全 文 ：第 28 卷　第 11 期 光　学　学　报 Vol.28 , No.11
2008 年 11 月 ACTA OPTICA SINICA November , 2008
文章编号:0253-2239(2008)11-2237-06
苋菜红与胭脂红荧光光谱的比较分析
史爱敏1 　朱　拓2 　顾恩东1 　张银志3 　刘周忆1
1 江南大学通信与控制工程学院 , 江苏 无锡 214122;2 江南大学理学院 , 江苏 无锡 214122
3 江南大学食品科学与技术国家重点实验室 , 江苏 无锡 214122
摘要　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
这四种荧光团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
应于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。
关键词　荧光光谱;荧光团;荧光峰;苋菜红;胭脂红
中图分类号　O657.39　　　文献标识码　A　　　doi:10.3788/AOS20082811.2237
Study on Fluorescent Spectra of Amaranth and Ponceau 4R
Shi Aimin
1　Zhu Tuo2　Gu Endong1　Zhang Yinzhi3　Liu Zhouyi1
1School of Communication and Control Engineering , Southern Yangtze University , Wuxi , Jiangsu 214122 , China
2School of Science , Southern Yangtze University , Wuxi , Jiangsu 214122 , China
3State Key Laboratory of Food Science and Technology , Southern Yangtze University , Wuxi , Jiangshu 214122 , China
Abstract　The fluorescent spectra of amaranth and ponceau-4R have been measured by a fluorescence
spectrophotometer.The result shows that ponceau 4R excited at 220～ 400 nm has four obvious fluorescence peaks at
420 nm , 530 nm , 635 nm and 637 nm respectively.Under the same condition, amaranth excited at 220～ 430 nm has
only one obvious fluorescent peak at 654 nm.I t is considered that the ponceau-4R′s four obvious fluorescence peaks
are resulted from four fluorescent clusters.In order to find the sensitivity of every fluorescent cluster when excited
by different-wavelength light , and the relation between the two pigments, the intensity of fluorescent peaks was
calculated by matrix operation based on the principle of additive property of fluorescent intensity.The fluorescent
peak of amaranth is found to be homologous to the third fluorescent peak of ponceau 4R.Based on this, the influence
of four fluorescent clusters on two pigments′fluorescent spectra was discussed.The origin of different fluorescence
spectra was studied from the difference in the structure.
Key words　fluorescent spectra;fluorescent cluster;fluorescent peak;amaranth;ponceau 4R
　　收稿日期:2008-01-14;收到修改稿日期:2008-04-03
基金项目:国家自然科学基金(20671044)资助课题。
作者简介:史爱敏(1978-), 女 ,硕士研究生 , 主要从事食品色素荧光光谱方面的研究。E-mail:ss.08@163.com
导师简介:朱　拓(1957-), 教授 ,博士生导师 , 主要从事现代光学的研究与教学工作。
E-mail:Tzhu@jiangnan.edu.cn(通信联系人)
1　引　　言
人们喜欢向食品中添加色素 ,使其色泽更诱人 。
研究报告指出 ,几乎所有的合成色素都不能向人体
