1、本科生毕业论文册学院 化学与材料科学学院 专业 科学教育 班级 09 级 学生 潘琦 指导教师 刘德龙 河北师范大学本科毕业论文任务书编 号： 化学与材料科学学院 2013 届 219 论文题目：荧光光谱结合正交投影法在中药多药效组分中的定量分析研究 学 院： 化学与材料科学学院 专业： 科学教育 班级： 09 级 学生姓名： 潘琦 学号： 2009010219 指导教师： 刘德龙 职称： 教授 1、论文（设计）研究目标及主要任务（1）介绍中药研究的现状。（2）主要研究 7-甲氧基香豆素和滨蒿内酯二组分混合物的荧光激发光谱。（3）利用荧光激发光谱和正交投影法结合解析二组分的荧光图谱，对各自的成
2、分进行定量的分析研究。2、论文（设计）的主要内容配制不同浓度配比的 7-甲氧基香豆素和滨蒿内酯的混合物溶液，分别测定其荧光激发光谱，结合化学计量学正交投影法对数据进行分析，得出结果，并对结果进行讨论。为以后解析中药的多组分奠定基础。3、论文（设计）的基础条件及研究路线通过查阅 7-甲氧基香豆素和滨蒿内酯相关文献，首先确定了二组分混合溶液的适宜 pH环境，配制一系列不同浓度配比的 7-甲氧基香豆素和滨蒿内酯的混合物溶液，测定的 1-9 组的荧光激发光谱作为校正集，分别测定 6 组待测样品的荧光激发光谱结合化学计量学正交投影法对数据进行处理，得到结果，并进行讨论。4、主要参考文献1聂瑾芳.二阶张量
3、校正新算法研究及其哎三维荧光分子中的应用D.湖南:湖南大学,2010.2徐永群,徐坦 ,陈小康等.三维荧光等高线特征及其应用研究J.分析测试学报,2008,27(11):1151-1156.3盖云,鲍成满 ,叶树明等.化学计量学方法在三维荧光光谱分析中的应用J.光谱学与光谱分析,2011,7(31):1828-1833.4魏永巨等, 中药三维荧光检测法M,北京:科学出版社,2012.5杨春飞.中药成分滨蒿内酯、7-甲氧基香豆素的荧光性质与分析方法研究D.河北:河北师范大学,2009.5、计划进度阶段 起止日期1 毕业论文选题,填写毕业论文任务书、论文开题 2013.01.10-2013.03.
4、102 进行毕业论文的文献调研和初稿的写作 2013.03.11-2013.03.313 进行毕业论文的中期检查工作 2013.04.01-2013.05.014 进一步修改论文，并最终定稿 2013.05.01-2013.05.085 论文答辩、填报毕业论文的有关资料 2013.05.09-2011.05.20指导教师签名： 课程组长签名： 年 月 日 年 月 日学院审查意见： 教学院长签名： 年 月 日注：一式三份，学院（系） 、指导教师、学生各一份河北师范大学本科生毕业论文开题报告书学院：化学与材料科学学院 专业：科学教育 班级：09 级学生姓名 潘琦论文题目荧光光谱结合正交投影法在中药
5、多药效组分中的定量分析研究指导教师 刘德龙专业职称 教授所属课程组分析化学研究室研究方向 分析化学课题论证：中药不仅是我国的文化瑰宝，而且也是世界文化的一部分。但是中药品成分复杂，单味中药中就含有几十种乃至更多的化学成分，中药作用的特点是多成分整体作用于机体。如何从繁多的化学成分中寻找出中药的有效活性成分并进行系统分析与研究，已成为中药分析工作者亟待突破的重点。传统的化学分析方法往往需要将感兴趣的待测药物组分与复杂基质背景干扰进行预先分离,即繁琐的分离步骤,而且有时这种分离很难实现。近年来，数学和计算机技术与分析化学的密切结合，促进了分析仪器的迅速发展。由计算机控制的智能化荧光仪器可以快速获取
6、、储存和处理大量的光谱数据，将三维荧光技术应用于中药分析，便产生了中药三维荧光图谱。这种图谱可以给出被测体系全面的荧光信息，为复杂中药体系的荧光分析提供了方便。由三维荧光图谱中荧光峰的位置和形状可以对药材种类进行鉴别，由荧光峰的强度可以估计荧光成分的含量，进而评价药材的质量。本实验利用荧光光谱与化学计量学正交投影法结合对 7-甲氧基香豆素和滨蒿内酯的混合物的荧光激发光谱进行解析，可以获得未知混合物中二者各自的浓度，为以后中药成分的定量分析研究奠定基础。方案设计：1、 选择合适的缓冲溶液 pH，经过查阅文献和实验论证，7-甲氧基香豆素和滨蒿内酯在 pH=9 的缓冲溶液中较稳定，所以在 pH=9
7、的条件下对其进行三维荧光扫描。2、 设计 16 组不同溶度梯度滨蒿内酯、7-甲氧基香豆素混合溶液的标准品溶液的如表中所示。表中的数值仅代表相对的比例，并非是真实浓度，真实浓度为回归后的浓度值。其中 1-9 组是校正集，10-15 组是待测样。进度计划：2011.01.102011.03.10 毕业论文选题、文献调研、填写毕业论文任务书、论文开题报告2011.03.112011.03.31 进行毕业论文的初稿的写作2011.04.012011.05.01 毕业论文的中期检查工作2011.05.012011.05.08 进一步修改论文，并最终定稿2011.05.092011.05.20 论文答辩、
8、填报毕业论文的有关资料指导教师意见：指导教师签名： 年 月 日课题组意见：课程组长签名： 年 月 日河北师范大学本科生毕业论文文献综述中药不仅是我国的文化瑰宝，而且也是世界文化的一部分。但是中药品成分复杂，单味中药中即含有几十种乃至更多的化学成分，中药作用的特点是多成分整体作用于机体，如何从繁多的化学成分中寻找出中药的有效活性成分并进行系统分析与研究，已成为中药分析工作者亟待突破的重点。传统的化学分析方法往往需要将感兴趣的待测药物组分与复杂基质背景干扰进行预先分离,即繁琐的分离步骤,而且有时这种分离很难实现。近年来，有关中药有效成分、药理作用、质量控制方法的研究已取得了一定得成果，中药的检测方
