类胡萝卜素单体分子的吸收主要位于350~550 nm范围内, 并伴随多个振动吸收。 由于C_2h对称性, 类胡萝卜素分子电子基态S₀到第一激发态S₁的跃迁是禁止的, 其吸收谱主要来自于电子基态S₀到第二激发态S₂的π 电子的跃迁。 图1是常温下(20 ℃)叶黄素的单体吸收光谱。 图中位于长波段474 nm处的吸收峰来自于0→ 0的跃迁; 最大的吸收峰位于446 nm, 来自于0→ 1的跃迁; 420 nm的吸收峰来自于0→ 2的跃迁; 短波段300~350 nm处的弱峰来自于更高振动态的跃迁。

图1

Fig.1

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	图1 乙醇溶液中叶黄素单体吸收谱Fig.1 Absorption spectrum of lutein monomer in ethanol solution

图2

Fig.2

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	图2 不同温度下1∶ 1乙醇/水溶液的吸收光谱 (a): 初始浓度为25.6 μ mol· L-1; (b): 初始浓度为10.2 μ mol· L-1Fig.2 Absorption spectra of the samples in 1∶ 1 ethanol/ water mixtures at different temperature (a): 25.6 μ mol· L-1 lutein; (b): 10.2 μ mol· L-1 lutein

类胡萝卜素的有机溶剂中, 加入水后单体分子会发生聚集。 相对于单体分子, 聚集体的吸收光谱发生红移或蓝移^{[10, 11]}。 图2表示不同温度下, 1∶ 1乙醇/水溶液中聚集体的吸收谱。 由图可知, 1∶ 1乙醇/水溶液中叶黄素的吸收谱分为两部分, 一部分是单体446 nm处的吸收, 另一部分370 nm处的聚集体吸收。 根据蓝移程度(76 nm)判断, 溶液中形成的是紧密结构的H-聚集体。 随着温度的升高, 聚集体吸收减弱, 而单体吸收增强。 室温(20 ℃)时, 图2(a)中聚集体与单体最大吸收值之比为3.479, 随着温度的升高, 这一比值下降, 55 ℃时降低至0.705。 图2(b)中, 室温下聚集体与单体吸收值之比为1.659, 当温度上升到45 ℃时, 这一值降低至0.399, 随着温度进一步升高, 聚集体吸收消失, 只剩单体吸收。 叶黄素聚集体中, 碳骨架之间依靠水分子相连。 温度升高, 水分子热运动加剧, 可能脱离碳骨架, 使聚集体解体。 较高温度时(45 ℃以上), 高浓度叶黄素溶液中(25.6 μ mol· L^-1), 热运动又使叶黄素相互碰撞的几率增加, 聚集结构不能完全解体, 浓度小的溶液中(10.2 μ mol· L^-1), 由于叶黄素分子间距较大, 因此能以单体形式稳定存在。

图2中两样品同时存在着单体和聚集体, 我们对溶液中各成分的吸收强度进行了拟合, 如图3所示。 在1∶ 1溶液中, 一部分叶黄素形成H-聚集体。 随着温度的升高, 溶液中聚集体解体成为单体结构。 分子吸收强度与分子浓度成正比, 设溶液中分子浓度随温度的变化关系为

[c]T=K0+[c]0exp-Tk(1)

其中[c]表示H-聚集体或单体浓度, [c]₀为室温(20 ℃)浓度, K₀为常数, k温度变化系数。 利用origin 8.0 对各点进行指数拟合, 得到图3中各拟合曲线, 对应的式(1)中各参数列于表1。 从拟合结果我们发现, 在1∶ 1样品中, H-聚集体的拟合曲线近似成直线形状, 即聚集体浓度随温度增加而线性降低, 用线性关系式表示为

[c]T=[c]0+kT(2)

表1中列出了两种线性拟合的参数, 其中高浓度样品中的温度变化系数k高于低浓度样品。

图3

Fig.3

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	图3 1∶ 1溶液中单体和聚集体吸收强度的拟合(H和L代表高浓度和低浓度) 2.2 不同温度下, 1∶ 2乙醇/水溶液的吸收光谱分析Fig.3 Experiment data of the absorption intensities of monomer and H-aggregate in ethanol/water 50% at different temperature, fitting with exponential function

图4为不同温度下, 1∶ 2乙醇/水溶液中两种浓度样品的吸收光谱。 两图中都只出现了370 nm的吸收, 并且随着温度的升高聚集体的吸收光谱峰位不变, 而吸收强度减弱。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 样品中各组分吸收强度的拟合参数 Table 1 Fitting parameters of absorption intensity of each component in the samples [c] H(1∶ 1)H-a H(1∶ 1)M L(1∶ 1)H-a L(1∶ 1)M H(1∶ 1)M L(1∶ 1)M [c]T=K0+[c]0exp -Tk [c]t=K0+[c]0exp -tk K0 0.092 0.210 -33 167.28 0.142 0.537 0.318 [c]0 1.731 0.034 33 167.83 0.018 2 0.231 0.250 8 k 33.657 -21.516 3.84× 10-6 -16.470 50.588 29.654 [c]T=A-k'T A 1.348 14 0.553 07 k' 0.017 44 0.008 63 第2列到第5列表示分子吸收随温度的变化, 第6和第7列表示分子吸收随时间的变化

