通过测量100%己酸乙酯与100%乙酸乙酯在374.2 nm处的荧光发射光谱, 发现两种物质在374.2 nm的激发光下均有较强的荧光, 且其发射谱重叠严重。 对两种物质的发射光谱进行面积归一化处理结果如图1所示。 红色的线代表的是100%乙酸乙酯的荧光发射光谱, 黑色的线代表的是100%己酸乙酯的荧光发射光谱。 从图中可以看出乙酸乙酯的荧光峰值位置位于402.5 nm以及427.5 nm, 而己酸乙酯的荧光峰位置位于403.5 nm。 图中阴影部分为两条谱线的重叠区域, 通过积分计算, 得到重叠区域面积为0.78, 即两条谱线的重叠度为78%。 由于二者谱带重叠度较高, 因而在混合溶液的检测中, 难以通过常规荧光光谱测量提取各自的特征参数, 实现同时测定。

图1

Fig.1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 己酸乙酯和乙酸乙酯的归一化荧光光谱Fig.1 The normalized fluorescence spectra of ethyl caproate and ethyl acetate

为了研究己酸乙酯与乙酸乙酯间的差别, 对两种物质的分子结构进行分析。 使用密度泛函理论DFT^{[9, 10]}, 在B3LYP/6-31G(d, p)水平下对两种分子进行基态和激发态优化得到的分子构型进行分析。 表1给出了结构优化后, 两种分子的基态和激发态的键长、 键角和二面角信息。 分子结构中的数字表示对应的原子序号。 由于两种分子的1~13号原子完全相同, 因此, 本文中仅对两种分子的前13号原子的结构进行分析。 从分子结构的分析结果可以看出, 两种分子的基态和激发态的键长和键角变化量不大, 且变化主要发生在酯基上。 而对于基态和激发态二面角的分析, 两种分子表现出较大的差异。 尤以二面角C₅-O₈-O₁₀-C₁₁变化差异最为明显。 对于己酸乙酯, 该二面角从基态的179.99° 变为激发态的132.25° ; 而对于乙酸乙酯, 该二面角在基态和激发态均为179.99° 。 根据上述结果可知, 在激发态时, 乙酸乙酯分子相较于己酸乙酯分子具有更好的平面性。 根据荧光发射理论, 物质平面性越好, 其荧光发射概率越高, 量子产率越高。 Yurie Suwa报道中表明对于一种结构, 量子产率和荧光寿命的比值恒定, 即辐射跃迁常数^[11]。 因此, 我们可以推断, 己酸乙酯和乙酸乙酯的荧光寿命应具有较大的差异, 且乙酸乙酯的荧光寿命要比己酸乙酯的荧光寿命长。 为了验证这一推测, 我们分别测量了两种物质的时间分辨荧光光谱。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 己酸乙酯和乙酸乙酯的基态和激发态分子结构分析 Table 1 Molecular structure analysis of ethyl caproate and ethyl acetate at ground state and excited state

表1 己酸乙酯和乙酸乙酯的基态和激发态分子结构分析 Table 1 Molecular structure analysis of ethyl caproate and ethyl acetate at ground state and excited state

选取发射波长为403 nm, 测量两种物质的时间分辨荧光光谱, 得到的荧光衰减曲线如图2所示。 图2中蓝点表示乙酸乙酯的荧光衰减曲线, 绿点则是代表己酸乙酯, 图中两条下降沿曲线相交的点的坐标为(10, 1 900)。 根据荧光衰减原理用式(1)对荧光衰减曲线下降沿8.7~40 ns进行拟合。

y=a×exp-tτ(1)

