合成食品色素赤藓红、新红和靛蓝的光谱特性研究

论文摘要

本文实验研究了3种合成食品色素赤藓红、新红和靛蓝的吸收光谱和荧光光谱特性,对3种色素在不同外界环境条件下其光谱特性的变化进行了实验研究和理论分析。基于光谱特性数据,应用小波变换、导数光谱技术和人工神经网络等方法实现了多组分色素的同时测定。以浓度均为30μg/ml的赤藓红、新红和靛蓝水溶液为实验样品,对其吸收光谱和荧光光谱及相关特性进行了测量,得到了吸收峰值波长、吸光度、荧光的最佳激发波长、发射峰值波长、发射谱宽、荧光量子产率和荧光寿命等光谱特性参数。配制了15种浓度的赤藓红、新红和靛蓝的水溶液,分别测量了在各自的最佳激发波长激发下的荧光光谱,通过曲线拟合得到了荧光峰值强度随溶液浓度的增加先增大后降低的结果,对赤藓红溶液随着溶液浓度增加而出现激发光谱突变及荧光发射峰值波长红移的现象进行了分析,给出了合理的解释。研究了外界环境因素对色素光谱特性的影响:分别以水、甲醇和乙醇为溶剂,测量了不同溶剂的赤藓红溶液的荧光发射峰值波长和荧光量子产率,得到赤藓红的发射峰值波长随着溶剂的极性增大出现红移、随着溶剂形成氢键能力的增大而出现蓝移,荧光量子产率随着溶剂形成氢键能力的增大而减小的结果;测量了不同pH值的赤藓红水溶液的荧光强度,得到其荧光强度在酸性条件下随着pH值的增加而增大、在碱性条件下与溶液pH值无关的结果;测量了不同温度的新红水溶液的荧光强度和荧光寿命,通过曲线拟合得到其荧光峰值强度与温度之间满足（ F0 - F） F=ke-E RT+C的关系、其荧光寿命在5℃～90℃的温度范围内随温度的升高而线性递减的结果;用阳光、紫外灯和荧光灯等光源照射靛蓝水溶液,测量了照射不同时间后其吸收光谱和荧光光谱,通过对比不同光源照射下光谱特性的变化,得到靛蓝在紫外光照射下会出现分解,在光照5小时内,吸收光谱变化不大,荧光强度随照射时间而明显增强;对靛蓝水溶液进行持续加热,测量保持85℃不同时间的靛蓝水溶液的吸收光谱和荧光光谱,对比光谱特性变化得到靛蓝在加热条件下会出现分解的结论,并给出了靛蓝溶液的分解机理。运用小波变换、导数荧光光谱和RBF神经网络等方法,建立一种基于荧光光谱的预测模型,实现了对亮蓝和靛蓝的同时测定。首先配制了24种不同浓度的亮蓝和靛蓝混合溶液,以其中19种作为训练样本,以另外5种作为预测样本,分别测量了各个样本的荧光发射光谱。通过小波变换压缩光谱数据,用导数荧光光谱的方法窄化光谱、减少光谱重叠,以求导后得到的小波系数作为输入,训练、建立RBF神经网络进行预测,结果为,测定亮蓝和靛蓝浓度的平均相对误差分别为1.84%和1.26%。该方法可推广应用于对其他多组分合成食品色素或荧光物质进行同时测定。本文的研究结果可为光谱检测精度的提高、合成食品色素的安全使用、毒理学研究等方面的工作提供帮助。本文提出的对多组分色素溶液浓度的预测方法,可为食品安全检测提供一种新的思路。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 合成食品色素的使用及现状
• 1.1.1 食品色素简介
• 1.1.2 合成食品色素的安全现状
• 1.2 光谱分析法在食品色素研究中的应用
• 1.3 本文的主要研究工作及创新点
• 1.3.1 主要研究工作
• 1.3.2 主要创新点
• 第二章 吸收和荧光光谱分析法
• 2.1 吸收光谱和荧光光谱原理
• 2.1.1 吸收光谱原理
• 2.1.2 荧光光谱原理
