（检测技术与自动化装置专业论文）淀粉荧光光谱特性的研究.pdf

摘要 摘要 天然高分子接枝共聚物是天然高分子经引发剂引发成自由基后，再与具有 不饱和键的单体起连锁反应，接枝共聚形成的一种新型合成物。自由基是由于 分子在物理或化学因素作用下产生含有一个或一个以上的不配对电子，处于一 种不稳定的高能激发态。目前检测自由基含量的方法都不能随时检测反应过程 中自由基的含量，很难实现淀粉接枝共聚反应生产的自动控制。天然高分子接 枝共聚反应中产生的自由基具有发光特性，为实现淀粉接枝共聚反应的随时检 测监控及自动控制提供了条件。为实现这一目的，首先必须研究天然高分子接 枝共聚反应中自由基发光特性的理论。而最为基础的工作是研究天然高分子接 枝共聚的代表性物质淀粉的光谱特性。 本学位论文使用物理方法，用紫外光照射淀粉分子，使淀粉分子处于高能 激发态，利用分子荧光光谱法对淀粉自身荧光进行探讨，研究其光谱特性及发 光机理，通过实验首次得到了淀粉荧光光谱。为研究化学反应中自由基发光特 性理论提供实验和理论参考。淀粉是一种天然高分子化合物，不溶于水和一般 有机溶剂。因此实验分析都是对淀粉悬浮液进行分析。荧光光谱实验结果显示， 在2 3 0 n m 2 8 0 h m 紫外光照射下都能发射出荧光，荧光位于3 0 0 n m - 4 5 0 n m 问， 但荧光峰值波长随激发波长有所不同。在2 6 0 h m 2 8 0 n m 紫外光照射下，荧光峰 值波长都在3 3 9 n m 左右。我们还从理论上分析阐述了淀粉产生荧光的机理，提 出了淀粉分子吸收紫外激励光子引起环醚键c 一0 一c 的氧未共享电子产生 一一o 跃迁所致。 淀粉溶于二甲亚砜，但仍以微小颗粒存在于溶剂中。二甲亚砜含有双键， 对特定波段的紫外光有强烈地吸收，会干扰淀粉吸收光谱的测量更不利于淀粉 荧光的测量。淀粉在水中呈混浊状态，而吸收定律明确要求溶液的光学性质必 须是均匀的，溶液混浊的问题在光度分析法中不容忽视。因此以不同物质为溶 剂，对比吸收光谱实验结果，选择出更能反映淀粉吸收的吸收光谱图。根据淀 粉吸收光谱和荧光光谱，结合淀粉分子结构，对淀粉吸收光谱和荧光光谱的光 谱特性及其发光机理进行了讨论和分析。 淀粉分子含有多种官能团，含有多个羟基基团。为确定淀粉分子产生荧光 的基团，选择只含有某一官能团或与某官能团具有类似性的简单物质进行吸收 光谱和荧光光谱检测。低级饱和单元醇分子具有单一羟基基团，四氢呋喃分子、 四氢吡喃分子具有环氧结构，乙醚分子含有直链醚键。多种低级饱和单元醇已 被证实为荧光物质，本文通过实验研究首次证实四氢呋喃、四氢毗喃、乙醚也 都是荧光物质，但实验结果表明几种物质的波长吸收范围、吸光度值、荧光强 摘要 度都有很大的不同。将淀粉的吸收光谱、荧光光谱与这些简单分子的吸收光谱、 荧光光谱对比研究，进一步证实淀粉分子中环醚官能团是主要荧光基团。 四氢呋喃分子中仅有的官能团又与淀粉分子中主要荧光基团具有类似性， 同时四氢呋喃有着广泛地应用，有万能溶剂之称。因此本文研究了不同浓度四 氢呋喃在不同溶剂的荧光光谱特性，对定量研究淀粉荧光可提供一个参考，同 时也可对四氢呋喃的检测提供一个新的思路。 本文研究结果将为探索淀粉接枝共聚反应中自由基的产生、发光和消失的 特点及机理，确定自由基所发出的光的波长，用自由基发光强度的变化来衡量 反应中自由基相对含量的变化，提供理论和实验上的依据。 关键词：淀粉、单元醇、四氢呋喃、四氢吡喃、乙醚、吸收光谱、荧光光谱、 自由基、接枝共聚反应 l i 英文摘要 g r a f tc o p o l y m e ro fn a t u r a lp o l y m e ri sak i n do fs y n t h e t i c st h a tc o u l db e s y n t h e s i z e dt h r o u g hn a t u r a lp o l y m e r sa c t i v a t e dt ob ef r e e r a d i c a l sb yi n i t i a t o r c h a i n r e a c tw i t hu n s a t u r a t e dm o n o m e r s f r e er a d i c a li sag r o u po fo n eo rm o r et h a n o n eu n p a i r e de l e c t r o n ss t a y e dh i g he n e r g ye x c i t e ds t a t ew h i c hm o l e c u l ei n d u c e db y p h y s i c a l0 1c h e m i c a lf a c t o r sp r o d u c e t h e r ea r et w om a i nm e a n st od e t e c tc o n t e n to f f r e er a d i c a l sa tp r e s e n tt i m e b u tt h et w om e a n sc a n ta p p l yi nd e t e c t i n gc o n