综述：甜菜苷的光子学应用

《Molecules》：Photonic Applications of Betanin

　　

甜菜苷（Betanin）是红甜菜（Beta vulgaris）中提取的主要甜菜青素（betacyanin）及主要色素。尽管其作为食品着色剂、比色传感器、抗氧化剂、抗炎剂和抗菌剂的应用已广为人知，但这一天然染料在光和电响应材料及器件领域仍被低估和未充分利用。本综述全面描述了该发色团的光学性质和分子轨道，以及其激发态弛豫动力学和发射量子产率。其激发态特征的其他相关基本行为，如顺反异构化（cis-trans-photoisomerization）、单重态-单重态能量转移（singlet–singlet energy transfer）、光诱导电子转移（photo-induced electron transfer）、单线态氧（1O2）的光敏化以及相对光不稳定性，也以较为详细的篇幅加以介绍。基于甜菜苷的光导材料及其相关器件，如有机发光二极管（organic light emitting diodes, OLEDs）和染料敏化太阳能电池（dye-sensitized solar cells, DSSCs），亦予以综述。其他可见光驱动过程，如基于含甜菜苷组装体/复合材料的光动力学过程和异相催化，也得到了论证。最后，综述还探讨了甜菜苷作为非线性光学（nonlinear optical, NLO）材料的应用。

1. 引言

甜菜苷（betanidin-5-O-β-葡萄糖苷）是一种两性离子分子，属于甜菜青素家族，是甜菜红素（Betalains）的主要色素，主要从红甜菜中提取。甜菜青素家族的结构特征在于甜菜醛氨酸（betalamic acid）与环多巴（cyclo-DOPA）的化学缩合，前者决定颜色，后者调节光物理性质。甜菜苷的红紫色使其可作为食品着色剂，但近几十年来其研究兴趣已扩展至其他诸多领域。甜菜苷还表现出丰富的抗氧化及治疗特性，如抗癌、抗糖尿病、抗菌和神经保护活性。在自然界中，该色素也被某些植物用于调节传粉者感知的发射波长以吸引传粉者。甜菜苷的大规模利用主要涉及无毒食品和饮料着色剂，有时也用于化妆品。然而，其主要缺点是热稳定性和化学稳定性差，因此储存或长期应用受到限制。甜菜苷也是单线态氧的光敏剂，在牙科和光动力治疗（photodynamic therapy, PDT）中具有潜在应用。然而，甜菜苷也能高效与¹O₂反应生成2-脱羧-2,3-脱氢甜菜苷，其双分子速率常数在D₂O中为1.20 ± 0.15 × 10⁸ M^?1s^?1。甜菜苷的光敏化与抗氧化行为构成一个悖论，其最终结果由动力学决定。早期研究将强吸收的甜菜苷描述为“非荧光”色素，后修正为弱荧光。甜菜苷的激发态性质丰富，包括弱荧光、超快S₁激发态衰变、快速电子与能量转移、DSSCs和OLEDs设计、NLO材料、光催化、¹O₂光敏化及其在PDT和抗菌活性中的应用，以及光诱导顺反异构化。本综述重点阐述三个悖论：(1) 超快内转换速率将超过99%的吸收光能转化为热量，然而仍观察到短寿命荧光、光诱导电子转移和DSSC设计；(2) 未观察到系间窜越，却进行了光动力治疗；(3) 甜菜苷倾向于光合成¹O₂，但其内在抗氧化行为也倾向于以自我牺牲方式捕获同一活性氧（reactive oxygen species, ROS）。

2. 光学性质与分子轨道

甜菜苷的吸收光谱特征为位于535 nm处的强而宽的吸收带，吸收系数（ε）为65,000 M^?1cm^?1，表明该电子跃迁是强允许的。红色和较大ε值的根源在于发色团苯基-N⁺=C-C=C-C=C-CO₂H，该发色团在分子骨架内由环状结构相对平面化。根据Strickler-Berg关系，甜菜苷的大ε值预示其荧光寿命极短（<1 ns）。在双环基团上引入不同取代基可导致吸收最大值进一步红移，且均表现出大ε值。甜菜苷为弱荧光，首次在甜菜根提取物中观察到λ_emi = 610 nm的发射。苯基上的取代几乎可关闭荧光，此现象称为“松螺栓”效应（loose bolt effect）。DFT计算表明，S₁态为ππ*态，由HOMO→LUMO激发产生，且具有从二酚基团（推）到共轭C=C-CO₂H吸电子端基（拉）的电荷转移（charge transfer, CT）特征。共振拉曼光谱进一步证实了该S₁态归属，最强拉曼峰位于1387、1517和1602 cm^?1，分别归属于共轭ν(C=C)模式和苯环ν(C=C)模式。

3. 激发态动力学与量子产率

甜菜苷的荧光寿命（τ_F）和量子产率（Φ_F）首次测量于十多年前：在水、甲醇和乙二醇（粘度16.1 cP）中，τ_F分别为6.4、7.7和27 ps，Φ_F分别约为0.0007、0.0013和0.0046。相应的辐射速率常数（k_F）约为1.1 × 10⁸、1.7 × 10⁸和1.7 × 10⁸ s^?1，与Strickler-Berg方程计算的1.8 × 10⁸ s^?1相符。非辐射速率常数（k_nr）在水、甲醇和乙二醇中分别约为1.6 × 10¹¹、1.3 × 10¹¹和0.37 × 10¹¹ s^?1。粘度依赖实验有力证明S₁激发态通过分子运动被高效去活化，甜菜苷将光能转化为热量的效率超过99%。此外，在醋酸存在下，质子化甜菜苷还观察到Soret（或反Kasha）荧光（S₂ → S₀），其衰变为双相：主要组分τ_F = 29 ps（相对强度91%），次要组分τ_F = 9 ps（相对强度9%）。甜菜苷从未检测到磷光，这与瞬态吸收光谱显示该染料不发生系间窜越的结论一致。