提供营养物质 ,某些合成色素甚至会危害人体健康 。
因此近年来国内外关于食用合成色素的研究越
来越多 ,目前报道的食品色素测量方法有分光光度
法 、紫外-可见吸收光谱法 、微柱法 、极谱法 、高效液
相色谱法(HPLC)等。如刘慧等利用连续波长紫外
分光光度法对合成食用色素混合体系同时定量测
定 ,准确度较高 ,相对误差在 2.60%内[ 1] 。任艳平
等利用单一底液连续直接测定色素的示波极谱法对
饮料中苋菜红 、日落黄 、柠檬黄 、胭脂红 、亮蓝和糖精
钠进行回收率试验和平行试验 , 结果回收率在
96%～ 103%之间 ,标准曲线的相关系数在 0.9993 ～
光　　　学　　　学　　　报 28 卷
0.9998之间[ 2] 。
但这些研究多为对食用色素进行简单的定量测
量上 ,而对于涉及色素分子结构的光谱特性 ,尤其是
荧光光谱方面的研究却很少见 。如何在保证食品色
泽艳丽的同时更保证食品的安全质量 ,需要深入研
究色素的性质及生理功能 ,因此必须进一步研究其
内部结构 。
本文研究了在食品中最常使用的苋菜红和胭脂
红这两种色素的荧光光谱 ,分析了其荧光光谱的特
性 ,同时对这两种色素中可以发射荧光的荧光团的荧
光强度进行了数学计算。胭脂红和苋菜红色素均是
食品中最常使用的食用合成色素 ,国家标准对它们在
食品中的使用剂量以及使用范围都有严格规定。
2　实验准备和方法
2.1　实验装置
采用美国 Roper Scientific公司的 SP-2558多功
能光谱测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 1200 line/mm 的
闪耀光栅(闪耀波长为 300 nm),发射单色仪中用
150 line/mm 的光栅(闪耀波长为500 nm)。装置如
图 1所示 。
图 1 实验装置图
F ig.1 Expe rimental setup
2.2　试剂
实验中使用苋菜红和胭脂红为国家标准物质中
心生产标准物质 ,浓度均为 0.5 mg/ml。
2.3　实验方法
使用美国 Roper Scientific 公司的 SP-2558 多
功能光谱测量系统 ,具体方法是 ,将试样盛于本身激
发不出荧光的石英比色皿中 ,置于光谱测量系统样
品室中 ,由氙灯通过激发单色仪获得所选定的不同
波长激发光 ,每隔 10 nm 照射一次 ,激励试样 ,产生
的荧光通过发射单色仪由 CCD采集 ,扫描时间为
10 s ,实时输入计算机 ,测得光谱图 。
3　实验结果
3.1　苋菜红标准溶液的荧光光谱
苋菜红分子具有共轭结构 ,存在共轭的 π※π＊
跃迁[ 3 , 4] ,同时具有平面刚性结构 ,预示着其可能具
有较好的荧光性能[ 5 , 6] 。实验测得的荧光光谱如
图 2所示。可以看出 ,在 220 ～ 330 nm 激发光波长
下 ,苋菜红标准水溶液的荧光相对强度比较小 ,变化
也较缓慢 ,峰值比较模糊 ,没有明显的波峰 。而随着
激励光波长的增大 ,在 330 nm 激发光以后 ,荧光相
对强度增强比较快 , 出现了明显的荧光峰 , 在
360 nm激发光波长 ,荧光相对强度达到最大 ,且荧
光峰中心波长基本保持不变 ,一直在 654 nm 附近。
不同激发光对应荧光峰相对强度列于表 1中。
图 2 不同激发光波长苋菜红标准溶液荧光光谱
Fig.2 Fluo rescence spectra o f amaranth excited
by diffe rent-wave length light
表 1 苋菜红不同激发光波长对应荧光峰荧光相对强度
Table 1 Intensities of the fluo rescent o f amaranth peaks excited by different-waveleng th light
Exciting light / nm 340 350 360 370 380 390 400 410 420 430
Intensity /(a.u.) 81 311 492 491 491 491 449 377 311 233
3.2　胭脂红溶液荧光光谱图
如图 3所示 ,胭脂红具有四个明显的荧光峰 ,分
别在 420 nm ,530 nm ,635 nm ,687 nm 波长处。这四
个荧光峰在不同激发光激励下的荧光相对强度列于
表 2中 。比较图 2和图 3 ,可以清楚的看出这两种物
质的荧光光谱差异显著 ,苋菜红只有一个明显的荧光
峰 ,而胭脂红却有四个明显的荧光峰 ,利用此差异 ,可
以很方便地区分这两种色素物质。
2238
11 期 史爱敏等:　苋菜红与胭脂红荧光光谱的比较分析
表 2 胭脂红各荧光峰对应不同激发光波长荧光相对强度
Table 2 Intensities of fluo rescent spectral peaks excited by different-w aveleng th light of ponceau 4R
Exciting wavelength / nm 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330
420 nm relative intensity 102 206 229 168 102 77 69 69 79 97 113 96
Exciting wavelength / nm 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330