t e n to f f r e er a d i c a l si nt h er e a c t i o n a t a n yt i m e ，s o a u t o m a t i o no fs t a r c h 擘a f t c o p o l y m e r i z a t i o nc a n tr e a l i z e f r e er a d i c a l sp r o d u c e di n 蓼a f cc o p o l y m e r i z a t i o no f n a t u r a lh i g hp o l y m e ra r eo ft h el u m i n e s c e n c ec h a r a c t e r , w h i c hm a ym a k ei tr e a l i s t i c t oa c h i e v ed e t e c t i o n ，m o n i t o r i n ga n da u t o m a t i o no fs t a r c h 孕a f tc o p o l y m e r i z a t i o n t o a c h i e v et h i sp u r p o s e ，f i r s tt h em e c h a n i s mo fc h e m i l u m i n e s c e n c ep r o d u c i n gb yf r e e r a d i c a l si ng r a f tc o p o l y m e r i z a t i o no fn a t u r a lp o l y m e rm u s tb es t u d i e d h o w e v e r , t h e m o s tf u n d a m e n t a lw o r ki st os t u d yf l u o r e s c e n c es p e c t r ao fs t a r c hw h i c hi sa r e p r e s e n t a t i v es u b s t a n c eo fg r a f tc o p o l y m e ro fn a t u r a lp o l y m e r i n t h i sp a p e lf l u o r e s c e n c eo fs t a r c hi t s e l fe x c i t e db yu vl i g h tu s i n gm o l e c u l e f l u o r e s c e n ts p e c t r o s c o p yi ss t u d i e dt ol a yt h ef o u n d a t i o nf o rs t u d y i n gt h em e c h a n i s mo f c h e m i l u m i n e s c e n c ep r o d u c i n gb yf l e er a d i c a l s f o rt h ef i r s tt i m e ，f l u o r e s c e n c e s p e c t r ao fs t a r c ha r ed e t e c t e dt h r o u - g he x p e r i m e n t s s t a r c hd o e s n td i s s o l v ei nw a t e r a n dg e n e r a l o r g a n i cr e a g e n t s s oa l lo fe x p e r i m e n t a la n a l y s i si nt h i sp a p e ru s es t a r c h s u s p e n s i o na ss a m p l e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a ts t a r c h w a t e rs u s p e n s i o n e x c i t e db y2 3 0 n mt o2 8 0 n mu vl i g h tc a l le m i tf l u o r e s c e n c er a n g e df r o m3 0 0 r i mt o 4 5 0 r i mb u tp e a kw a v e l e n g t hv a r i e sw i t he x c i t i n gl i g h t w h e ne x c i t i n gl i g h ti s b e t w e e n2 6 0 r i ma n d2 8 0 r i m ，p e a kw a v e l e n g t hi sa l w a y sa b o u t3 3 9 u m f u r t h e r m o r e ， t h ep h y s i c a lm e c h a n i s m so ff l u o r e s c e n c ee m