稀土色氨酸固態(tài)配合物的光聲光譜研究

 摘要： 合成了Tb(Trp)3C13·H2O、Dy(Trp)3C|3·H2O和Ho(Trp)3C13·H2O固態(tài)配合物，在 300-800 nlrl測定并解釋了配合物的光聲光譜，從無(wú)輻射躍遷角度研究色氨酸固態(tài)配合物的能 級狀況和分子內能量傳遞過(guò)程，結合熒光光譜研究了色氨酸固態(tài)配合物的發(fā)光特性，結果表明 固態(tài)配合物中色氨酸配體可有效敏化Tb3 離子的發(fā)光，而由于熱去幾率速率增大導致配體向 D)，3 的能量傳遞效率降低．首次將相位分辨光聲分析法用于Ho(Trp)3C13·H2O配合物的譜峰 解析，通過(guò)光聲譜同相和正交相信號可以計算配體光聲吸收的位相為106。，位相改變90。后就得 到僅與HD3 相關(guān)的光聲光譜．相位分辨光聲光譜法不受譜峰的形狀和重疊程度的限制，僅與不 同吸收中心產(chǎn)生的位相有關(guān)． 熱像儀| 頻閃儀| 測高儀| 測距儀| 金屬探測器| 試驗機| 扭力計| 流速儀| 粗糙度儀| 流量計| 平衡儀|

近來(lái)，光聲光譜作為一門(mén)新興的技術(shù)已被廣泛地應用于各門(mén)學(xué)科的研究之中 ．2 J．光聲 光譜可以得到任何類(lèi)型固態(tài)物質(zhì)(晶體、粉末或凝膠)的吸收光譜，對于許多吸收光譜難以測 定的樣品，如不透明、高反射、高散射試樣，常常無(wú)需制樣或稍加制樣就可以簡(jiǎn)便地加以測 定．另外光聲技術(shù)還可以直接測定樣品的能隙以及無(wú)輻射躍遷的弛豫過(guò)程．

稀土離子常用作生物體系的光譜探針．因為稀土離子與堿土金屬離子有相似的離子半 徑，所以研究這些離子與氨基酸的相互作用對理解堿土金屬離子在生物體系中的作用是重 要的．但進(jìn)一步深入的研究急需對配體的光物理性質(zhì)，配體和中心稀土離子的相互作用及輻 射躍遷和無(wú)輻射躍遷的弛豫過(guò)程有更深入的了解L3J．本文合成了Tb(Trp)3C13·H2O、Dy (Trp)3C13·HiO和Ho(Trp)3C13·H2O固態(tài)配合物，測定了其光聲光譜，結合熒光光譜，從輻 射躍遷和無(wú)輻射躍遷的角度研究了標題化合物的激發(fā)弛豫過(guò)程；首次將相分辨光聲分析法 用于Ho(Trp)3C13·H2O配合物的譜峰解析，得到了滿(mǎn)意的結果． 稀土色氨酸配合物的合成 合成Ln(Trp)3Cl3·H20(Ln=Tb、Dy、Ho)固體配合物．將稀土氧化物用1：1 HC處理轉 化為稀土氯化物．將稀土氯化物和色氨酸按化學(xué)計量比溶于無(wú)水乙醇，在80℃水浴上回流 8～10 h，然后置于1：1 H2SOn干燥器中干燥數天，晶體析出后，用無(wú)水乙醇洗滌，置于P2O5 干燥器中得到產(chǎn)物．所得配合物均通過(guò)元素分析和紅外光譜確證其結構．

2 光譜測定 光聲光譜在本實(shí)驗室自行組建光聲光譜儀上測定，主要部件為氙燈，單色儀，斬波器，固 體光聲池，鎖相放大器和微機數據記錄與處理裝置．工作條件：光源強度500 W ，單色儀狹縫 1 mrn，斬波頻率12 Hz，時(shí)間常數3 s，測定波段(300~800)nlTl，所得光聲強度譜和位相譜均 用炭黑譜歸一化． 熒光光譜在PE公司LS一50型熒光光譜儀上測定，使用固體熒光附件，激發(fā)狹縫 5．0 mrn，發(fā)射狹縫5．0 1Tim．