530 nm relative intensity 136 198 226 207 203 215 199 159 130 111 99 86
Exciting wavelength / nm 310 320 330 340 350 360 370 380 390 400
635 nm relative intensity 136 198 226 207 203 215 199 159 130 111
Exciting wavelength / nm 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320
687 nm relative intensity 150 236 306 382 500 546 462 303 189 125 86
图 3 不同激发光波长激发的胭脂红标准
溶液荧光光谱
Fig.3 F luo rescence spectra of ponceau 4R excited by
different-wavelength light
图 4 胭脂红结构式
Fig.4 Structural formula of ponceau 4R
4　结果分析与讨论
4.1　分析
胭脂红与苋菜红的分子结构式分别如图 4 和
图5所示。从结构式可以看出 ,两者的明显区别只是
-SO3Na的取代位置不同 ,因此荧光光谱的差异主要
就是由-SO3Na引起的 ,在胭脂红分子中 , -SO3Na
与-OH 处于萘环的对位 ,增强了胭脂红分子的共轭
程度 ,其原子处在同一平面上 ,萘基虽然能在平面外
振动 ,但电子振荡完全在该平面 ,不能引起横的振动 ,
因此胭脂红具有强的吸光能力 ,并发出强荧光;而苋
菜红分子中 , -SO3Na 与-OH 在萘环上为临位取
代 ,其共轭程度没有胭脂红高 ,其原子不在同一平面 ,
容易发生偶合作用并将能量用在振动上[ 6] ,因此荧光
相对于胭脂红较弱 。
图 5 苋菜红结构式
Fig.5 Structural fo rmula of amaranth
胭脂红可以产生四个明显的荧光峰 ,根据荧光发
射的条件分析 ,胭脂红溶液中应有能够发射荧光的荧
光团 ,而一种荧光团的荧光光谱一般只有一个荧光
峰[ 7 ～ 11] ,因此胭脂红溶液中应有四种可以发射荧光的
荧光团 。苋菜红是胭脂红的同份异构体 ,具有和胭脂
红一样的取代基团 ,因此认为苋菜红中也应象胭脂红
一样有四种可以发射荧光的荧光团 。但从两者的荧
光光谱图上 ,很难发现两者之间的联系 。且胭脂红的
四个荧光峰相互干扰 ,也很难对不同荧光团进行区
分。虽然由于不同发光结构的叠加 ,实验观测到的光
谱峰值位置有可能并不对应每个荧光团的峰值 ,但每
个荧光峰都是四个荧光团共同影响下的结果 ,在相互
竞争的过程中 ,总有一个处于优势地位 ,从而使得这
个荧光峰能大体反映出处于优势地位的荧光团的性
质。由此 ,利用荧光强度加和性原则[ 12 , 13] ,对各荧光
峰处的荧光强度进行了数学计算 ,以期能够了解各荧
光团的发光性质。
4.2　基本公式
荧光物质稀溶液的荧光强度 I 与其荧光量子产
率 及该入射光强度 I0 相关[ 14 , 15] :
I = I0εc , (1)
式中ε为该物质的摩尔吸光系数 , c为物质的浓度。
4.3　胭脂红中四个荧光峰荧光强度讨论
根据(1)式 ,胭脂红溶液的总荧光强度为
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光　　　学　　　学　　　报 28 卷
I =
I1
I2
I3
I4
=
1 I0ε1 c1
2 I0ε2 c2
3 I0ε3 c3
4 I0ε4 c4
, (2)
式中 1 、 2 、 3 、 4 为胭脂红溶液中四个荧光峰的荧光
量子效率 , c1 、c2 、c3 、c4 为荧光发射基团的含量 ,ε1 、ε2 、
ε3 、ε4为荧光发射基团摩尔吸光系数。
为保证荧光谱有最大信号强度响应且稳定 ,即
分别选取能够产生最大荧光强度的激发波长作为参
考点 ,对各荧光峰荧光强度进行表征 ,由于胭脂红
420 nm和 530 nm 处的荧光峰在 240 nm 激励下荧
光相对强度达到最大 , 我们另选取一激发波长
320 nm为参考点 , 即分别选取激发波长 240 nm ,
270 nm , 320 nm , 370 nm 为参考点 ,对四个荧光峰
值处的荧光强度进行表示 , 以荧光中心波长在
420 nm处的第一个荧光峰为例 ,其发射荧光主要是
由于吸收 240 nm 的激发光所致 ,同时也有一部分
是吸收了波长为 270 nm , 320 nm 和 370 nm 的激发
光引起的 ,用 2401 , 2701 , 3201 , 3701 分别表示其吸收这
四种入射光从而发射荧光的量子产率 ,同理 ,其他的
三个荧光峰也根据此原则 ,从(2)式可以得出
I =
I4201
I
530
2
I6353
I
687
4
=
2401 I0ε2401 c1 2701 I 0ε2701 c1 3201 I0ε3201 c1 3701 I0ε3701 c1
2402 I0ε2402 c2 2702 I 0ε2702 c2 3202 I0ε3202 c2 3702 I0ε3702 c2
2403 I0ε2403 c3 2703 I 0ε2703 c3 3203 I0ε3203 c3 3703 I0ε3703 c3
2404 I0ε2404 c4 2704 I 0ε2704 c4 3204 I0ε3204 c4 3704 I0ε3704 c4
