【正文】 存在 的 具有 脂溶性色 的 素分子，可以從自然界中 直接地 分離 和 提取大約 750 種， 其 主要存在于藻類 、 高等植物和光合細(xì)菌中 [7]。 由于類胡蘿卜 素的存在 ， 使得動(dòng)物 和 植物 可以 呈現(xiàn)出各種 各樣的 顏色，它 也常 常被用作添加到飲料 和 食品中 的色劑 。 類胡蘿卜素分子 具有的 共同結(jié)構(gòu)特征是共軛多烯骨架， 其 屬于 C2h對(duì)稱點(diǎn)群。該 骨架 一般 含有 40 個(gè)碳原子，中間 的部分是具有 單雙鍵交替 結(jié)構(gòu) 的長(zhǎng)鏈共軛π電子體系，這種共軛結(jié)構(gòu) 便 決定了它們 具有能輕易的 從其它分子 中 吸收能量 的能力 ，而且 很 容易失去電子 進(jìn)而 生成穩(wěn)定的自由基。不同 種 的類胡蘿卜素分子主要 2 在于共軛鏈上的取代基 和 共軛鏈 長(zhǎng) 度 有所不同 ， （ 圖 ） 給出三種 不同 取代基和 不同鏈長(zhǎng)的類胡蘿卜素分子結(jié)構(gòu)式。類胡蘿卜素 具有 的很多光化學(xué) 和 光物理 性質(zhì)都源于其 具有 獨(dú)特的結(jié)構(gòu)。 圖 三種 常見的 類胡蘿卜素的分子結(jié)構(gòu) 類胡蘿卜素的研究現(xiàn)狀 類胡蘿卜素在光合作用 過程 中的 作用 及其機(jī)理 類胡蘿卜素 分子 在光合作用 過程 中主要有兩大 功能 :輔助 對(duì) 光能 的捕獲 ， 對(duì) 3 激發(fā)能的分配 有 調(diào)節(jié) 作用 以及使光合器官 避 免受 到 強(qiáng)光損傷 的作用中作為 光保護(hù)劑 。 我們將 對(duì)其 進(jìn)行較為詳細(xì)的 闡述 說明。 輔助 對(duì) 光能 的捕獲 ， 調(diào)節(jié)分配 激發(fā)能 ： 1941 年 ， Manning 和 Dutton 第一 次發(fā)現(xiàn)巖藻黃素 （一種類胡蘿卜素存在 于 硅藻屬的 Nitzschia clasterium 的 體內(nèi) ） 吸收的光能 在 光合作用 中被有效利用 [8]。對(duì)葉綠素 a（ Chl a)以 及其輔助色素吸收光譜 的 研究也證明了類胡蘿卜素 對(duì) 捕 獲光 能有輔助作用 。研究 表明 ，在 波長(zhǎng)為 400550nm 的光譜范圍內(nèi)，葉綠素 a（ Chl a)分子 對(duì)光能 吸收很少， 然而 類胡蘿卜素分子在此波段 范圍對(duì)光能卻 有 很 強(qiáng)的吸收，從而拓寬了光合作用 中對(duì)光能吸收 的吸收光譜范圍，起 到了對(duì)光能吸收 的 輔助 作用。輔助色素分子 和 葉綠素分子的吸收光譜圖 (圖 )表明 ， 它 們 是 在光合作用中 最 具互補(bǔ)性的 ，而且 好與葉綠素 分子 互補(bǔ)， 能夠 傳遞給葉綠素分 子的 紅吸收帶最長(zhǎng) ， 正因此 ， 輔助色素分子 能夠 輔助集光色素分子 吸收光能。 圖 LH2 復(fù)合物 的 吸收光譜 關(guān) 于 類胡蘿卜素激發(fā)能 的 傳遞有兩種理論 :Dexter 電子交換 和 F246。rster 共振能量傳遞機(jī)制。 1935 年 ， Jabfonski 經(jīng)過 研究認(rèn)為，類胡蘿卜素分子的激發(fā)能是通過 Dexter 電子交換機(jī)制進(jìn)行的 [9]。 