离子液体荧光光谱及其应用

物质能够产生荧光一般需要具备两个基本条件：一是物质的分子具有能吸收激发光的结构，如共轭双键结构；二是该分子必须具有一定程度的荧光量子产率。分子结构是影响物质发射荧光和荧光强度的重要因素，至少具有一个芳环或具有多个共轭双键的有机化合物容易产生荧光[1]。在第二、第四章的核酸、蛋白质的萃取分离实验中，合成了三种疏水性的离子液体BmimPF6、BBimPF6、BtmsimPF6，其分子结构式如图4-1所示。

从合成的离子液体的分子结构可以看出，离子液体的咪唑阳离子由于具有两个吸电子的烷基侧链，使咪唑的N—C—N键的电子均匀分布于三个原子上，从而形成具有一定共轭结构的咪唑阳离子。因此，从分子结构上看以上三种离子液体具有产生荧光的共轭结构，从而可能产生荧光。

6.3.1.1　BmimPF6的荧光发射光谱

实验中测定了激发波长在240～340nm范围内BmimPF6饱和水溶液的发射光谱，如图6-1所示，激发和发射狭缝宽度均为10nm，灯电压为500V。从图6-1（a）可以看出，当激发波长小于280nm时，离子液体BmimPF6分别在波长350nm和420nm处有明显的荧光。随着激发波长靠近280nm，离子液体在350nm和420nm波长处的荧光强度均增大，而且最大发射波长似乎发生红移，原因可能是离子液体的两个发射光谱波长相近，其光谱发生重叠，叠加后的光谱强度由350nm处的发射荧光强度主导，看似最大发射波长发生红移。从图6-1（b）可以看出，随着激发波长靠近330nm，350nm处的发射荧光逐渐消失，而420nm处的荧光强度逐渐增强并占据主导地位，同时在420nm处的最大发射波长好像也发生红移，原因是离子液体的共振散射光与发射荧光的波长太近，其光谱发生重叠，叠加后的光谱看似发生红移。

图6-1　离子液体BmimPF6的荧光光谱

以上结果表明，离子液体BmimPF6在不同的激发波长下，在350nm和420nm波长处都有荧光。为了证实离子液体的荧光与结构的关系，实验中测定了不同激发波长时甲基咪唑的发射荧光光谱，如图6-2所示，甲基咪唑浓度为3.0μg/μL，离子液体饱和水溶液浓度为18μg/μL，激发和发射狭缝宽度均为10nm，灯电压为500V。当以270nm和340nm波长的激发光激发时，甲基咪唑（Mim）分别在350nm和420nm处有明显的荧光，这两处荧光为甲基咪唑分子中的键和键的荧光；而当甲基咪唑转变成离子液体BmimPF6后，离子液体在350nm处的荧光强度没有发生变化，而在420nm处的荧光强度明显增大，这主要是由于在离子液体中键还存在，而键转变为N—C—N共轭体系，其共轭程度比键大，荧光量子产率高，荧光强度明显增大，因此可推断离子液体在350nm处的应为咪唑阳离子中键的荧光，而420nm处的应为N—C—N共轭体系的荧光。

图6-2　甲基咪唑与离子液体BmimPF6的荧光光谱

6.3.1.2　BBimPF6的荧光发射光谱

离子液体BBimPF6饱和水溶液在不同激发波长（280～350nm）下的荧光发射光谱如图6-3所示，激发和发射狭缝宽度10nm，灯电压500V。当激发波长小于340nm时，随着激发波长的增大，离子液体在420nm附近的发射光谱强度显著增强；而当激发波长大于340nm后，其发射光谱强度明显降低。因此当激发波长为340nm时，离子液体在波长420nm附近的荧光发射强度最大。同时测定在发射波长为420nm时，离子液体BBimPF6的最大激发波长为344nm。因此当激发波长为350nm时，远离最大激发波长，因此荧光发射强度降低。

6.3.1.3　BtmsimPF6的荧光发射光谱

BtmsimPF6饱和水溶液在激发波长从280～350nm范围内的发射光谱如图6-4所示，激发和发射狭缝宽度10nm，灯电压500V。

图6-3　离子液体BBimPF6的荧光发射光谱

1—280nm　2—290nm　3—300nm　4—310nm　5—320nm　6—330nm　7—340nm

图6-4　离子液体BtmsimPF6的荧光发射光谱

1—280nm　2—290nm　3—300nm　4—310nm　5—320nm　6—330nm　7—340nm

从图中可以看出，离子液体BtmsimPF6的荧光发射光谱与BBimPF6变化规律相同。当激发波长为340nm时，在420nm波长处有最大发射荧光强度，但其荧光强度略小于离子液体BBimPF6。这可能部分归因于实验测定的是饱和离子液体水溶液的荧光发射强度，BtmsimPF6在水中的溶解度小于BBimPF6，因此其荧光强度也有所降低。