9、法己经发展到利用各种仪器分析技术对中药进行定性分析和定量分析。常用的分析手段有高效液相色谱方法(HPLC)，液相色谱-质谱联用法(LC-MS 法)，荧光光谱法等。荧光分析法是根据所扫描物质分子荧光光谱性状、出峰位置进行定性，荧光强度进行定量的一种分析方法。荧光分析法以灵敏度高，选择性好等突出优点越来越受到中草药分析工作者的重视。因为三维荧光光谱能够比二维荧光光谱更有效地反映荧光光谱信息,它不仅可以提高测量灵敏度, 而且能够更加全面地展现样品的荧光信息, 有利于综合考查样品的组分分布及构型变化特征，可用于表征化学成分繁多的中药体系，应用前景广泛。近年来，数学和计算机技术与分析化学的密切结合，促进
10、了分析仪器的迅速发展。化学计量学方法综合运用数学、统计学、计算机科学的理论与方法， 极大优化了量测过程, 并通过解析测量数据最大限度地获取了有用信息。计算机控制的智能化荧光仪器可以快速获取、储存和处理大量的光谱数据。三维荧光技术应用于中药分析产生的三维荧光图谱可提供被测体系较全面的荧光信息，利用三维荧光图谱中荧光峰的位置和形状可以对药材种类进行鉴别，由荧光峰的强度可以估计荧光成分的含量，进而评价药材的质量 7。三维荧光指纹技术与化学计量学方法相结合对复杂混合物质或多组分体系的解析是三维荧光指纹技术的一个重要发展方向，在其应用的过程中，它灵活、直观、准确、可靠，不受经验和谱图诊断水平的影响，便于
11、推广使用。 本文通过查阅资料了解了中药茵陈中滨蒿内酯、7-甲氧基香豆素的二组分的荧光光谱性质。利用化学计量学正交投影法与荧光激发光谱结合，测量并分析不同浓度配比下的 7-甲氧基香豆素和滨蒿内酯混合物的三维荧光图谱。以复杂的数学分离代替化学分离。在有相互干扰的情况下，对待测的 7-甲氧基香豆素和滨蒿内酯的混合溶液进行定量分析，为以后的中药成分的定量分析研究奠定基础。参考文献1 聂瑾芳.二阶张量校正新算法研究及其哎三维荧光分子中的应用D. 湖南:湖南大学,2010.2 徐永群,徐坦,陈小康等.三维荧光等高线特征及其应用研究J.分析测试学报,2008,27(11):1151-1156.3 盖云,鲍成
12、满,叶树明等.化学计量学方法在三维荧光光谱分析中的应用 J.光谱学与光谱分析,2011,7(31):1828-1833.4 魏永巨等,中药三维荧光检测法M,北京:科学出版社,2012.5 杨春飞.中药成分滨蒿内酯、7-甲氧基香豆素的荧光性质与分析方法研究D.河北:河北师范大学,2009.6 孙翔宇.交替三线性分解算法在复杂体系三维荧光光谱测量中的应用研究D. 湖南:湖南大学,2004.7 刘佳.化学计量学二阶校正法用于复杂体系抗癌药物的定量分析D. 湖南:湖南大学,2008.8 刘雅兰,刘翠格,魏永巨等.中药常山水浸液的荧光光谱研究J.光谱学与光谱分析,2007,27(2):342-345.9
13、 付川,来守军,赵倩倩等.三维荧光中药指纹图谱研究J.光谱实验室,2010,27(1):180-183.10 黄冬兰,曹佳佳,徐永群等. 三维荧光指纹技术的应用研究进展J.韶关学院学报自然科学,2008,9(27):65-69.11 江军朵.化学计量学三维数据解析法在复杂体药物检测中的应用D. 湖南:湖南大学,2007.河北师范大学本科生毕业论文翻译文章荧光发射的特征荧光的世界是一个多彩的世界，在黑暗当中，在白天的色彩就会消失。只有强烈发光色度的荧光物质被紫外光所照射，它才会发出令人夺目的光彩。Sterling Gleason 1960本章描述了在溶液当中一个激发态分子的荧光发射特性。在本实验
14、中我们不考虑光所涉及的光物理过程中的分子间的作用，例如电子转移、质子转移、能量转让等。3.1 电子态之间辐射与无辐射跃迁PerrinJabl。onski 图（图 3.1）用一种简单的方法，把能量吸收的过程可视化：光子吸收、内部转化、荧光、系统交叉、磷光、延迟磷光和三重态-三重态过渡。单态电子用 S0(基态电子)、S 1、S 2和三重态，T 1,T2振动水平相关的电子状态。注意到在 10-15s 时，相对于其他的过程来说吸收非常快，由此可知根据 FranckCondon 原理，它没有核子的伴随位移。垂直的箭头和能量的吸收是相一致的，从 0（最低）振动能级 S0开始，因为分子中的大多数在室温下的能
15、级水平，就如在图 B3.1 所示的一样。Box 3.1 Boltzmann 定律，分子能级的相对分布。对于一些芳香烃，例如萘、蒽、二萘嵌苯，吸收荧光光谱显示出了振动谱带，在振动能级和 FranckCondon 因子之间的能量间距决定了振动能级的相对密度在 S0和 S1是相似的，因此，发射光谱好似吸收光谱（镜像规则）。在 1 和 0 的振动能级 E0和 E 1上，N 1和 N0的分子数量比率，根据 Boltzmann Law 定律得：K 代表波尔兹曼常数 T：吸收的温度例如，蒽的吸收-发射光谱在 1 和 0 的振动能级之间，显示的波数间距大约是 1400cm-1，能量间距是2.810-20J.在
16、这种情况下，室温下的 N1/N0的比值是 0.001。然而，应该注意的是，大对数的荧光分子表现出了宽阔的、无结构的吸收和发射带，这表示每个电子状态都是由几乎连续的流形振动能级组成。例如，如果在 S0和 S1 态的 0 和 1 的振动能级之间的能量不同，波数间距是 500cm-1，N 1/N0的比率变成了 0.09，因此，激发的产生来自于振动激发能级的 S0基态。这可以解释为什么吸收光谱和荧光光谱可以部分的重叠。在所有的情况下，S 0和 S1之间的能隙一定会比振动能级大，由于热力学能定律，在室温下的发现 S1态分子的概率几乎是零。3.11 内部转换在同步自旋多重性的两电子态之间，内部转换是以无辐