1999 年， Damjanovic 等 研究人員 指出，類胡蘿卜素向葉綠素 a（ Chl a)分子的能量傳遞最可能是通過 F246。rster 共振能量傳遞機(jī)制 進(jìn)行的 ， F246。rster 機(jī)制也 要 比 Dexter 機(jī)制 更加 有效。 然 而 20xx 年，王水 4 才等 研究人員的 理論證明 ， PSH 捕光天線中 的 葉綠素分子 和 類胡蘿卜素分子吸收光能后， 分別 以不 相 同的機(jī)制把 吸收的 能量通過核心天線 處 傳到反應(yīng)中心 處 ， 從而穩(wěn)定地 進(jìn)行光化學(xué)反應(yīng)。 同時(shí)， 類胡蘿卜素分子 會(huì) 將 接 到的 光能 以 F246。rster或 Dexter 機(jī)制傳遞給 周圍 的 其它 類胡蘿卜素分子，而 繼 最大幾率 地 以 Dexter機(jī)制傳 遞能量 給葉綠素 a（ Chl a) [10, 11]。 光保護(hù)劑 類胡蘿卜素 還有 一個(gè)功能就是 對(duì) 反應(yīng)中心 的 保護(hù)， 使 天線色素蛋白復(fù)合物 及其 組織 和 細(xì)胞 避免受 到 強(qiáng)光的損傷。 有關(guān) 類胡蘿卜素分子 對(duì)反應(yīng)中心的 保護(hù)機(jī)理已 經(jīng) 基本明確 ： 當(dāng) 有 強(qiáng)光 照 射 在 光合系統(tǒng)上時(shí)，葉綠素 a（ Chl a)分子在強(qiáng)光 照射 下 容 易形 成三線態(tài) 的 3Chla ，而 三線態(tài) 的 葉綠素 a（ Chl a)分子 特別容 易與氧氣結(jié)合 從而 生成單線態(tài)的氧，單線態(tài)的氧 會(huì) 對(duì)光合器官造成 一定的 傷害， 這樣，類胡蘿卜素分子 就能夠 通過淬滅 3Chla ， 或者非?？焖俚厥?單線態(tài)的氧衰退回到原來的 基態(tài) (三線態(tài) )，從而起到 對(duì)光合器官的 保護(hù)作用 [12]。 類胡蘿卜素 在 生理 方面的 功能 和 應(yīng)用 類胡蘿卜素 充當(dāng) 功能性 的營(yíng) 養(yǎng)添加劑 β胡蘿卜素 作為 維生素 A的前體， 能 在動(dòng)物體內(nèi) 通過生化反應(yīng) 能轉(zhuǎn)化為維生素 A，是動(dòng)物體 獲取 維生素 A的主要來源 。 缺乏β胡蘿卜素缺乏時(shí) ， 會(huì) 產(chǎn)生 維生素 A 缺乏癥。 盡管 絕大部分 的 類胡蘿卜素 對(duì)生物體都 沒有營(yíng)養(yǎng)作用，卻有 著 不 能夠被忽略 的抗氧化作用，這 就 是它們?cè)诮陙?倍 受 廣大 學(xué)者 和大眾 關(guān)注的 根本 原因。 我們知道 ，人體 在進(jìn)行 生命活動(dòng) 時(shí)都 會(huì)產(chǎn)生自由基 ，一旦 自由基 積累 過多時(shí)，就會(huì) 在一定程度上 對(duì)人體造成 一些 傷害，如細(xì)胞衰老、組織損傷、畸形細(xì)胞產(chǎn)生等 傷害 ，科學(xué) 家 們認(rèn)為 這是 人體 逐漸衰弱 、 多病 、 逐漸 衰老 的 主要 原因 之 一。類胡蘿卜素、維生素 C 和 維生素 E 都會(huì) 對(duì)自由 基 有一定 程度上 的抑制作用， 因而，它們 都被認(rèn)定為 “抗氧化劑”。 