i s s i o no f s t a r c ha r ea n a l y z e da n d e x p o u n d e d i ti sc o n s i d e r e dt h a tt h i sf l u o r e s c e n c ec o m ef r o mt h et r a n s i t i o nf r o m n o n b o n d i n gn a m e l y ne l e c t r o n si nt h eh e t e r o a t o m ( 0 ) o ft h ef u n c t i o n a lg r o u p ( c 一0 一c ) c a l l e d e t h e rl i n k a g et ot h ea n t i b o n d i n go r b i t a l 盯。 s t a r c hd i s s o l v e si nd i m e t h y l s u l f o x i d eb u ts t i l le x i s t si ni ta sv e r yf i n eg r a n u l a t i o n d i m e t h y l s u l f o x i d eh a sd o u b l eb o n da n dh a ss t r o n ga b s o r p t i o no fs o m es p e c i f i e d b a n do fu vl i g h t ，w h i c hi sb a dt od e t e c ts t a r c h sa b s o r p t i o ns p e c t r aa n dw o r s tt o d e t e c ti t sf l u o r e s c e n c es p e c t r a s t a r c hi nw a t e rt a k e so nt u r b i ds t a t e b u ta b s o r p t i o n l a wn a m e l yb e e r - l a m b e r tl a wd e f i n i t ed e m a n dt h a to p t i c a lp r o p e r t i e so fs o l u t i o na r e h i 英文摘要 u n i f o r m t u r b i dp h e n o m e n o no fs o l u t i o nc a nn o tb ei g n o r e di ns p e c t m p h o t o m e t r y s oc o m p a r ea b s o r p t i o ns p e c t r ao fs t a r c hd i s s o l v e di nd i f f e r e n tr e a g e n ta n ds e l e c tt h e a b s o r p t i o ns p e c t r u mb e s tr e f l e c t i n gs t a r c h sa b s o r p t i o n a c c o r d i n gt oa b s o r p t i o n s p e c t r o g r a m so fs t a r c h ，f l u o r e s c e n c es p e c t r o g r a m so fs t a r c ha n dm o l e c u l a rs t r u c t u r e o fs t a r c h ，c h a r a c t e r i s t i c sa n dm e c h a n i s m so fs t a r c h s a b s o r p t i o ns p e c t r aa n d f l u o r e s c e n c es p e c t r aa r ed i s c u s s e da n da n a l y z e d s t a r c hm o l e c u l eh a ss e v e r a lk i n d so ff u n c t i o n a lg r o u p sa n daf e wh y d r o x y lg r o u p s i no r d e rt od e t e r m i n ew h i c hg r o u pe m i t st h ef l u o r e s c e n c es o m es i m p l es u b s t a n c e s w h o s em o l e c u l a rh a so n l yo n ek i n do ft h eg r o u p so rag r o u ps i m i l a rw i t ho n ek i n do f t h eg r o u p s l o wl e v e ls a t u r a t e dm o n o h y d r i ca l c o h o