17、射跃迁形式实现的。在溶液中，这个过程发生在对最终电子态的最低振动能级的振动弛像之后。在受激分子与周围溶剂分子的碰撞期间这些额外的振动能量可以被真实的转移到溶剂当中。当一个分子被比第一激发态的最低振动能级更高的能量所激发时，振动弛像（内部转换如果但激发态高于 S1）导致受激分子随着 的时间尺度 向 S1单重态的 0 振动能级过渡。 从 S1，内部转换到 S0是可能的，但是没有从 S1到 S2的转换有效率，因为在 S1到 S0之间有较大的能隙。因此，从 S0到 S1的内部转换可以和光子发射（荧光）与系统间交差到三重态来自可能被看到的光子发射（磷光）相竞争。3.12 荧光性伴随着 S1S0的释放的光
18、子发射叫做荧光。它强调的是除了一些异常外，荧光发射来自于 S1，因此它的特性（除了极化）不依赖于激发波长（当然是在只有一种存在的基态） 。0-0 过渡通常是相同的荧光光谱和吸收光谱。然而， 荧光光谱处在比吸收光谱更高的波长处，这是由于在激发态时的振动弛像造成了能量的损失。根据 Stokes 规则，荧光发射的波长总是高于吸收的波长。可是，在大部分情况下，吸收光谱和发射光谱是由部分重叠的，一部分光以比吸收波更短的波长被释放。乍一看，这样的观测结果好像是和能量守恒定律是相矛盾的。然而，正如爱因斯坦首次提到的，能量缺陷实际上是可以被补偿的，在室温下，分子的一小部分在基态和激发态的振动能级是高于 0 级
19、的，在低温下，这是不违背 Stokes 规则的。一般来说，在基态和激发态，不同能级之间的不同之处是相似的。因此，荧光光谱的第一个吸收带是相似的。第一吸收带的最大值和荧光的最大值之间的间隙（以波数表示）被称作 Stokes 位移。应该注意的是，光子的发射和光子的吸收都是非常快的。然而，受激分子在发射光子或者受到其他的灭磁过程（系统间交差、内部转换）之前会停留在 S1态一段的时间（几十微微秒到几百纳秒，这取决于分子和介质的类型）。因此，当大量的分子受到短脉冲光的激发之后，荧光的强度随着时间以指数下降，这反映了受激分子在 S1态的平均寿命。这种强度衰变与放射衰变相似也是呈指数下降，具有时间特性，被称
20、作放射期，反映的是一个放射元素在解体前的平均寿命。荧光光子的发射被描述为一种自发的过程。在某种状态下，受到激发就会发生。3.2 BOX 自发发射和受激发射 爱因斯坦系数描述的是在 E1和 E2 两个能级之间分子过渡的可能性。B 12是诱发吸收系数，B 21是诱发发射系数，A 21是自发发射系数。从 E2到 E1的诱发发射过程与它的诱发吸收过程具有同样的速率，因此，B12=B21状态 1 和 2 的分子数量 N1和 N2,它是满足 Boltzmann 法则的。H 表示是 Plancks 常数；从状态 1 到状态 2 的吸收的速率是 其中 （v）表示的是样品在频率是 v 时的入射能量密度。从状态
21、1 到状态 2 的放射速率是 在平衡状态，这两个速率是相等的。Planck 黑体辐射定律给出的辐射密度 （v）由以上三个方程式可以推导出：注意到，A 21/B21的比率与频率的立方成正比。因为这个原因，在可见光区域基本上，所有的发射都是自发辐射水平，然而，可以忽略的自发辐射的较长波长（例如无线电频率）却并非如此。 观察诱导发射的条件是第一单重态 S1的数量比 S0多，根据波兹曼分布，在室温的条件下是达不到上面的条件的，因此需要数量的转换（即 Ns1Ns0）.对于四个能级系统的转换，可以通过强光源（闪光灯或者激光）使用光泵来实现，染料激光器就是以这样的方式来实现的，或者在气体中放电都可以被使用（
22、气体激光器、铜蒸汽激光器） 。与自发发射相比，诱导发射（又称作激发发射）与其具有一致性，即所有发射的光子具有同样的物理特性：它们具有同样的方向、位移、和偏振，这种属性是激光发射的特征。长期的诱导发射来源于激发态的原子或者分子的入射光子的相互作用引起的去激发作用，这些诱导光子的发射和入射光子具有同样的特性。翻译原文Characteristics of fluorescence emissionThe world of fluorescence is a world of beautiful color. In the darkness all the ordinary colors of our
23、 daylight world disappear. Only the intensely glowing hues of fluorescent substances touched by the ultraviolet beam shine out with striking clarity.Sterling Gleason, 1960This chapter describes the characteristics of the fluorescence emission of an excited molecule in solution. We do not consider he
24、re the photophysical processes involving interactions with other molecules (electron transfer, proton transfer, energy transfer, excimer or exciplex formation, etc.). These processes will be examined in Chapter 4.3.1 Radiative and non-radiative transitions between electronic statesThe PerrinJablonsk
25、i diagram (Figure 3.1) is convenient for visualizing in a simple way the possible processes: photon absorption, internal conversion, fluorescence, intersystem crossing, phosphorescence, delayed fluorescence and triplettriplet transitions. The singlet electronic states are denoted S0 (fundamental ele