類胡蘿卜素 具有的 抗氧化 功能 己得到 了 公認(rèn)，其抗氧化 功能 甚至 都比 維生素 C和 維生素 E要好得多 。 類胡蘿卜素預(yù)防癌癥的 作用 類胡蘿卜素能 有效 預(yù)防食道癌 出現(xiàn) 。 對(duì) 加拿大、中國(guó) 及 菲律賓的 眾多 食道癌患者 進(jìn)行 調(diào)查都 表明了 β胡蘿卜素 對(duì)食道癌有一定的 緩解作用。β胡蘿卜素也曾 5 被 用 于 治療 得了重度 口腔癌的高危險(xiǎn) 患 者。用β胡蘿卜素 來 治療 得了 口腔粘膜白斑病 的患者 ，可以使 得了 該病 患者的 病情 得 到明顯的 緩解。 然而， β胡蘿卜素對(duì)直腸癌 和 大腸癌 產(chǎn)生 的抑制 作用 卻沒有得到 足夠 明確的證明。 [1315] 類胡蘿卜素還 具有 其他 生理方面的 功能：皮膚保健，眼保健，著色功能 ， 增強(qiáng)動(dòng)物的 生殖 能 力等 。 第二節(jié) 分子光譜在類胡蘿卜素研究中的作用 紫外 可見吸收光譜 分子紫外 可見吸收光譜 的產(chǎn)生歸結(jié)于 價(jià)電子能級(jí)的躍遷，包括反鍵電子 、成鍵電子和非鍵電子 (游離基電子 、 離子 、 孤對(duì)電子等 )的躍遷。 一般情況下， 電子能級(jí) 之間的 間隔為 1—— 20ev，這一能量 范圍恰 好落于紫外 光區(qū) 與可見光區(qū)。任何 一個(gè)電子能級(jí)間的躍 遷，都 有 分子 的 轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí) 和 振動(dòng)能級(jí) 的 變化伴隨 。 因此，電子躍遷 時(shí) 的吸收線就 會(huì) 變成 包含分子 轉(zhuǎn)動(dòng) 和 振動(dòng) 精細(xì) 細(xì)結(jié)構(gòu)的 比 較寬的 光 譜帶。 它的應(yīng)用范圍 主要 包括： ①定量分析， 其被 廣泛用于各種物質(zhì)中超微量 、 微量 及其 常量的有機(jī)物質(zhì) 和無機(jī) 物質(zhì)的 測(cè)定。 ②結(jié)構(gòu)分析，紫外 可見吸收光譜還 可以被 用于 推理 氫鍵的強(qiáng)度、空間阻礙效應(yīng)、幾何異構(gòu) 、 互變異構(gòu) 等現(xiàn)象 。 ③ 對(duì) 反應(yīng)動(dòng)力學(xué) 的 研究，研究反應(yīng)物 的 濃度 與 時(shí)間的函數(shù)關(guān)系，測(cè)定反應(yīng)級(jí)數(shù) 和 反應(yīng)速度， 推斷出 反應(yīng)機(jī)理。 ④研究溶液 的 平衡， 例 如測(cè)定穩(wěn)定常數(shù)、酸堿離解常數(shù) 、 絡(luò)合物的組成等。 借助 紫外 可見 吸收光譜 ， 能 非常 準(zhǔn)確地鑒定 出 類胡蘿卜素分子 種類 。 類胡蘿卜素 屬于 多烯類化合物，是具有碳碳雙鍵 與 單鍵 相互 交替 結(jié)構(gòu) 的共軛π電子體系。在這類 具有 單雙鍵交替 結(jié)構(gòu) 的共軛多烯 類 生物分子中，吸收帶 的波長(zhǎng) 會(huì) 隨著共軛雙鍵 數(shù)量的 增加而 發(fā)生 紅移，這 便 是類胡蘿卜素分子 的 紫外 可見吸收光譜 最主要的 特點(diǎn)。 利用 紫外 可見吸收光譜對(duì)類胡蘿卜素 分子的 微結(jié)構(gòu)以及外界 不同環(huán)境對(duì)類胡蘿卜素 分子結(jié)構(gòu)的 影響的研究都是 非常具有 優(yōu)勢(shì)的。