lm o l e c u l eh a so n l yo n eh y d r o x y l g r o u p a e t h e rm o l e c u l e h a sl i n e a rc h a i ne t h e rl i n k m o l e c u l a rs t r u c t u r e so f t e t r a h y d r o f u r a n ，t e t r a h y d r o p y r a na n d s t a r c ha r ea l le p o x y s e v e r a lk i n d so fl o wl e v e l s a t u r a t e dm o n o h r d r i ca l c o h o lh a v eb e e nv e r i f i e dt ob ef l u o r e s c e n ts u b s t a n c e s t h l - o l j i g he x p e r i m e n t s ，f u r t h ef i r s t t i m e ，w ev e r i f y t h a t t e t r a h y d r o f u r a n ， t e t r a h y d r o p y r a n ，a e t h e ra r ea l lf l u o r e s c e n ts u b s t a n c e s b u tt h e i ra b s o r p t i o nr a n g e ， a b s o r b a n c e ，f l u o r e s c e n c ei n t e n s i t yh a v eq u i t ed i f f e r e n t c o m p a r ea b s o r p t i o ns p e c t r a a n df l u o r e s c e n c es p e c t r ao fs t a r c hw i t h t h e i r s ，w ef u r t h e rv e r i f yc y c l i ce t h e r f u n c t i o n a lg r o u pi ns t a r c hm o l e c u l ei st h em a i nf l u o r o p h o r e t h eo n l yf u n c t i o n a lg r o u pi nt e t r a h y d r o f u r a nm o l e c u l ei ss i m i l a rw i t ht h em a i n f l u o r o p h o r ei n s t a r c hm o l e c u l e m e a n w h i l e ，i th a sw i d e l ya p p l i c a t i o na n dt h e r e p u t a t i o no fu n i v e r s a ls o l v e n t s oi n t h i sp a p e r , w ed e t a i l e d l ys t u d yf l u o r e s c e n c e s p e c t r a lc h a r a c t e r i s t i c so ft e t r a h y d r o f u r a nw i t hd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n si nd i f f e r e n t s o l v e n t s i tc o n t r i b u t e st oq u a n t i t a t i v e l ys t u d yf l u o r e s c e n c eo fs t a r c ha n dg i v e san e w i d e af o rd e t e c t i n gt e t r a h y d r o f u r a n t h er e s e a r c hr e s u l t sc o u l ds u p p l yt h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lp r o o ft os t u d yt h e c h a r a c t e r i s t i c sa n dm e c h a n i s m so ff r e er a d i c a l sc o m i n gi n t ob e i n g ，e m i t t i n ga n d d i s a p p e a r i n g ，t od e t e r m i n et h ew a v e l e n g t ho fl i g h te m i t t e db yf r e er a d i c a l s ，a n dt o c a l c u l a t ec h a n g eo fi