26、ctronic state), S1; S2; . . . and the triplet states, T1; T2; . . . : Vibrational levels are associated with each electronic state. It is important to note that absorption is very fast ( 10-15 s) with respect to all other processes (so that there is no concomitant displacement of the nuclei accordin
27、g to the FranckCondon principle; see Chapter 2).The vertical arrows corresponding to absorption start from the 0 (lowest) vibrational energy level of S0 because the majority of molecules are in this level at room temperature, as shown in Box 3.1. Absorption of a photon can bring a molecule to one of
28、 the vibrational levels of S1; S2; . . . : The subsequent possible de-excitation processes will now be examined.Box 3.1 Relative populations of molecules in the vibrational energy levels according to the Boltzmann LawFor some aromatic hydrocarbons such as naphthalene, anthracene and perylene, the ab
29、sorption and fluorescence spectra exhibit vibrational bands. The energy spacing between the vibrational levels and the FranckCondon factors (see Chapter 2) that determine the relative intensities of the vibronic bands are similar in S0 and S1 so that the emission spectrum often appears to be symmetr
30、ical to the absorption spectrum (mirror image rule), as illustrated in Figure B3.1.The ratio of the numbers of molecules N1 and N0 in the 1 and 0 vibrational levels of energy E1 and E0, respectively, is given by the Boltzmann Law:N1/N2=exp-（E 1-E0）/kTwhere k is the Boltzmann constant ( k=1.380710-23
31、 J K-1 ) and T is the absolutetemperature.For instance, the absorption and emission spectra of anthracene show a wavenumber spacing of about 1400 cm-1, i.e. an energy spacing of 2.810-20J, between the 0 and 1 vibrational levels. In this case, the ratio N1/N0 at room temperature (298 K) is about 0.00
32、1.However, it should be noted that most fluorescent molecules exhibit broad and structureless absorption and emission bands, which means that each electronic state consists of an almost continuous manifold of vibrational levels. If the energy difference between the 0 and 1 vibrational levels of S0 (
33、and S1) is, for instance, only about 500 cm-1, the ratio N1/N0 becomes about 0.09. Consequently, excitation can then occur from a vibrationally excited level of the S0 state. This explains why the absorption spectrum can partially overlap the fluorescence spectrum (see Section 3.1.2).Finally, in all