類 6 胡蘿卜素 分子 在可見藍(lán)綠光譜區(qū) 范圍 的強(qiáng)躍遷 是 允許吸收 S0S2的躍遷，吸收光譜 一般情況下會(huì) 呈現(xiàn)三 或 四個(gè)精細(xì) 的 振 動(dòng)結(jié)構(gòu)；而當(dāng) 有 端基與 一些 共軛骨架發(fā)生相互的 排斥作用 進(jìn)而會(huì) 使其與共軛多烯 不再 共平面時(shí)，分子的構(gòu)型分布 會(huì)一定程度的 展寬，振動(dòng)結(jié)構(gòu) 也會(huì) 變得不 再像以前一樣 明顯 [1617]。 類胡蘿卜素 的 吸收帶波長(zhǎng)也與 類胡蘿卜素分子所處的環(huán)境溫度 有關(guān)，在不同 的溫度環(huán)境條件下，溶 液中 的 類胡蘿卜素 分子 的吸收帶波長(zhǎng)也 會(huì)有所 改變。 激光拉曼光譜 激光 的 拉曼光譜 作為 研究物質(zhì) 的分子 結(jié)構(gòu) 強(qiáng)而 有力的工具，具有受水的干擾少 、 分辨率高 、 制樣簡(jiǎn)單等 優(yōu) 點(diǎn)，現(xiàn)已被廣泛 地 應(yīng)用于分子結(jié)構(gòu)的研究、分子識(shí)別、無機(jī) 和 有機(jī) 以及 分析化學(xué)、石油 化工、生物化學(xué) 、 催化和環(huán)境科學(xué) 、 半導(dǎo)體電子技術(shù) 、 高分子化學(xué)等 各種各樣的 領(lǐng)域。 最 近幾年， 人們 為了 能夠 提高拉曼光譜的信號(hào)強(qiáng)度，提出了一些 更加 新的 和實(shí)用的 激光拉曼分析技術(shù)以及與其他分析技術(shù)， 例 如表面增強(qiáng)拉曼光譜（ SERS）技術(shù)，傅里葉變換拉曼光譜（ FTRaman）技術(shù)，激光拉曼遙測(cè)技術(shù) 和 激光拉曼顯微技術(shù)，高壓 、 高溫原位激光拉曼光譜技術(shù)等 [1826]。 激光的 拉曼光譜在類胡蘿卜素 的分子 結(jié)構(gòu)研究中起著 非常重要 的作用，它能 夠顯示出充裕 的分子結(jié)構(gòu)信息， 比 如：光譜 的 頻率變化可以 顯示出 分子的 鍵角 、 鍵長(zhǎng)變化 的 信息 ； 拉曼光譜相 對(duì)強(qiáng)度 的 變化 能夠顯示出 共軛程度等 有關(guān)方面信息。本文 借助 拉曼光譜在類胡蘿卜素 分子 研究中的優(yōu)勢(shì)， 重點(diǎn) 分析 了 類胡蘿卜素 分子在不同溫度下的 π電子離域 和 分子結(jié)構(gòu)有 序 [2729]。 7 第二章 分子的光譜 分子 的 光譜包括 ： 紅外光譜、熒光光譜 、 核磁共振譜、質(zhì)譜、拉曼光譜 以及 紫外 可見吸收光譜等。光譜 的 強(qiáng)度主要 是由 分子能級(jí)間的躍遷幾率 大小 決定，而光譜 的 頻率則是由能級(jí)躍遷的能級(jí)差 大小來 決定。分子的結(jié)構(gòu)和 性質(zhì)能夠 通過分子 光譜 特征 表現(xiàn)出來，分子間 存在 的相互作用 也會(huì) 對(duì)分子 的 結(jié)構(gòu)有一定 程度 的影響， 從而會(huì) 在 分子 光譜中表現(xiàn)出譜線 的 線寬 、 頻移 以及 相對(duì)強(qiáng)度的變化。