6.3.1.4　BBimCl的荧光发射光谱

前述三种阴离子为的离子液体均为疏水性的，而且在水中的溶解度较低。因此，合成了具有相同咪唑阳离子结构的亲水性离子液体BBimCl，并考察其荧光发射情况。

将10μL的BBimCl某离子液体溶解在3mL的二次去离子水中，得到浓度为4.0μg/μL的离子液体水溶液。测得该浓度下BBimCl离子液体在不同激发波长下的荧光发射光谱，如图6-5所示，离子液体浓度为4.0μg/μL，激发和发射狭缝宽度10nm，灯电压500V。从图中可见，当激发波长从260nm逐渐增大到310nm时，BBimCl离子液体在393nm处有明显的荧光发射，且荧光强度逐渐增大；当激发波长为320nm时，其在393nm处的荧光强度与310nm处的相同。与以上三种疏水性离子液体的发射光谱相比，BBimCl离子液体的发射光谱没有发现上述假红移现象。这主要是由于BBimCl是水溶性的离子液体，实验中测定的BBimCl浓度远高于以上三种疏水性离子液体，尽管离子液体BBimCl的共振光散射波长与离子液体的发射波长也很相近，但BBimCl离子液体的荧光强度大而掩盖了其他的影响因素。(www.xing528.com)

图6-5　离子液体BBimCl的荧光发射光谱

1—260nm　2—270nm　3—280nm　4—290nm　5—300nm　6—310nm　7—320nm

6.3.1.5　离子液体的最大激发和发射波长

从测得的离子液体荧光发射光谱可以看出，具有不同烷基侧链、不同阴离子的离子液体，其荧光发射波长、荧光强度都有明显差异，如表6-1所示。从表中可看出以上离子液体的发射波长、荧光强度具有以下几方面的变化规律。

（1）当离子液体的阴离子相同时，随咪唑烷基侧链增大，最大发射波长向长波方向移动。这主要是由于离子液体BmimPF6的烷基侧链甲基的吸电子性与丁基的吸电子性相差较大，导致N—C—N体系的电子云分布不均匀，不能形成较大程度的π-π*共轭体系；而离子液体BBimPF6和BtmsimPF6的烷基侧链分别是具有相同吸电子性的丁基和吸电子性相差不大的丁基、三甲基硅。因此从分子结构上来说，在这两种离子液体中N—C—N体系的电子云密度分布均匀，扩大其π-π*共轭体系，从而导致最大发射波长向长波方向移动[1]。

（2）当离子液体的阳离子相同时，阴离子对最大发射波长有明显影响。当阴离子由Cl-转变为时，其发射波长明显向长波方向移动，这主要是由于PF-

6的吸电子能力比Cl-强。当阴离子为时，咪唑阳离子中N—C—N共轭体系的电子云密度比阴离子为Cl-时低，因此导致发射波长向长波方向移动[21]。

（3）离子液体的浓度对荧光强度也有明显影响。浓度大且荧光量子产率高的物质，其荧光强度大[1]。离子液体BBimCl浓度最大且荧光量子产率高，因此荧光强度最大；而浓度较大但量子产率小的离子液体BmimPF6的荧光强度最小。对于荧光量子产率大小相近的两种离子液体BBimPF6、BtmsimPF6，在饱和水溶液中BBimPF6的浓度大，因此BBimPF6的荧光强度比BtmsimPF6大。

（4）与甲基咪唑相比，以上离子液体在420nm处的荧光强度都明显增大，这主要是由于离子液体中N—C—N体系的共轭程度大于甲基咪唑中C==N键的共轭程度，因此离子液体的荧光强度比甲基咪唑大。

表6-1　离子液体的发射波长和荧光强度

6.3.1.6　pH对离子液体BBimCl荧光强度的影响

一般来说，荧光染料所处的溶液环境对荧光强度有很大影响，溶剂的种类、pH、温度等都会对荧光染料的荧光强度产生重要影响。本实验测定了在不同pH条件下离子液体BBimCl水溶液的荧光发射强度，如图6-6所示，离子液体浓度为4.0μg/μL，激发和发射波长分别为319nm、393nm，激发和发射狭缝宽度均为10nm，灯电压为500V。结果表明，随pH增大，离子液体的荧光强度逐渐增大。当pH为7时，离子液体的荧光强度达到最大；而当pH大于7时，荧光强度略微下降。其原因可能是在酸性条件下，溶液中存在大量的H+离子，在荧光发射过程中离子液体的激发态分子的能量转移到溶液中的H+离子[22]，因此导致荧光强度降低；而当溶液为碱性时，离子液体荧光强度降低主要是由于在碱性环境中，部分离子液体发生分解。因此，为了得到较好的荧光效果，选择在中性水溶液环境下进行离子液体荧光测定。

图6-6　pH对离子液体BBimCl荧光强度的影响

6.3.1.7　溶剂对离子液体BBimCl的荧光发射光谱的影响

溶液的极性对荧光物质的荧光强度有明显影响。在不同极性溶剂中，溶质与溶剂分子间存在着静电相互作用，导致荧光物质的基态和激发态与溶剂间的作用不同，对同一荧光体的荧光光谱的位置及强度都可能有显著的影响[23]。实验中测定了离子液体BBimCl在不同极性溶剂中的荧光光谱，如图6-7所示，离子液体浓度为3.0μg/μL，激发和发射波长分别为319nm、393nm，激发和发射狭缝宽度均为10nm，灯电压为500V。实验中所用的四种溶剂的极性大小顺序为：水＞乙醇＞乙腈＞丙酮。随着溶剂极性的增大，离子液体的荧光强度和最大发射波长均增大。这主要是由于离子液体被激发时发生了π-π*跃迁，离子液体的激发态比基态具有更大的极性，随着溶剂的极性增大，溶剂对激发态比对基态产生更大的稳定作用[24-25]，结果导致离子液体的荧光强度及发射波长均随着溶剂的极性增加而增大。

图6-7　离子液体BBimCl在不同溶剂中的荧光光谱

a—水　b—乙醇　c—乙腈　d—丙酮