t sr e l a t i v ec o n t e n tt h r o u g hm e a s u r i n gc h a n g eo fr e l a t i v e i n t e n s i t yo ft h ee m i t t e dl i g h t k e y w o r d ：s t a r c h ，m o n o h y d r i ca l c o h o l ，t e t r a h y d r o f u r a n ，t e t r a h y d r o p y r a n ，a e t h e r , a b s o r p t i o ns p e c t r u m ，f l u o r e s c e n c es p e c t r u m ，f r e er a d i c a l ，g r a f tc o p o l y m e r i z a t i o n 独创- 眭声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 本人为获得江南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：鱼垫塾日期：) 年乙月扣日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规 定：江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名：白整盍 导师签名： 日期：伽 江南大学 硕士论文 1 绪论 1 1 引言1 1 , 2 , 3 , 4 1 在有机分子结构鉴定方法上，一直有大体可分为两个阶段，即2 0 世纪中期 以前经典的化学分析方法和仪器( 光谱) 分析为主( 即物理学方法) 、化学手段为辅 的分析方法和2 0 世纪中期以后为以仪器( 光谱) 分析为主、经典化学方法为辅的 阶段。应用光谱方法快速可靠的特点，对及时鉴定反应产物的结构，了解反应 状况更是非常方便有效手段，成为研究化学反应、合成化学和探索反应机制的 得力工具。现在光谱方法在有机结构鉴定工作中的重要性已是人所公认的，但 绝不能忽视化学手段的辅助作用。在很多情况下，光谱方法只有巧妙地与化学 手段配合才能更好地发挥其威力。若将不同光谱所得信息联系起来，彼此配合， 相互论证，并注意结合化学方法，在有机化学研究中将会发挥重要作用【5 】。 2 0 世纪6 0 年代优质光源的突破激光的产生使得光子学得到迅速发展。 7 0 年代起光学技术也悄然崛起，这种渗透性极强的综合技术使得各种高精度、 自动化、信息化、数字化的光谱仪器涌现出来，为有机结构鉴定研究提供出了 强有力的支持，使得过去耗时、耗财的检测成为快速低成本的检测，使得过去 测不到的精度成为清晰可测的现实。从光子学的角度出发，我们给光谱定义了 一个新的概念，即光谱为光子入射后与某一运动状态的物质( 分子、原子) 相互 作用进行能量交换后信息的记录。 早在1 6 世纪人们就在矿物和植物油提液中观察到了荧光现象。2 0 世纪以 来，特别是近几十年，荧光现象在理论和实际应用方面都取得了很大进展，并 建立了荧光分析法。荧光分析法是以物质发射的荧光强度与浓度之间的线性关 系为依据进行的定量分析，以荧光光谱的形状和荧光峰对应的波长进行的定性 分析，这种利用荧光强度和波长进行的定量、定性分析方法称为荧光分析法或 荧光光谱法，简称荧光法。荧光分析法已广泛应用于生物、化学、医药、卫生、 农业、轻工、化工、冶金、地质以及环境保护等各个领域中，可以用荧光法鉴 定和测定的有机物、无机物、生物物质、药物等的数量与日俱增，具有灵敏度 高、选择性强、试样量少和方法简单等特点的一种很有用的分析手段，该法也 是化学工作者、生化工作者、药物和食品分析工作者所利用的重要分析手段之 一【6 ，1 。 按原子轨道线性组合成分子轨道( l c a o m o ) 法，分子轨道是由构成分 子的原子价壳层的原子轨道线性组合形成的。原子轨道和分子轨道都可以用电 1 绪论 子波函数描述。例如，两个相等的原子轨道和相互作用产生两个分子轨 道： ：铴嘞0 1 ) v 2 一吼一 7 其中一个分子轨道是成键的，它比原来的原子轨道更稳定，另外一个分子轨道 是反键的它比原来的原子轨道能量高。如图1 1 所示。 卜兮 图1 1 两个相等的原子轨道的相互作用 分子轨道主要分五类，分别为未成键电子n 轨道，成键电子z 和盯轨道， 反键电子z + 和盯+ 轨道。n 轨道是在含有杂原子的分子中，杂原子f 氧、氦、硫 及卤素等) 的未共用电子对在未成键轨道中，其不参与分子的成键体系，有自身 的独立轨道能量。 l j jl 玎 j l 石盯 盯 t ttt n 玎 n 。二 a n b o n d i n g 。r b i t 胁蛳蝴 图1 2 电子轨道能级示意图 将电子填充到分子轨道上可以得到分子的电子组态，将一个电子由低能轨 道转移到高能轨道所形成的状态成为电子激发态。我们用( n ，z + ) 、( 理，盯) 、( 石，z + ) 等来表征激发态，用n 一石、月一盯、万一等来表征电子跃迁。 由两个以上原子所组成的分子，其电子结构一般都很复杂，且核的转动和 振动也将对分子的能量有贡献。