34、 cases, the energy gap between S0 and S1 is of course much larger than between the vibrational levels, so the probability of finding a molecule in S1 at room temperature as a result of thermal energy is nearly zero (ES1-ES0 10-19 J, compared with kT 4 10-21 J.)3.1.1 Internal conversionInternal conve
35、rsion is a non-radiative transition between two electronic states of the same spin multiplicity. In solution, this process is followed by a vibrational relaxation towards the lowest vibrational level of the final electronic state. The excess vibrational energy can be indeed transferred to the solven
36、t during collisions of the excited molecule with the surrounding solvent molecules. When a molecule is excited to an energy level higher than the lowest vibrational level of the first electronic state, vibrational relaxation (and internal conversion if the singlet excited state is higher than S1) le
37、ads the excited molecule towards the 0 vibrational level of the S1 singlet state with a time-scale of 10-1310-11 s.From S1, internal conversion to S0 is possible but is less efficient than conversion from S2 to S1, because of the much larger energy gap between S1 and S0. Therefore, internal conversi
38、on from S1 to S0 can compete with emission of photons (fluorescence) and intersystem crossing to the triplet state from which emission of photons (phosphorescence) can possibly be observed.3.1.2 FluorescenceEmission of photons accompanying the S1 S0 relaxation is called fluorescence. It should be em
39、phasized that, apart from a few exceptions2), fluorescence emissionoccurs from S1 and therefore its characteristics (except polarization) do not dependon the excitation wavelength (provided of course that only one species exists in the ground state).The 00 transition is usually the same for absorpti
40、on and fluorescence. However, the fluorescence spectrum is located at higher wavelengths (lower energy) than the absorption spectrum because of the energy loss in the excited state due to vibrational relaxation (Figure 3.1). According to the Stokes Rule (an empirical observation pre-dating the Perri
41、nJablonski diagram), the wavelength of a fluorescence emission should always be higher than that of absorption. However in most cases, the absorption spectrum partly overlaps the fluorescence spectrum, i.e. a fraction of light is emitted at shorter wavelengths than the absorbed light. Such an observ
