基于可口可乐荧光和滤光特性的光谱学实验

吴雨伦，刘丽飒

(南开大学 物理科学学院，天津 300071)



基于可口可乐荧光和滤光特性的光谱学实验

吴雨伦，刘丽飒

(南开大学 物理科学学院，天津 300071)

摘要：通过荧光光谱仪，确定可乐的弱荧光物质和滤光特性，对532 nm激光激发的红移现象进行解释. 自组微调夹持转向装置，利用教学用光栅单色仪定量研究了激光与可乐作用深度对光谱的影响. 实验结合了荧光光谱和物质滤光特性等知识，物理内涵丰富，可通过自组实验装置锻炼学生解决实际问题的能力.

关键词：荧光光谱;滤光特性；光栅单色仪；作用深度

1引言

可乐作为一种碳酸饮料，因为其中包含一些特殊添加剂而成为食品鉴定、分析等方面关注较多的一种物质[1]，2013年在瑞士洛桑举行的的国际物理学家锦标赛(International Physicists’ Tournament)中的一道赛题[2]有这样的叙述：使用一束绿色的激光和一瓶没有装满的可口可乐. 当绿色的激光水平照射可乐时，从瓶口处可观测到激光传播了一定距离，并且出现红移现象. 随着照射位置变深，光线红移越明显(图1). 本文研究并解释这个现象，并研究观测到的光谱随照射位置上方可乐层厚度变化的关系.

笔者将这道题目的解答，设计成全新的光谱学实验. 本文分析确定了实验现象的原理：激光射入可乐与其中的弱荧光物质作用，产生下转换荧光，观察到红移现象. 随着照射位置变深，基于可乐的滤光特性，绿色波段被吸收较红色波段明显，导致红色波段所占比例上升. 因此总光强减弱，红移现象更加明显. 实验过程中，使用532 nm波长的激光作为光源和科研荧光光谱仪研究了被激光照射的可口可乐的荧光谱并检测了物质的滤光特性；使用自组“夹持转向装置”控制激光与可乐的作用深度；利用国产的教学光栅单色仪研究不同照射距离引起的液体层厚度对光谱红移的影响.

(a)　　　　　　　　　　　(b)

(c)　　　　　　　　　　　(d)图1　红移现象随照射深度增加而增加

2原理与相关现象观察

荧光是从激发态分子衰变为自旋多重度相同的基态或低激发态时的自发发射现象. 固定激发波长，扫描发射光波长，得到荧光发射光谱. 固定发射波长，扫描激发光波长，得到荧光激发光谱.

荧光的3个基本定律[3]：

1) 为了让一种物质发射荧光，它必须吸收光和其他形式的能量.

2) 一般来说，荧光波长比激发光的波长长，即存在斯托克斯线(也存在反斯托克斯线).

3) 荧光光子产额决定于荧光发射光子数与吸收的激发光子数比值

其中kf代表荧光发射的速率常量，∑k代表各种单分子的非辐射去活化过程速率常量的总和.

现象的关键是激光束在液体中发生下转换荧光，红移量约为100 nm. 符合此情况的是荧光现象，即基于斯托克斯定律的下转换荧光. 首先入射光子将溶液粒子激发到高能级Sground+hν→Sex，之后进行兼有辐射跃迁和无辐射跃迁的过程，跃迁至低能级Sex→Slower+hν′+heat(S为能级).

荧光现象产生于可乐中的焦糖色素(一种食用色素，在可乐中除水之外含量最高，具有微弱的荧光效应[4])， 可以通过简单的对照实验验证. 如取雪碧和可口可乐，置于量杯中，分别使用532 nm绿色激光照射，可乐中产生红移现象(图2)，雪碧中没有现象(图3). 考虑对光波长移动有影响的物质，可乐中有焦糖色素，而雪碧中没有. 再如，将一定量可乐装于烧杯，在空气中静置1周(图4)，取上清液，过滤，并使用绿色激光进行照射实验，不能产生红移现象(图5). 因为此时可乐中的荧光物质焦糖色素被大部分菌类呼吸作用分解，产生的小分子物质如葡萄糖(具有旋光效应[5]，与本文的荧光现象无关)、二氧化碳和水，没有共轭双键，因而不存在荧光现象.

综上，当绿色激光射入可乐时，由于焦糖色素这种弱荧光物质的存在，产生下转换荧光，发出红光.

图2　激光通过可乐的现象

图3　激光通过雪碧的现象

图4　糖酵解

图5　红移现象消失

3定量测量

1)可口可乐荧光光谱的测量

使用Horiba公司Flog-3荧光光谱仪对可口可乐进行荧光光谱测量. 使用功率为200 mW的半导体激光器产生的532 nm激光作为外接光源(激发光)，得到可口可乐原溶液的荧光光谱，见图6. 由可乐溶液的荧光光谱可知，入射的绿光能激发出红色的荧光，是红移现象的成因.

2)可口可乐滤光特性研究

使用Horiba公司Flog-3荧光光谱仪同步测量实验，对可乐的滤光性质进行研究，并将透射光

和入射光光强比绘制成曲线(图7). 可乐具有与中心波长640 nm，带宽95 nm的带通滤波效应. 因此实验中由于可乐带通滤波特性，侧向观察杂散光时绿光的强度明显减弱，而红光透过显著，所以尽管可乐的红色荧光较弱，却可以被明显地观察到. 需要说明的是绿光减弱的明显并不是因为散射，而是基于带通滤波性质. 因为水溶液处于米氏区，产生的散射与波长关系不大[6].