3 標題化合物的光聲光譜 光聲光譜檢測樣品吸收光能后無(wú)輻射弛豫所釋放的熱量．光聲信號(H)可表示為[ ]： H = KAabsy (1) 其中Aabs為樣品對光的吸收，7為無(wú)輻射躍遷中激發(fā)光轉換成熱的轉換系數，K 為與實(shí) 驗條件相關(guān)的常數． 標題化合物的光聲光譜如圖1所示．圖 1中310 m1的寬帶吸收為配體色氨酸的7c一 丌 躍遷吸收．同自由色氨酸相比，Ln·2 (Trp)3a3·I-hO固體配合物在310 nlTl區域的3 光聲譜帶顯著(zhù)增強，并有一定程度的紅移，這 是由于配合物中的丌一丌 共軛體系比自由色 ’ 氨酸配體大大增強，降低了配合物體系丌一 7c 躍遷的激發(fā)能量，并使吸收大為增強． 300 400 500 600 700 800 從圖1中可以清楚地看到Ho3+離子不 mm 同J能級的吸收·化合物的激發(fā)態(tài)電子弛豫 圖1 Ho3+(1) ， Dy3+(2)， +色氨酸配合物(3) 包括兩個(gè)過(guò)程：輻射躍遷和無(wú)輻射躍遷過(guò) 和色氨酸(4)的光聲光譜 程．因為光聲光譜只對應無(wú)輻射躍遷過(guò)程， Fig． 1 PA spectra oflIo3+(1)，Dy3+(2)， 所以對應于具有熒光性質(zhì)能級的光聲信號 +(3)c0lIlplexes with Trp。 and Trp(4) 將減弱或消失．圖1中可以看出Tb3 和 D)r3 離子具有熒光性質(zhì)能級的光聲吸收均較弱，而Tb3 的 D4和D)r3 的 F9／2能級的光聲 吸收極弱．標題化合物的光聲譜帶的歸屬列于表1． 表1 標題化合物光聲譜帶歸屬(nm) Table 1 Photoacoustie hand assignments of title complexes(啪) 我們使用HJ 配合物作為光聲強度的參照物．HD3 離子能級眾多，能量間隔小且相互 交疊，一般認為HJ 各能級通常以無(wú)輻射方式弛豫．光聲光譜反映的是物質(zhì)吸收和弛豫的 信息．色氨酸配合物中配體的7c一7c 躍遷吸收對于不同中心稀土離子(Ln=Tb、Dy、Ho)JL 乎是完全相同的．若配合物中配體傳遞給中心稀土離子的能量轉換為中心稀土離子的熒光，則無(wú)輻射弛豫部分所占的分額將減少。因此通過(guò)比較色氨酸配合物中配體吸收處的光聲峰 強度譜，便可得到配體與中心離子的能量傳遞及能級弛豫信息． 由圖1可見(jiàn)，Ho(Trp)3C13·I-I2O、Dy(Trp)3CI3·H2O和Tb(Trp)3CI3。H2O配合物在310 nm區域的光聲強度相差很大．由式1可得出3種色氨酸配合物的無(wú)輻射躍遷幾率應有較大 差別．Ho(Trp)3CI3·I-hO配合物無(wú)輻射躍遷幾率最大，而Dy(Trp)3CI3·H2O和Tb(Trp)3C13 · H2O配合物無(wú)輻射躍遷幾率依次減少，說(shuō)明Trp傳遞給c曠 、Tb3 的一部分能量轉換成 了Dy3 、Tb3 的熒光．可以預見(jiàn)它們的熒光性質(zhì)也會(huì )有相應變化．