• 2.2 吸收光谱和荧光光谱的特性参数
• 2.3 常用的几种光谱技术
• 2.4 光谱分析技术的特点
• 第三章 实验样品及仪器
• 3.1 实验样品
• 3.1.1 样品来源及规格
• 3.1.2 赤藓红、新红和靛蓝的理化特性
• 3.1.3 赤藓红、新红和靛蓝的使用范围和标准
• 3.2 实验仪器
• 3.2.1 AvaSpec2048 光纤光谱仪
• 3.2.2 SP-2558 多功能光谱仪
• 3.2.3 FLS920P 光谱仪
• 3.3 本章小结
• 第四章 赤藓红、新红和靛蓝的光谱特性
• 4.1 赤藓红、新红和靛蓝的吸收光谱和荧光光谱
• 4.1.1 赤藓红、新红和靛蓝的吸收光谱
• 4.1.2 赤藓红、新红和靛蓝的荧光光谱
• 4.2 赤藓红、新红和靛蓝的荧光寿命及荧光量子产率
• 4.2.1 赤藓红、新红和靛蓝的荧光寿命
• 4.2.2 赤藓红、新红和靛蓝的荧光量子产率
• 4.3 光谱特性与分子结构的关系
• 4.3.1 赤藓红、新红和靛蓝的分子结构
• 4.3.2 赤藓红、新红和靛蓝的光谱特性与分子结构的关系
• 4.3.2.1 生色团与助色团
• 4.3.2.2 重原子效应
• 4.4 不同浓度的三种合成食品色素溶液的光谱特性
• 4.4.1 三种合成食品色素的荧光浓度猝灭
• 4.4.2 赤藓红的荧光光谱红移
• 4.4.3 赤藓红荧光激发光谱的突变
• 4.4.3.1 不同浓度赤藓红溶液的荧光激发光谱
• 4.4.3.2 不同浓度赤藓红溶液的吸收光谱
• 4.4.3.3 计算及分析
• 4.4.3.4 实验验证
• 4.4.3.5 结论
• 4.5 本章小结
• 第五章 外界因素对合成食品色素及其光谱特性的影响
• 5.1 溶剂效应对赤藓红光谱特性的影响
• 5.1.1 溶剂效应的基本原理
• 5.1.2 溶剂效应对赤藓红荧光光谱的影响
• 5.2 溶液酸碱度对赤藓红光谱特性的影响
• 5.3 温度对新红溶液光谱特性的影响
• 5.3.1 新红溶液的荧光强度随温度的变化
• 5.3.2 新红溶液的荧光寿命随温度的变化
• 5.4 影响靛蓝稳定性的因素
• 5.4.1 实验样品及实验仪器
• 5.4.2 光照对靛蓝稳定性的影响
• 5.4.2.1 靛蓝溶液的吸收光谱和荧光光谱
• 5.4.2.2 太阳光照射下靛蓝溶液的光谱变化
• 5.4.2.3 紫外灯照射下靛蓝溶液的光谱变化
• 5.4.2.4 荧光灯照射下靛蓝溶液的光谱变化
• 5.4.2.5 三种光源的相对光谱能量分布
• 5.4.2.6 靛蓝分解产物的光谱特性
• 5.4.2.7 靛蓝的光照分解机理
• 5.4.3 加热对靛蓝稳定性的影响
• 5.4.3.1 加热不同时间后靛蓝的光谱变化
• 5.4.3.2 靛蓝的加热分解机理
• 5.5 本章小结
• 第六章 基于光谱特性对合成食品色素的测定
• 6.1 光谱数据的预处理
• 6.1.1 小波变换
• 6.1.2 导数荧光光谱
• 6.2 人工神经网络基础
• 6.2.1 人工神经网络的基本原理
• 6.2.2 人工神经网络的特点
• 6.2.3 常用的两种人工神经网络
• 6.2.3.1 BP 神经网络
• 6.2.3.2 径向基函数神经网络
• 6.3 导数荧光光谱结合径向基函数神经网络同时测定亮蓝和靛蓝
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文