图6　荧光光谱

图7　滤光特性曲线

3)透射光谱与激光和可乐作用深度的定量观测

采用国产教学用单色仪，自制夹持装置，如图8布置实验光路. 将可口可乐注入比色皿中，由铁夹夹持激光器，使用微动平台固定铁夹起到改变“照射位置”作用，固定光源为532 nm半导体激光器，竖直射入比色皿. 比色皿侧面正对光栅单色仪的探测端(光电倍增管). 对照IPT题目的描述，此装置将正常的观测方向和照射方向成90°侧向观测，即“人眼”位置等价于光栅单色仪的探测端. 有螺旋测微仪控制的夹持装置可以将水平移动设置为变量，等价于IPT题目中照射深度的变化. 转动螺旋测微仪，记录不同位置的光谱. 可见随着激光和可乐作用长度的增加，看到红色的峰值向右侧移动，红、绿光强度均减弱，但红光减弱得慢，绿红光强比下降,如图9、图10和表1所示.

图8　实验光路

图9　随照射深度变化的光谱曲线

图10　随照射深度变化的绿红中心波长光强比　数据及趋势线

D(g)/nmI(g)max/Eλm(r)/nmI(r)/EFWHM(r)/nmI(g)I(r)2.000998.6621.531.3142.031.93.000455.4616.819.1159.023.84.000388.3623.418.3162.821.25.000322.5628.215.4160.420.96.000302.9630.315.3168.519.87.000286.7635.515.1169.119.0

实验受比色皿尺寸的影响，距离变化量只能在7 mm以下. 并且由于单色仪样品仓的底座反射了大量激发光，因此测量到的杂散绿光的总量大于直接用激光照射可乐瓶不同深度时的情况，进一步完善需添加光学元件将激发绿光导出.

4结束语

可口可乐的对红光的带通滤光特性，且存在微弱的荧光物质，因此通过对可口可乐的光谱特性测试与分析，使学生可以在一个实验中学习多种光谱学知识和实验方法. 此外，在进行传统荧光实验的基本参量测量的基础上,利用自组装置,定量分析了可乐的荧光现象以及激发光与荧光物质作用距离的变化规律，拓展了实验内容,锻炼了学生的动手能力和创新能力. 可口可乐不仅取材容易，成本较低，安全性高，贴近了生活，相比于之前关于光谱仪的实验如对光谱仪的标定[7]，此实验使用光谱仪分析生活中常见的物质，趣味性强，是一个应用性好和趣味性强的综合设计性实验.

参考文献：

[1]Cheng C, Wu S C. Simultaneous analysis of aspartame and its hydrolysis products of Coca-Cola Zero by online postcolumn derivation fluorescence detection and ultraviolet detection coupled two-dimensional high-performance liquid chromatography [J]. Journal of Chromatography A, 2011,1218(20):2976-2983.

[2]International Physicists’Tournament. http://ipt.info/en/2013 [EB/OL].

[3]高立模． 近代物理实验[M]. 天津：南开大学出版社，2006，183-189.

[4]Boscolo M, Andrade-Sobrinho L G, Lima-Neto B S, et al. Spectrophotometric determination of caramel content in spirits aged in oak casks [J]. Journal of AOAC International, 2002,85(3):744-750.

[5]汪一帆，陈良雷，陈余行，等. D-葡萄糖溶液变旋规律的研究[J]. 物理实验，2012,32(10)：45.

[6]赵凯华,钟锡华. 光学[M]. 北京:北京大学出版社，2012:253.

[7]陈思,柯福顺,乐永康. 光栅光谱仪的标定[J]. 物理实验，2012，32(3)：44.

[责任编辑：郭伟]

A spectroscopy experiment based on fluorescent and filtering characters of Coca-Cola

WU Yu-lun, LIU Li-sa

(School of Physics, Nankai University, Tianjin 300071, China)

Abstract:Using fluorescence spectrometers, the weak-fluorescence substance and the optical filtering properties of Coca-Cola were found out to explain the red shift phenomenon when excited at 532 nm. The quantitative relationship between excitation depth and spectrum was studied using a set of apparatus and a grating spectrometer. This experiment applied many physics knowledge, including fluorescence spectrum, filtering properties etc. A part of the experiment devices needed to be made by students themselves, which could develop their abilities to solve problems in research.

Key words:fluorescence spectrum; optical filtering; grating spectrometer; excitation depth

中图分类号：O433.1

文献标识码：A

文章编号：1005-4642(2015)02-0038-04

作者简介：吴雨伦(1992-)，男，天津塘沽人，南开大学物理科学学院伯苓班2011级本科生.通讯作者：刘丽飒(1978-),女，河北秦皇岛人，南开大学物理科学学院副教授，博士，从事基础物理光学实验教学.

基金项目:国家基础科学人才培养基金资助(No.J1103208，No.J1210027)

收稿日期：2014-05-29；修改日期：2014-09-26

“第8届全国高等学校物理实验教学研讨会”论文