4 熒光光譜和能量傳遞模型 色氨酸配合物的熒光光譜如圖2所示，(350～450)nrn范圍內的吸收帶為配合物中色 氨酸的發(fā)射帶．在發(fā)射譜中出現了Tb”離子強的特征發(fā)射：490、546、580和618 nm (對應 于 D4一’F6，’F5，’F4和’F3)和Dy3 的特征發(fā)射：487 nm，576 nm和669 nITI( ／2 一 H15／2， H13／2和 H11／2)．由于激發(fā)波長(cháng)位于色氨酸最大吸收處，Tb 和Dy3 特征發(fā)射的 出現證實(shí)了光聲光譜所反映的分子內能量傳遞．Dy(Trp)3C13·I-I2O熒光強度較Tb(Trp)3C13 · H2O弱，反映Dy(Trp)3C13·H2O分子內能量傳遞效率較低，與光聲譜結論一致． 稀土芳香氨基酸配合物中配體對中心稀土離子不同敏化作用可用Dexter固體敏化發(fā) 光理論解釋 J：即配體吸收光躍遷到激發(fā)單重態(tài)，而后系間竄躍到三重態(tài)，再將能量傳遞給 稀土離子，稀土離子從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)時(shí)發(fā)射出特征熒光，其能量傳遞的躍遷幾率P： ，，) 7．2、r P = I lI (E)￡ (E)dE (2) 、 ，‘ ／ J 可以看出能量傳遞幾率取決于配體三重態(tài)能級R 和中心稀土離子響應能級 的重疊積分． 350 450 550 650 nm 圖2 rIb("n’p)3C]3· o(1)和Dy(，Ⅱ )3(】b· O(2) 配合物的發(fā)射光譜 Fig．2 Emission spectra ofTb(Tl’p)3 03‘H20(1)and Dy(TI’p)3C|3·II202(2) g U × 30 25 0 S tire 圖3 Ln(Trp)3CI3·tI2O配合物的弛豫過(guò)程模型 rlg．3 Model for relaxation processes of Ln(Trp)3CI3·H20同時(shí)，能量傳遞效率受熱去激勵速率常數R(T)約制 J： ， 一A 一． 3+ 、 R(T)=A 印I— l (3) 、 』 上 ， 式中，A為常數，AtET—1 +為配體三重態(tài)能級與中心稀土離子能級的能量差． 色氨酸配合物的能級圖如圖3所示．對于Dy(Trp)3CI3·H2O配合物，色氨酸的三重態(tài) T0與Dy(III)離子的能級 F9／2能量差太小，AET一 +約為1．5*10。cm一，導致熱去幾率速 率增大，不能有效地進(jìn)行能量傳遞．而對Tb(Trp)3c13·H2O配合物，色氨酸配體三重態(tài)T0 與Tb(III)離子響應能級 D4能量差為2．5*10。cmI1左右，計算可得能量傳遞時(shí)間數量級 在10—10～10I1。s[ ，適宜從配體三重態(tài)T0向Tb(III)離子 D4熒光能級的能量傳遞，導致 色氨酸有效地敏化T-b(III)離子的發(fā)光．

5 Ho(Trp)3C13·H2O配合物的相分辨光聲光譜 稀土離子作為生物體系的紫外一可見(jiàn)光譜探針引起廣泛關(guān)注．但稀土離子的f—f躍遷 吸收與生物體系的吸收會(huì )相互交疊，使此方法的應用受到限制．圖1中清楚地顯示了Ho3 離子400 nlTI以后不同J能級的光聲吸收．雖然Ho3 在配體吸收范圍內有好幾個(gè)吸收峰，但 在譜圖上未見(jiàn)其光聲譜峰，這是由于色氨酸 一 躍遷的吸收系數遠高于稀土離子禁阻的 f—f躍遷吸收系數，導致Ho3 的光聲峰被配體的寬光聲峰所掩蓋． 對于稀土配合物，因配體與中心離子的無(wú)輻射去激勵過(guò)程的弛豫時(shí)間和光聲吸收強度 不同(即它們的r， 不同)，導致兩者的光聲信號之間有一個(gè)位相差，為采用相分辨光聲光 譜法進(jìn)行譜峰解析提供了可能[ ．實(shí)際測量時(shí)記錄的是一定頻率下樣品的同相(Sn)和正交 相(S9n)信號，特定位相(巾)下的光聲信號可由下式得到【9J： S( )=S0( )cos(91)+Sg0(a)sin(91) (4) 利用上式可得到不同位相角下的振幅信號，重復此過(guò)程就得到振幅隨位相的變化曲線(xiàn)． Phase(degree) 圖4 310 nnl處強度隨位個(gè)的變化曲線(xiàn) Fi g．4 Variation of am plitude as afunction ofphase angle at 310 nnl 300 400 500 600 700 800 ／nm 圖5 no(Xrp)3CI3·H2O光聲 光譜中分離出的No3 光譜 Fig．5 PA spectrmn of No3 separated from spectrmn of Ho(Trp)3CI3。n2OHo(Trp) (31 ·HiO在配體吸收處振幅隨位相的變化曲線(xiàn)如圖4所示．在106。時(shí)配體的振幅 信號最大，振幅最大處的位相即為此波長(cháng)處的位相值．因為配體的吸收系數很大，在配體的 吸收波段內位相基本不變．當位相改變90。，即16。時(shí)光聲信號與配體無(wú)關(guān)，而僅來(lái)源于中心 離子Ho3 的光聲響應．根據式(4)可計算16。時(shí)的光聲振幅譜，結果如圖5所示． 從圖5可以看出被配體色氨酸覆蓋的Ho3 光聲信號可很好地分開(kāi)．相分辨光聲光譜法 有它獨特的優(yōu)點(diǎn)，它不受譜峰的形狀和重疊程度的限制，而僅與不同吸收中心產(chǎn)生的不同位 相有關(guān)．