基于荧光光谱法的靛蓝热稳定性研究#
马超群，陈国庆，高淑梅，史院平，谷玲，陈超**
基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金（200802950005）
作者简介：马超群，（1987-），男，硕士研究生，主要研究方向：荧光光谱检测
通信联系人：陈国庆，（1964-），男，教授，主要研究方向：荧光光谱检测. E-mail: cgq2098@163.com
（江南大学理学院，江苏 无锡 214122）
5 摘要：本文以合成食品色素靛蓝为研究对象，在85℃条件下对其浓度为50μg/ml 的水溶液
进行持续加热，每隔一小时取样一次，通过测量其吸收光谱和荧光光谱来对其热稳定性进行
分析。结果显示，在加热5 小时内其吸收光谱基本保持不变，而其荧光强度随加热时间的增
长而呈现递增趋势。通过测量靛蓝分解产物的吸收和荧光光谱以及分解前后的荧光量子产
率，并经对比分析给出了靛蓝在加热条件下的分解机理。
10 关键词：光谱学；荧光光谱法；吸收光谱法；靛蓝；热稳定性
中图分类号：O433
 0 引言
30 合成食品色素是食品工业中常用的一种食品添加剂，用于对食品进行着色以提高其感官
质量[1-3]。由于食品在加工、烹调过程中大多要经历加热的过程，热稳定性差的合成食品色
素在加热过程中可能发生分解产生毒性。因此在国家《食品添加剂使用卫生标准》[4]中对合
成食品色素的使用范围有严格的规定，部分色素禁止在需要加热蒸烤的发酵面制品中使用。
但是违规使用合成食品色素的事件屡有发生，如近期上海发生了“染色馒头”事件，不法生
35 产企业将柠檬黄违规用于馒头生产中，产出色彩鲜亮的“玉米馒头”，食用这种“玉米馒头”
后会对人体健康带来安全隐患。因此，对色素热稳定性的研究显得十分的必要。
荧光光谱法是一种常用的物质分析方法，具有操作简便、样品用量少等优点[5,6]。而与
吸收光谱法相比，荧光光谱法的灵敏度通常比前者的灵敏度高2~3 个数量级，并且具有更好
的选择性[7]。目前对食品色素稳定性的研究主要集中于天然色素，通过吸收光谱法测量天然
40 色素的吸光度的变化对其稳定性进行分析[8-11]，而基于荧光光谱法对合成色素稳定性的研究
还鲜有报道。
本文中以合成食品色素靛蓝为研究对象，在85℃条件下对其水溶液进行持续加热，每
 隔一小时取样一次，测量其吸收光谱和荧光光谱。实验结果显示，在加热5 小时内，靛蓝溶
液的吸收光谱变化不明显，而其荧光光强随加热时间增加呈现递增趋势。进一步又测量了靛
45 蓝分解产物的吸收光谱和荧光光谱以及靛蓝分解前后的荧光量子产率，通过对实验结果的分
析我们给出了靛蓝在加热条件下的分解机理。研究结果可为靛蓝的安全使用、定量检测等方
面的研究工作提供帮助。
1 实验仪器及样品
1.1 实验仪器
50 本文中用英国Edinburgh Instrument 公司生产的FLS920P 光谱仪测量溶液的吸收光谱和
荧光光谱；用上海三发科学仪器有限公司生产的DHG-9203A 型电热恒温箱对样品进行恒温
加热。
1.2 实验样品
实验样品是由德国Dr. Ehrenstorfer 实验室提供的靛蓝标准样品，用超纯水作为溶剂，配
55 制浓度为50μg/ml 的靛蓝水溶液。
2 结果与分析
2.1 靛蓝溶液的光谱特性
为了解靛蓝的基本光谱特性，首先将新配置的浓度为50μg/ml 的靛蓝溶液放入FLS920P
光谱仪，测量其吸收光谱与荧光光谱，其中吸收光谱测量范围为200~400nm，荧光光谱测量
60 范围为350~560nm，激发波长选为300nm。测量结果如图1。由其吸收光谱我们可看到，靛
蓝溶液能够吸收波长在250~400nm 范围内的紫外光，吸收峰位于345nm 附近。由荧光光谱
可知，靛蓝溶液在300nm 光激发下能够发出荧光，其荧光范围为350~550nm，荧光峰位于
405nm。
65 图1 靛蓝溶液的吸收光谱和荧光光谱
Fig. 1 Absorption and fluorescence spectra of Indigotine solutions
2.2 加热不同时间后靛蓝的光谱变化
将配制好的浓度为50μg/ml 的靛蓝水溶液分别加入5 支玻璃试管中，放入恒温箱中加热，