如果分子产生电子态之间的跃迁，那么还将伴 随发生振动态和转动态的变化，频率v ，般位于紫外或可见甚至红外区 ( 1 0 0 1 0 0 0 n m1 称为分子的电子光谱。 江南大学 硕士论文 1 2 分子荧光光谱法基本原理及荧光技术的发展h “钔 当一光子束入射到物质时，被入射物质的分子将吸收一部分入射光子的能 量，转变为分子的电子能、振动能或转动能量。使分子从原有的能级上跃迁到 较高的能级上，光谱上即出现吸收谱带记录形成吸收光谱。当分子从高能级回 落到低能级时，可能向外发射光子产生发射光谱记录。根据发射光子的特征不 同，分子发射光谱有荧光光谱和磷光光谱之分。通常条件下，分子处于单重态 的基态( 鼠，v = 0 ，= 0o 分子受到紫外至红外激励的光子入射作用后，分子得 到受激而引起电子能级的跃迁或振动和转动能级的跃迁，分子受激后，处于电 子激发的单重态( s ，岛) 的某种振动激发态v 0 ) 的分子( 见图1 3 ) 或通过内 部转换( i n t e r n a lc o n v e r s i o n ) 和振动弛豫( v i b r a t i o n a lr e l a x a t i o n ) 的非辐射方式落到 s ( v = 0 ) ，相继发射荧光光子，回到电子基态瓯( v = o ，1 ) 得到荧光光谱 v ，： 或通过激发单重态s ，和激发三重态互间的系间窜越( i n t e r s y s t e mc r o s s i n g ) 和振动弛 豫至正( v = o ) ，放出能量回到基态晶( v = 0 ，l ) 得到磷光光谱的光子 v ，。 s i n g l c te x c i t e d t r i p l e t e x c i t e ds t a t e 当 是 。j 。 l u t e r s y ! ” f。学”8 j + 一 - b s m v t i o 4 4 4 。怪蒸 l 严酒| | 岛 图13 光致发光系统部分能级图 分子吸收和发射光谱( 总称分子光谱) 的研究历史悠久，同时发展快速不断 衍生出多种新的分支、新的技术。常规的荧光分析方法由于受到拉曼峰和散射 光的背景干扰，影响到检测的灵敏度和选择性，因此新的荧光光谱分析技术方 法应运而生。同步荧光分析法具有谱图简化、选择性提高、光散射干扰减少等 特点，尤其适合对多组分混合物的分析。该法近几年得到迅速发展和广泛的应 1 绪论 用，出现了许多的新技术，如导数恒能量同步荧光法、导数恒基体强度同步荧 光法、斯波斯基( s h p o l s k i i ) 低温同步荧光法、偏振一同步荧光法、三维同步荧 光法和可变角同步荧光法等。该法已应用于多组分多环芳烃的定性定量分析， 药物分析，食品、蛋白质、氨基酸、石油产品分析等。 同步扫描技术与常用的荧光测定方法最大的区别是同时扫描激发和发射两 个单色器波长。由测得的荧光强度信号与对应的激发波长( 或发射波长) 构成 光谱图，称为同步荧光光谱。同步荧光法按光谱扫描方式的不同可分为恒( 固 定) 波长法、恒能量法、可变角法和恒基体法。恒波长同步荧光法系在扫描过 程中使激发波长和发射波长彼此保持固定的波长间隔( a 2 = 屯。一九。= 常数) 即通常所说的同步荧光法，是最早提出的一种同步扫描技术。在恒波长同步荧 光法中，五的选择十分重要，这将直接影响到同步荧光光谱的形状、带宽和信 号强度。在可能条件下，选择等于斯托克位移的 。导数技术能放大窄带灵敏 度、抵制宽带，将导数技术与同步荧光技术联用可使检测限更低，对各组分的 分辨更有效。已有报道用导数同步荧光光谱法直接测定尿样中的洛美沙星、痕 量氧氟沙星、盐酸环丙沙星等峭j 。 恒能量同步荧光光谱法在克服拉曼光、提高分析灵敏度方面均有显著效果， 具有其他同步荧光法所没有的独特优点。恒能量同步荧光法系在激发波长五，和 发射波长丸，的同时扫描过程中保持两者一恒定的能量差a v 关系。该法以荧光 体的量子振动路迁的特征能量为依据来进行同步扫描，若选择一固定能量差 a v 等于某一振动能量差，则在同步扫描中，当激发能量和发射能量刚好匹配 一特定吸收一发射跃迁条件时，该跃迁处于最佳条件，由此产生的同步光谱可达 最大强度。恒能量同步荧光法对于多环芳烃的鉴别和测定特别有利。恒能量同 步荧光法的光谱优点可以以定量形式表达并用选择扫描参数，从而为体系的参 数优化提供了便利。将导数技术和恒能量同步荧光技术联用，可更有效地对多 组分混合物中微量组分进行分析，提高灵敏度和选择性。导数恒能量同步荧光 分析法比导数恒波长荧光分析法有更大的优越性，用导数恒能量同步荧光光谱 法只需一次扫描就可达到导数同步荧光光谱法多次扫描的最佳效果。 可变角同步荧光法是在测绘同步光谱时，使激发和发射两个单色器以不同 的速率或方向同时扫描。该方法可分为线性与非线性两类：线性可变角同步荧 光法的扫描路径表现在等高线图中为一条不为4 5 。的直线；而非线性可变角同 步荧光法其扫描路径表现在等高线图中为折线或任意曲线。非线性可变角同步 荧光扫描时，不但要求激发、发射两个单色器能以不同的速率和不同的方向进 行扫描。该方法能使扫描路径方便地有选择性通过各点，因而获得极佳的光谱 分辨。