跃迁和奈环中的π电子的π→π*跃迁这两类跃迁而产生的,其中420 nm处的荧光峰是由n→π*跃迁产生的, 而530, 635和687 nm这3个波长处的荧光峰是由π→π*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。     

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。     

荧光光谱结合支持向量机测定食用色素纯度

采用一种由原点矩法改造所得的特征压缩算法对荧光光谱数据进行预处理,将处理后的数据与加权最小二乘支持向量机(WLS-SVM)算法结合,建立鲁棒回归模型,用以预测实际食用色素粉末的纯度。以亮蓝和胭脂红这2种色素为例论述该方法对实际食用色素粉末纯度的预测效果。首先,利用FLS920荧光光谱仪测量获得两种色素的标准样本和实际样本在最佳激发波长下的荧光发射光谱数据,利用由原点矩法改造所得的特征压缩算法对获取的荧光光谱数据进行压缩和变换,一方面缩短了算法的运算时间,另一方面也提高了模型的预测精度。将预处理后的荧光光谱数据输入加权最小二乘支持向量机中建立浓度预测模型,该模型对亮蓝、胭脂红实际样本溶液给出的预测光谱与它们的实测光谱吻合程度好,半高峰宽区间内的平均决定系数分别为0.662和0.931。所有亮蓝、胭脂红溶液的预测浓度和标称浓度之间具有良好的线性关系,相关系数分别为0.997和0.992。由此通过多项式拟合得到的亮蓝、胭脂红粉末的预测纯度分别为61.0%和72.3%。     

密度泛函理论研究吲哚并咔唑同分异构体结构,芳香性和光谱性质

在B3LPY/6-31G(d, p)基组水平上,利用密度泛函理论(DFT)优化了吲哚并咔唑五种同分异构体的几何和电子结构.基于这五种同分异构体的几何结构下,其吸收和发射光谱的研究使用相同的基组水平并采用极化连续介质模型(PCM)下用含时密度泛函理论(TD-DFT)计算.由于三种近似线性分子(吲哚并[2,3-a]咔唑、吲哚并[2,3-b]咔唑和吲哚并[3,2-b]咔唑)的电荷转移跃迁的振荡强度较大,这些异构体的发射光谱存在明显差异;基于吲哚并[2,3-c]咔唑和吲哚并[3,2-a]咔唑的构型特征,这两种同分异构体的发射谱具有高能量.比较计算结果表明,吲哚并[2,3-b]咔唑在这些分子中的振荡强度最大.这是因为当吲哚并咔唑的五种同分异构体的结构从基态变为激发态时,这些分子的分子轨道(MO)能级不同.由计算结果还得出,这五个分子适用于P型传输材料,并且每个分子的三个苯环均具有共轭效应.     

Fluorescence spectrum characteristic of ethanol--water excimer and mechanism of resonance energy transfer

The steady-state fluorescence spectrum characteristic of ethanol--water excimer has been studied in this paper. By analysing the features of the sharp emission spectrum with fine structures in a shortwave band and the characteristics of the broad and featureless fluorescence peaks in the longwave band, one can conclude that the excimers are formed between the new ethanol--water cluster molecules in the excited state and the ground state through the interaction among different chromophores. The excitation spectra in the two fluorescence bands have been studied, and their emission mechanisms have been ascertained based on the energy transfer theory. Furthermore, the critical distance of the resonance energy transfer has been calculated.