分子的電子振動(dòng)光譜包括 ： 紅外吸收光譜 、 紫外 可見吸收光譜 和 拉曼散射光譜。 分子的 紫外 可見吸收光譜是 由于 分子中價(jià)電子 的 能級(jí)躍遷 從而產(chǎn)生 的，它在類胡蘿卜素 分子 領(lǐng)域的研究 中 能夠提供共軛π電子體系的 相關(guān) 信息。 分子的 紅外吸收光譜 和 拉曼光譜都是分子振動(dòng)、振動(dòng) 轉(zhuǎn)動(dòng) 的 能級(jí)間躍遷 而引起 的，它在類胡蘿卜素 分子 領(lǐng)域的研究 中可以 敏銳 地顯示 出 外界 環(huán)境對(duì)類胡蘿卜素分子結(jié)構(gòu) 的影響的 微觀信息。 借助 紫外 可見吸收光譜、紅外光譜 以及 拉曼光譜 的 研究 理論 ，便能夠 得到 外界 環(huán)境對(duì)類胡蘿卜素分子的振轉(zhuǎn)動(dòng) 能級(jí) 、 分子構(gòu)象變化 和 電子能級(jí)等方面 影響的相關(guān) 信息。 第一節(jié) 分子的紫外 可見吸收光譜 分子的紫外 可見光譜是分子的價(jià)電子在吸收輻射并躍遷到高能級(jí)后所產(chǎn)生的吸收光譜，為電子光譜。由于其波長(zhǎng)的范圍位于紫外可見區(qū)域 內(nèi) ，所以 稱 為紫外 可見吸收光譜 [1, 2]。由 于在 每一個(gè)電子能級(jí) 之 間的躍遷 過程中 ，都伴隨 著 分子的轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí) 和 振動(dòng)能級(jí)的變化 ，所以， 電子躍遷 產(chǎn)生的 吸收線就 會(huì) 變成 包含分子 轉(zhuǎn)動(dòng) 和 分子振動(dòng)精細(xì)結(jié)構(gòu)的 比 較寬的譜帶。在處理光與分子 的 相互作用 過程中 ，通常 會(huì)用到 量子力學(xué)含時(shí)微擾理論對(duì)分子 進(jìn)行 研究， 然而卻會(huì) 用 諧振電場(chǎng)近似方法 對(duì)光進(jìn)行研究 ，這是 因?yàn)楹芏嗟南?關(guān)光吸收現(xiàn)象都 能夠用 這種半經(jīng)典的近似 理論 來解釋。電子 的 吸收強(qiáng)度正比于躍遷偶極 ( ba?)的平方， a?和 b?，abba ???? ? 分別為分子 的 基態(tài) 電子波函數(shù) 和激發(fā)態(tài)電子波函數(shù) ，?是 分子的 8 偶極算符。分 子的電子躍遷允 許與否 取決于分子對(duì)稱性 情況 。 輻射躍遷的選擇定則和吸收強(qiáng)度 [3] 分子的 紫外 可見吸收光譜是 用來 研究電子在基態(tài)和激發(fā)態(tài)間躍遷 的 過程中的 輻射吸收行為的 ， 這種輻射吸收行為 受到 輻射躍遷的選擇定則 的 限制。電子 的吸收光譜 跟 光 與分子的 振蕩電場(chǎng)相互作用 從而 產(chǎn)生 的 躍遷偶極距有關(guān)。根據(jù)量子力學(xué)的微擾理論，分子 從 基態(tài) 0? 躍遷到某 一 個(gè)激發(fā)態(tài) f? 的躍遷概率與躍遷距0 f???的平方成正比，即 躍遷概率 = ? ?320( 8 3 ) f o fht? ? ? ??? 式中， ? 為偶極距 的 算 算 符， ? ?fv0? 為產(chǎn)生 0? → f? 的 躍遷所需的輻射密度，t 為 光 照射 的 時(shí)間。所以 ，