42、ation seems to be, at first sight, in contradiction to the principle of energy conservation. However, such an energy defect is compensated for (as stated by Einstein for the first time) by the fact that at room temperature, a small fraction of molecules is in a vibrational level higher than level 0
43、(distribution among the energy levels fulfilling the Boltzmann Law; see Box 3.1) in the ground state as well as in the excited state. At low temperature, this departure from the Stokes Law should disappear.In general, the differences between the vibrational levels are similar in the ground and excit
44、ed states, so that the fluorescence spectrum often resembles the first absorption band (mirror image rule). The gap (expressed in wavenumbers) between the maximum of the first absorption band and the maximum of fluorescence is called the Stokes shift.It should be noted that emission of a photon is a
45、s fast as absorption of a photon ( 10-15 s). However, excited molecules stay in the S1 state for a certain time (a few tens of picoseconds to a few hundreds of nanoseconds, depending on the type of molecule and the medium) before emitting a photon or undergoing other deexcitation processes (internal
46、 conversion, intersystem crossing). Thus, after excitation of a population of molecules by a very short pulse of light, the fluorescence intensity decreases exponentially with a characteristic time, reflecting the average lifetime of the molecules in the S1 excited state (excited-state lifetime; see
47、 Section 3.2.1). Such an intensity decay is formally comparable with a radioactive decay that is also exponential, with a characteristic time, called the radioactive period, reflecting the average lifetime of a radioelement before disintegration.The emission of fluorescence photons just described is
48、 a spontaneous process. Under certain conditions, stimulated emission can occur (e.g. dye lasers) (see Box 3.2).Box 3.2 Spontaneous and stimulated emissionsThe Einstein coefficients characterize the probability of transition of a molecule between two energy levels E1 and E2 (Scheme B3.2). B12 is the
49、 induced absorption coefficient (see Chapter 2), B21 is the induced emission coefficient and A21 is the spontaneous emission coefficient. The emission-induced process E2 E1 occurs at exactly the same rate as the absorption-induced process E1 E2, so that B12= B21.The number of molecules in states 1 and 2 is