70 温度设置为85℃。每隔一小时取样一次，用FLS920P 光谱仪测量样品的吸收光谱和荧光光
 谱，结果如图2 所示。
提取吸收光谱和荧光光谱的峰值强度，得到靛蓝溶液的吸收和荧光峰值随加热时间的变
化，如图3 所示，由图可以看到，随着加热时间的增加，靛蓝的吸收光谱随着加热时间的增
长变化不大，而荧光光谱随着加热时间的增长荧光强度不断增强。
75
图2 加热不同时间的靛蓝溶液的光谱变化
Fig. 2 Spectral variation of Indigotine with time by heating
80 图3 靛蓝溶液的吸收和荧光峰值变化
Fig. 3 Absorption and fluorescence peak intensity variation of Indigotine solution
根据郎伯-比尔定律，溶液吸收光强可表示为( abc )
a I = I 1− e 0 ，荧光强度表达式可以写
为( ) 0 1 abc
f f I =KYI −e
。式中I0 为入射光强，K 为与仪器相关的常数，Yf 为荧光量子产率，
85 a 为溶液的吸光系数，b 为光通过的溶液厚度，c 为溶液浓度。在吸收光强变化不大的同时，
荧光光强却呈现明显的不断增强的趋势，可知溶液总体荧光量子产率Yf 随加热时间的增加
而增大。根据上述分析可作出推断，靛蓝溶液在85℃加热条件下会出现分解，当分解产物
浓度不高时，其对溶液的吸收光谱影响不大，但由于分解产物的荧光量子产率高于靛蓝，使
得荧光光谱呈现增强趋势。并可推测，由于靛蓝的分解并未破坏其荧光发色基团，使得溶液
90 的荧光峰位置略有红移，变化不大。
 2.3 靛蓝分解产物的光谱特性
靛蓝样品在85℃条件加热150 小时后可完全分解，溶液颜色由深蓝色变为淡黄色。首
先测量了靛蓝完全分解后，分解产物的吸收光谱和荧光光谱，如图4 所示。对比图1 和图4
可知，靛蓝完全分解后，溶液的吸光度由最初的0.126 下降至0.119，并且吸收峰由345nm
95 蓝移至340nm 处。溶液的荧光强度有大幅度的提高，由最初的12000 增大至198963，并且
荧光峰由405nm 红移至410nm。
图4 靛蓝完全分解产物的吸收光谱和荧光光谱
Fig. 4 Absorption and fluorescence spectra of decomposition product of Indigotine
100
分别测量50μg/ml 靛蓝原溶液以及完全分解后样品溶液的荧光量子产率。得到原始靛蓝
水溶液的荧光量子产率为0.07，完全分解后，分解产物溶液的荧光量子产率为0.35。实验结
果验证了上文中关于分解产物的荧光量子产率高于靛蓝的推论。
2.4 靛蓝的分解机理
105 Vautier 等人用高效液相色谱法和气相色谱－质谱联用法分析了靛蓝在TiO2 催化下的光
降解过程[12]。我们分析认为，靛蓝水溶液在加热条件下发生的分解反应遵循类似的分解机
理，如图5 所示。靛蓝分子在加热条件下发生脱磺化以及断裂等反应生成芳香胺类化
合物。
 110 图5 靛蓝光照分解的机理图
Fig. 5 Photodecomposition mechanism of Indigotine
由光化学知识可知，靛蓝分子中含有的能够吸收光子能量发生π→π*跃迁，当加
热使得断裂后，其对吸收光谱的贡献消失，因而分解产物的吸收度下降，吸收峰出现
115 蓝移。另外，靛蓝的分子结构中含有氮杂环， 的存在使得整个分子不能呈现刚性平
面结构，所以靛蓝的荧光量子产率不高。当加热导致断裂、氮杂环被打开后，分解产
物的分子结构呈平面构型，同时它在水溶液中还能形成分子内氢键（如图5 所示），加强了
分子结构的刚性，因此荧光量子产率得到很大的提升。
3 结论
120 本文测量了食品合成色素靛蓝是在加热条件下的吸收光谱和荧光光谱变化，结果显示在
加热5 小时内，靛蓝溶液的吸收光谱变化不大，而起荧光强度却呈现明显的递增趋势。表明
荧光光谱法在靛蓝稳定性研究中的具有更高的灵敏度。我们进一步测量了靛蓝分解产物的吸
收和荧光光谱，以及靛蓝分解前后的荧光量子产率。经过对比分析给出结论，认为靛蓝在加
热条件下会表现出不稳定性，通过脱磺化和断裂等一系列反应而分解生成芳香胺类物
125 质。本文的研究结果可为靛蓝的安全使用和毒理学研究提供帮助。