恒基体同步荧光分析法也可被认为是非线性可变角同步荧光法的一种， 4 江南大学 硕士论文 其扫描路径在等高线图中表现为一曲线，巧妙的是该曲线是基体( 将干扰物视 为基体) 的等荧光强度线。该方法一般与导数技术联用，沿着等高线扫描，再 结合导数技术就可以消除基体的干扰。 除了同步荧光分析法外，还有出现许多新的荧光光谱分析新技术新方法。 荧光发射发生在吸光之后约1 0 n s ，在此时间内会发生许多时间差异的分子过程， 而这些过程会影响荧光化合物的光谱特征。据此建立的时间分辨荧光法和相分 辨荧光法，对于复杂的多组分荧光体混合物的分析和许多生物化学现象的研究 大有帮助。有机化合物常因荧光谱带宽阔、相互重叠而不易识别，自从发现在 适当溶剂中和低温条件下可呈现尖锐谱线的低温荧光法以及其后固体表面荧光 法的建立，这方面的工作大有改善。免疫分析用于生物样品的分析，以往多采 用放射免疫分析法。荧光免疫分析法既具有与放射免疫分析法同等的灵敏度， 又免除了放射性的防护问题，近年来不断发展，颇有取代放射免疫分析之势。 偏振荧光法可用以测量分子膜的微粘度和生物分子间的缔合反应等，对于生物 化学方面的研究工作颇有帮助。动力学分析法荧光检测手段结合而成的荧光动 力学分析法，可使测定的灵敏度进一步提高。 上述各种新的荧光分析方法的发展实倚赖于荧光分析仪器的改进，这两者 相互促进，相辅相成。氮分子、氩离子激光器及染料激光器等激发光源，激发 光的调制器、偏振器，同步与导数设备，高灵敏度快速响应的光电倍增管与光 二极管阵列等检测器以及电子计算机和光导纤维的采用，使荧光分析法蓬勃发 展。这些方法和技术的应用加速了各种新型荧光分析仪器的研制，使荧光分析 不断朝着高效、限量、微观和自动化方向发展，极大地提高了荧光分析法的灵 敏度、选择性和特异性，应用范围不断扩大。 发光分析法中荧光法应用最多，但尚不如紫外一可见光吸收分光光度法应 用广泛，这是因为许多物质本身是不会发生荧光的，荧光分析的应用也就受到 限制；另一方面荧光分析对环境因素极为敏感，如温度、酸度、溶解氧及污染 物等干扰都使该方法受到限制【6 1 。物质发射了荧光是否能检测到或被检测又被 广泛应用还是一个不确定的因素。众多的单纯有机物本身的光谱尚未完全被很 好的研究，因此改善此状况的重要工作是更全面地对一系列常用的有机溶剂的 荧光特性进行全面细致的研究，进而广泛的研究化合物性质与其结构关系，从 而合成或寻找出更多的优良荧光试剂以使本身不发荧光之物生成荧光性能良好 之物，并在相关测控和应用中起到良好的作用。分子光谱分析的发展趋势将是 在目前一系列新技术发展基础上各方法间联用或组合将使其功能更佳。光子应 用技术的发展也将进一步提高检测的范围和灵敏度，使得向自动化和实用性方 面发展。荧光光谱不仅用于样品分析和组分测定，还用于以下方面：有序介质 的微环境性质、分子自组织作用的探讨及胶束基本物化特性的考察；发光分子 l 绪论 在不同介质中的光物理或化学性质；多肽、蛋白质的结构( 构象) 及协力学性 质以及其相互之间或与药物分子之间的作用机理等等。因此，荧光光谱法在生 物无机化学等新兴领域的应用也日益扩大，所以分析化学与生命科学的结合和 应用是推动荧光光谱法发展的重要动力【7 1 。 不同的荧光分析方法具有不同的特点和优点，可用于不同物质的测定分析。 本学位论文采用常规荧光分析法结合紫外吸收光谱法对淀粉自身荧光进行探 讨，为研究自由基发光特性理论奠定基础。 1 3 淀粉研究现状 淀粉是一种高聚糖，是植物体主要成分之一，是人类可以取用的最丰富的 有机资源之一。在具有价廉、可再生、不枯竭的特点的同时，淀粉还具有优良 的可生物降解性，符合现代环境保护的要求。天然淀粉的可利用性取决于淀粉 颗粒的结构和淀粉中直链淀粉和支链淀粉的含量。不同种类的淀粉其分子结构 和直链淀粉、支链淀粉的含量都不相同，因此不同来源的淀粉原料具有不同的 可利用性。天然淀粉在现代工业中的应用，特别是在广泛采用新工艺、新技术、 新设备的情况下应用是有限的。大多数的天然淀粉都不具备有效的能被很好利 用的性能，为此根据淀粉的结构及理化性质开发了淀粉的变性技术【1 0 】。淀粉分 子具有很多羟基，在较为温和的条件下，有较高的反应性能，通过这些羟基的 醋化、醚化、氧化、交联等反应，能改变淀粉的性质，经物理、化学或生物等 方法转化为低分子量或高分子量的聚合材料，工业上便是利用这些化学反应生 产改性淀粉。 随着淀粉的用途越来越广泛( 如用于制作各种食品和淀粉工业) ，淀粉的 理化性质、遗传规律与其与面粉和食品品质的关系等越来越受到重视 1 1 , 1 2 , 1 3 】。 文献【l 综述了国内外关于淀粉的结构，淀粉的主要理化特性，淀粉的遗传及小 麦与面粉和食品品质的关系等方面的研究结果，提出把淀粉性状的研究和利用 作为我国小麦品质育种的主要目标之一。变性淀粉产品在工业上广泛应用于粘 合剂、造纸、食品、纺织、水处理、树脂、橡胶、石油、医药等。文献 1 4 , 1 5 , 1 6 , 1 7 】 较全面地综述了变性淀粉的种类及其在工业中应用情况，概述了变性淀粉在同 办研究现状并分析了变性淀粉未来发展趋势。颗粒状冷水可溶性淀粉 1 8 , 1 9 , 2 0 是 国外近些年研制出的新型变性淀粉，是经化学试剂进行物理变性生产出来的。 