式(1)中, y为光子数, t为荧光衰减时间, τ 为荧光寿命, a为拟合系数。 两种物质的拟合结果如图2所示, 红线代表乙酸乙酯, 黑线代表己酸乙酯, 两者拟合可信度均达到0.99以上。 拟合结果可以看出己酸乙酯的荧光寿命为0.998 ns, 而乙酸乙酯的荧光寿命为5.293 ns。 从实验结果可以很明显看出, 乙酸乙酯的荧光寿命大于己酸乙酯的荧光寿命, 与量子计算结果相吻合。 己酸乙酯与乙酸乙酯的荧光发射光谱重叠严重, 但是其荧光寿命有较大差别, 故而选择荧光寿命来进行两种物质的定量分析。

图2

Fig.2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 己酸乙酯和乙酸乙酯的时间分辨 荧光光谱和荧光衰减曲线拟合Fig.2 The time-resolved fluorescence spectra of ethyl caproate and ethyl acetate and the exponential fitting of the fluorescence decay curves

对预测集的样品进行时间分辨荧光光谱的测量, 结果如图3所示。 从图3中可以明显看出, 随着己酸乙酯与乙酸乙酯体积比的增大。 衰减速度变慢。 对荧光衰减曲线的下降沿(8.7~40 ns)进行指数拟合, 拟合所用公式为式(2)。

Y=∑i=1nBi×mi(2)

图3

Fig.3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图3 不同己酸乙酯与乙酸乙酯体积比的混合溶液的荧光衰减曲线(己酸乙酯∶ 乙酸乙酯)Fig.3 Different ethyl caproate and ethyl acetate under the volume ratio of the fluorescence decay curves

在多组分体系的时间分辨荧光光谱中, 荧光衰减光谱满足式(2)。 在式(2)中, Y为混合溶液的不同衰减时间所对应的光子数, B_i为第i种物质对混合物的荧光寿命衰减曲线的贡献权重, m_i为混合物中第i种物质的不同衰减时间所对应的光子数。 从图中可以很明显看出: 图中任意一条下降沿曲线均经过(10, 1 900)点。 在两种物质以不同的比例混合时, 由于光谱的线性叠加使其混合溶液的荧光衰减曲线均经过该点。

图4是预测集的系数B₁, B₂与己酸乙酯的含量间的关系。 图中线是对两个系数进行线性拟合的结果, 己酸乙酯的表达式为c=0.97x+0.03、 乙酸乙酯的表达式为c=-0.97x+0.97, x表示己酸乙酯占混合溶液的体积分数, B₁, B₂系数的实际意义是己酸乙酯和乙酸乙酯的荧光寿命衰减曲线占混合溶液的荧光寿命衰减曲线的比重。 线性拟合的回归系数达到0.998以上。 图4表明随着己酸乙酯含量的增加, 系数B₁线性增加。 同理, 随着乙酸乙酯含量的增加, 系数B₂线性增加。

图4

Fig.4

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图4 B1和B2的线性预测模型Fig.4 Linear prediction model of B1 and B2

通过测量预测集样品的荧光衰减曲线, 使用式(1)进行拟合。 将拟合得出的B₁, B₂分别带代入线性预测模型中, 预测己酸乙酯与乙酸乙酯的体积。 图5为10个检验样本的预测体积分数与真实体积分数间的残差, 从图中可以看出B₁的平均绝对残差为0.92%, B₂的平均绝对残差为0.87%, 表明其有很高的预测精度。 式(3)中的B_i应满足

∑Bi≈1(3)

图5

Fig.5

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图5 己酸乙酯与乙酸乙酯体积比预测残差Fig.5 Prediction residuals of ethyl caproate and ethyl acetate

综合来说, 对于己酸乙酯和乙酸乙酯混合溶液而言, 只要通过两个寿命拟合, 对其系数进行分析, 对应的己酸乙酯的系数即近似为己酸乙酯的体积含量。 同理, 对应的乙酸乙酯的系数除以纯乙酸乙酯荧光寿命的系数, 比值即为乙酸乙酯的体积含量。 该方法可以用于两种或者几种物质的定量分析, 且具有较高的精度, 具有普遍适用性。