表1 样品中各组分吸收强度的拟合参数 Table 1 Fitting parameters of absorption intensity of each component in the samples

由此可知, 当水的比例增到乙醇的2倍后, 溶液中的叶黄素全部聚集成H-聚集结构, 该结构非常稳定, 并未随温度升高而解体。 这是因为当溶剂中的乙醇/水的比例达到1∶ 2时, 溶液中水分子数目大大增加, 虽然温度的升高导致叶黄素和水分子的热运动加剧, 但是即使聚集体内有水分子脱离碳骨架, 周围的水分子又会立刻填入, 确保聚集体结构稳定。

图4

Fig.4

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	图4 1∶ 2乙醇/水溶液中, 两浓度样品的吸收谱 (a) 25.6 μ mol· L-1; (b) 10.2 μ mol· L-1插入小图为吸收强度随温度的变化Fig.4 Absorption spectra of the samples in 1∶ 2 ethanol/water mixtures at different temperature (a): 25.6 μ mol· L-1; (b): 10.2 μ mol· L-1

图4中, 两样品中的叶黄素吸收谱均随温度的升高而降低, 其吸收强度随温度变化如小图所示。 图4(a)的高浓度(25.6 μ mol· L^-1)样品中, 叶黄素H-聚集体对应的电子吸收强度随着温度的升高迅速下降; 而图4(b)的低浓度(10.2 μ mol· L^-1)样品中, 对应的吸收强度下降缓慢。 对比两图, 发现在30~45 ℃范围内, 两者的吸收强度变化最小。 温度的升高导致聚集体的热无序增加, 聚集体的吸收截面减小。 在聚集体浓度较大的溶液中, 由于受到周围聚集结构影响较大, 热运动较低浓度样品中更加无序, 因此随着温度的增加, 吸收强度降低程度较大。

为了研究乙醇/水溶液中, 叶黄素结构的动态变化, 我们对30 ℃下的样品每隔30 s进行一次扫描。 图5(a)和(b)为高浓度和低浓度两样品在1∶ 1乙醇/水溶液的吸收光谱。 由图可知, 两样品中单体吸收随时间减小, 而位于370 nm附近的聚集体吸收谱强度增加。 两样品形成后30 s, 单体和聚集体吸收强度变化最大, 120 s后各吸收谱达到稳定, 即聚集体吸收最大, 单体吸收最小。

图5(c)中的各点为不同时刻两样品中单体吸收强度, 其动力学模型为

得到单体浓度随时间的变化为指数形式

[c]t=K0+[c]0exp-tk(4)

拟合得到的曲线如图5(c)所示, 其拟合参数列于表1。 其中k为单体变化的动力学常数, k为正时, 表示单体减小, 反之表示单体增加。 比较样品发现, 浓度大的溶液中k值较大。

图5(d)和(e)为两浓度样品在1∶ 2乙醇/水溶液中的吸收谱, 随着时间的推移。 聚集体吸收光谱峰位和吸收强度没有变化, 可见溶液中生成的H-聚集体较为稳定。 叶黄素形成聚集体的过程中, 必须要有水分子中的氢键参与。 在1∶ 1的乙醇/水溶液中, 水分子不足以使所有叶黄素都形成聚集结构, 因此形成了单体和聚集体共存的状态。 乙醇与水的溶剂形成后, 放置时间过程中, 水分子的氢键有所增加, 导致溶液中的一部分叶黄素单体又转化为聚集体, 聚集体浓度增加, 叶黄素单体浓度减小。 当乙醇/水的体积比增加到1∶ 2时, 溶液中存在大量的水分子, 足够使得所有的叶黄素单体都形成聚集结构, 随着时间的变化, 聚集体基本保持不变。

图5

Fig.5

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图5 30 ℃处理后溶液的吸收谱随时间变化 (a); 25.6 μ mol· L-1, 1∶ 1乙醇/水溶液; (b): 10.2 μ mol· L-1, 1∶ 1溶液; (c): 1∶ 1溶液中, 两样品单体吸收随时间的变化的动力学过程; (d): 25.6 μ mol· L-1, 1∶ 2溶液; (e): 10.2 μ mol· L-1, 1∶ 2溶液Fig.5 Spectra changes of lutein in aqueous ethanol solution (a): 25.6 μ mol· L-1, 1∶ 1 solution; (b): 10.2 μ mol· L-1 1∶ 1 solution; (c): absorbance in the time for monomer in 1∶ 1 solution; (d): 25.6 μ mol· L-1, 1∶ 2 solution; (e): 10.2 μ mol· L-1, 1∶ 2 solution