文献【2 0 j 综述了制备颗粒状冷水可溶淀粉的方法和生产工艺，介绍了颗粒状冷水 可溶性淀粉的各种特性及应用，阐明了颗粒状冷水可溶性淀粉的广阔发展前景。 接枝淀粉是第三代变性淀粉，是近年来发展较快的技术含量高、性能优异的变 性淀粉。它既有天然高分子淀粉的特性，又有合成高分子的单体特性。它是用 江南大学硕士论文 化学方法首先在淀粉的大分子产生自由基，然后链接上高分子聚合物，形成支 链。有关天然高分子引发成自由基的方法、引发剂的开发、接枝共聚反应规律 等方面的报道较多，也有少量有关天然高分子接枝共聚物应用研究的报告 2 1 1 。 无论是国内还是国外，还都未建立一种简单易行的检测天然高分子接枝共聚反 应体系中反应进行程度的方法和体系，而对天然高分子接技共聚反应规律的研 究手段还主要局限于通过接枝共聚反应产物分析来研究其动力学过程，这样既 费时，又费力，多少阻碍了天然高分子接枝共聚反应的进一步研究，也不利于 实现天然高分子接枝共聚反应的自动控制。 制备天然高分子接枝共聚物的关键是首先引发高分子成自由基，因此引发 剂引发高分子成自由基的能力检测和随时检测反应体系中自由基的含量，研究 接枝反应中自由基产生、传递和消失的规律，控制反应进行的程度是制备天然 高分子接枝共聚物的关键。 目前检测自由基含量的方法主要有两种：一是利用自由基含有不配对电子 具有顺磁性，即利用电子顺磁共振仪( e p r ) 检测自由基的绝对含量；另一种 方法是通过检测自由基的反应产物量来测定其相对含量。前者方法可靠，并可 定量，但需要价格昂贵的电子顺磁共振仪，研究检测难以随时进行。这对实现 天然高分子接枝共聚物生产过程中随时检测自由基含量，了解和控制反应程度， 实现生产自动控制不利；而通过检测接枝共聚反应后产物生成量来测定反应过 程中自由基含量更是步聚复杂，也不能随时得到反应体系中自由基的瞬问含量， 同样很难实现淀粉接枝共聚反应生产的自动控制。 自由基是由于分子在物理或化学因素作用下产生含有一个或一个以上的不 配对电子，处于一种不稳定的高能级激发态。当这些电子从高能级激发态向基 态跃迁时，能发出光子而发光。自由基释放出光子的数量与自由基的多少成正 相关 2 2 , 2 3 】。基于此，以某一时刻的发光强度或发光总量来确定自由基体系中对 应的自由基相对含量便成为一种可能，同样可以根据体系发光强度的变化来衡 量相对应的自由基变化的情况。这便有利于实现对天然高分子接枝反应的随时 检测和监控。天然高分子接枝共聚反应中产生的自由基具有发光特性【2 4 】，为实 现淀粉接枝共聚反应的随时检测监控及自动控制提供了条件。 现代分析技术的发展，特别是计算机技术的大量应用，使分析仪器的功能、 精度不断提高、应用领域日益扩大，为淀粉研究创造了良好的条件。红外光谱、 紫外一可见光光谱、色谱分析法、核磁共振波谱法、x 射线衍射法都己应用到 淀粉( 包括其各种水解产物和化学衍生物) 的研究中【i 。文献【2 5 j 报道淀粉及其 衍生物室温下的固体基质室温磷光光谱，可为淀粉研究提供信息分辨。 为实现淀粉接枝共聚反应的随时检测监控及自动控制，以反应中产生的自 由基具有发光特性为着眼点进行研究。研究淀粉悬浮液在紫外激励下产生的荧 l 绪论 光光谱及其特性，是最为基础性的工作。该研究结果可对淀粉接枝共聚反应中 自由基的产生、发光和消失的特点及机理的探索提供理论和实验上的参考。 1 4 本文的主要研究工作 天然高分子接枝共聚反应中产生的自由基是在化学因素作用下产生的。本 学位论文使用物理方法，研究淀粉分子在紫外光照射下的吸收光谱和荧光光谱。 通过实验首次得到了淀粉荧光光谱，研究了淀粉荧光光谱特性，并从理论上阐 述了荧光产生的机理。本文的研究工作为研究化学反应中自由基发光特性理论、 确定自由基所发出的光的波长、自由基发光强度的变化来衡量反应中自由基相 对含量的变化，提供实验和理论参考。本文是在国家自然科学基金项目( 批准号： 2 0 2 7 6 0 2 7 ) 资助下完成的，全文也是该基金项目中最基础性的一部分工作，主要 从以下几章节来介绍我们的工作内容。 第1 章简单介绍了分子荧光光谱基本原理及应用和研究淀粉荧光光谱的意 义。接枝淀粉在工业上有着广泛地应用，淀粉接枝共聚反应中产生的 自由基具有发光的特性，为实现淀粉接枝共聚反应的随时检测监控及 自动控制提供了条件。研究淀粉荧光光谱及其特性，可对淀粉接枝共 聚反应中自由基的产生、发光和消失的特点及机理的探索提供理论和 实验上的参考。 第2 章简单介绍了淀粉的物理化学性质和本文研究过程中所用到的几种光谱 研究仪器。 第3 章淀粉不溶于水和一般有机溶剂，在水中呈混浊状态，溶于二甲亚砜， 但仍是以微小颗粒存在二甲亚砜溶液中。二甲亚砜含有双键，对某波 段紫外光有强烈地吸收，不利于淀粉吸收光谱的测量，更不利于淀粉 荧光光谱的测量。本章以不同物质为溶剂，测定淀粉悬浮液的吸收光 谱，对比研究所得实验结果，选择出更能反映淀粉吸收的光谱。测定 了淀粉悬浮夜紫外光激励下的荧光光谱。根据淀粉吸收光谱和荧光光 谱，结合淀粉分子结构式，研究了淀粉荧光光谱特性，初步推断淀粉 分子产生荧光的机理。 第4 章根据淀粉的分子结构式，选择与淀粉分子某一官能团相类似的简单分 子( 低级饱和单元醇、四氢呋喃、四氢吡喃、