=
I 0
2401 2701 3201 3701
2402 2702 3202 3702
2403 2703 3203 3703
2404 2704 3204 3204
ε2401 c1 ε2402 c2 ε2403 c3 ε2404 c4
ε2701 c1 ε2702 c2 ε2703 c3 ε2704 c4
ε3201 c1 ε3202 c2 ε3203 c3 ε3204 c4
ε3701 c1 ε3702 c2 ε3703 c3 ε3704 c4
. (3)
　　然而 ,从图 3可以看出 ,第一个荧光峰在 370 nm 激发光下 ,荧光效率为零 ,而从谱峰的相对强度可以看
出 ,吸收 240 nm 激发光产生的量子效率最大 ,吸收 270 nm 和 320 nm 激发光产生的荧光量子效率分别为吸
收 240 nm激发光产生量子效率的 1/3和 1/2。其它的三个荧光峰也根据这种方法计算 ,得出
I =I 0
2401 2701 3201 0
2402 2702 3202 0
0 0 3203 3703
2404 2704 0 0
ε2401 c1 ε2402 c2 ε2403 c3 ε2404 c4
ε2701 c1 ε2702 c2 ε2703 c3 ε2704 c4
ε3201 c1 ε3202 c2 ε3203 c3 ε3204 c4
ε3701 c1 ε3702 c2 ε3703 c3 ε3704 c4
, (4)
I =I 0
2401 2401 /3 2401 /2 0
2402 2402 2402 /2 0
0 0 3703 /3 3703
2704 /2 2704 0 0
ε2401 c1 ε2402 c2 ε2403 c3 ε2404 c4
ε2701 c1 ε2702 c2 ε2703 c3 ε2704 c4
ε3201 c1 ε3202 c2 ε3203 c3 ε3204 c4
ε3701 c1 ε3702 c2 ε3703 c3 ε3704 c4
, (5)
则各荧光峰处的荧光强度分别为
I4201 =6I0 2401 c1 6 1 1 0
ε2401
ε2701
ε3201
ε3701
, (6)
I5302 =2I0 2402 c2 2 1 1 0
ε2402
ε2702
ε3202
ε3702
, (7)
I
635
3 =5I 0 3703 c3 0 0 1 5
ε2403
ε2703
ε3203
ε3703
, (8)
I
687
4 =2I 0 2704 c4 1 2 0 0
ε2404
ε2704
ε3204
ε3704
. (9)
　　可以看出 ,胭脂红中的四个荧光峰对不同的入
射光敏感程度不同 ,第一 、二个荧光峰主要是吸收
2240
11 期 史爱敏等:　苋菜红与胭脂红荧光光谱的比较分析
240 nm 的入射光从而引起荧光发射的 ,第三个荧光
峰对 370 nm 入射光最为敏感 ,在 370 nm 的入射光
激发下 ,荧光效率最大;第四种荧光峰在 270 nm 激
发光下 ,荧光效率最大。
4.4　苋菜红中荧光峰荧光强度讨论
为了更好地与胭脂红相对比 ,仍旧选取 240 nm ,
270 nm ,320 nm , 370 nm 四个激发波长为参考点 ,
计算苋菜红 654 nm处荧光峰的荧光强度
I 654 =I0c3 240 270 320 370
ε240
ε270
ε320
ε370
=
I0c3
1
10
370 1
10
370 1
5
370 370
ε240
ε270
ε320
ε370
.
所以 I654 =10I0 370c3 1 1 2 10
ε240
ε270
ε320
ε370
.(10)
　　与(6)式 、(7)式 、(8)式 、(9)式比较 ,可以发现 ,
(10)式和(8)式比较接近 ,两者都是主要吸收 370 nm
左右的入射光 ,对 370 nm 左右的入射光比较敏感 ,
且都是吸收320 nm 入射光荧光量子产率的5倍 ,苋
菜红虽然也吸收 240 nm 和 270 nm 的入射光 ,但其
吸收很少 ,荧光量子产率很低 ,荧光峰不明显 。这些
特征都跟胭脂红中第三个荧光峰很接近 ,也就是说 ,
苋菜红处于优势的荧光团和胭脂红中第三个荧光峰
中处于优势影响地位的荧光团一样 。因苋菜红只能
观察到这一个荧光峰 ,也可以看出 ,第三种荧光团应
该对这两种物质的荧光光谱性质影响最大。由于实
验试剂均为水溶液 ,水分子作为氢键给予体 ,可以取
代溶质分子的孤对电子形成氢键 ,会使的溶质分子
的共轭程度减小 ,抑制了荧光的发射[ 16 , 17] 。在苋菜
红中 ,其他三种荧光团的荧光特性都不明显 ,而只显
示出荧光特性最强的第三种荧光体的荧光特性 ,这
可能是由于其他三种荧光团与水分子形成氢键的能
力较强 ,从而减小了荧光团的荧光量子产率 ,而第三
种荧光团对于氢键作用应该是比较不敏感 ,从而使
其的荧光特性比较明显。
5　结　　论
通过对胭脂红和苋菜红这两种合成色素荧光光
谱的分析与计算 ,从微观机理上对这两种色素产生
不同荧光光谱的原因进行了分析 。认为胭脂红有四
个荧光峰是由于其具有四个可以发射荧光的荧光
团 ,同时对胭脂红和苋菜红各荧光峰的荧光强度进
行了数学计算;两者进行比较后分析认为 ,苋菜红的
荧光峰对应于胭脂红的第三个荧光峰 ,从而对四种
荧光团的性质进行了初步研究。
参 考 文 献
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