4. 顺反异构化

上述高效非辐射去活化过程源于快速内转换速率k_ic，伴随超快顺反异构化，估计占S₁布居耗散的50%。该研究强调发色团须经过中间扭转态，随后通过圆锥交叉进行快速分子弛豫。室温下，甜菜苷以E（反式）和Z（顺式）两种形式存在，比例为80:20。甜菜苷异构化为异甜菜苷在蒸煮样品时也会发生，但从未观察到该过程可被光化学诱导。

5. 单重态-单重态能量转移

许多花含有黄色甜菜黄素（betaxanthins），其具有荧光，使花朵具有发射性，从而提供特定发射波长吸引传粉者。紫色甜菜青素（即甜菜苷）在甜菜黄素附近起到光谱调节器的作用。花瓣发射光的调节可通过辐射和非辐射两种机制实现。辐射途径为甜菜苷发色团吸收甜菜黄素发光团发射的光。非辐射途径为激发态供体（甜菜黄素）向弛豫受体（甜菜苷，S₀）的能量转移，可通过F?rster（FRET）或Dexter机制发生。FRET速率k_ET由供体辐射速率常数、取向因子κ²、供体-受体中心距r⁶的倒数及归一化重叠积分J决定。Dexter机制源于激发供体与弛豫受体之间的双电子交换，其速率与exp(?2r/L)成正比。若r < L则Dexter主导，若r > L则FRET主导。在甜菜根提取物溶液中直接提供了单重态-单重态能量转移（FRET）存在的明确证据。通过混合不同天然染料，在溶液和凝胶介质中获得了白光发射，并估算了相应的k_ET值。

6. 光诱导电子转移

廉价的甜菜苷给电子色素也被用作器件中的光活性组分。例如，将甜菜苷浸涂在赤铁矿（α-Fe₂O₃）纳米结构薄膜上作为光阳极，甜菜苷通过羧酸基团与Fe(III)中心的配位键合附着于赤铁矿。光氧化反应的第一步为甜菜苷* + 赤铁矿 → 甜菜苷^+• + 赤铁矿^?•，光电流密度从原始赤铁矿的0.0798 mA/cm²增至0.19 mA/cm²。光致发光寿命从原始固态的2 ns降至包覆态的0.11 ns，表明存在激发态猝灭，与电子转移过程一致，电子转移速率k_et为8.6 × 10⁹ s^?1。对TiO₂和ZrO₂纳米颗粒（NPs）的飞秒瞬态吸收光谱研究表明，电子注入发生在约1 ps时间尺度，k_et约为8.6 × 10¹¹ s^?1。甜菜苷/TiO₂ NPs体系涉及从甜菜苷*到TiO₂ NPs的同时双电子注入，并伴随氧化产物2-脱羧-2,3-脱氢甜菜苷的形成。对ZnO NPs体系的研究表明，光注入电子在14 ps内完成，随后在μs时间尺度以双相方式复合（84%在1.5 μs，16%在20.6 μs），该慢速复合过程为太阳能电池应用开辟了道路。

7. 染料敏化太阳能电池

甜菜苷的光氧化过程为制造太阳能电池（尤其是DSSCs）提供了机会。尽管甜菜苷具有超快内转换速率k_ic的不利条件，但其丰富、廉价、环保且无毒。内转换过程与同样超快的光诱导电子注入过程竞争，两者恰好在相同时间尺度（ps）内发生，导致η值较低。使用甜菜苷作为主要或唯一染料的DSSC器件已有诸多报道，最佳η值（η > 3%）在过去五年内获得。染料混合物的使用具有吸收窗口宽的优点，可优化光捕获。对含甜菜苷的TiO₂ NPs进行Al、Mg等金属掺杂的研究也有开展。

8. 有机发光二极管

与太阳能电池相反，OLED是将电能转化为光的器件。甜菜苷在固态下也是半导体。近期一个例子是使用从ayrampo种子种皮中分离的2′-O-芹菜糖基-6′-O-巴豆酸–甜菜苷（Achkiy）。该分子在可见区作为薄膜具有光致发光特性。OLED结构为玻璃/ITO/Achkiy/TPBi/LiF/铝，产生的电致发光最大值位于约390 nm，相对于534 nm的最低能量吸收带发生蓝移，此现象类似于甜菜苷的S₂→S₀（Soret）荧光。计算表明HOMO和LUMO分别集中在芹菜糖基和巴豆酸基团上，电子复合产生电荷转移激发态。含Achkiy器件在16.5 V偏压和34.1 mA电流下亮度为4.8 Cd m^?2，最佳电压下辐照度约为113.3 μW m^?2。该天然色素产生蓝光，这是该技术难以实现的颜色。

9. 单线态氧的光敏化

分子氧的直接光激发是禁阻过程，因此需要使用光敏剂（photosensitizer, PS）。甜菜苷可作为¹O₂的光敏剂，但面临若干挑战。最主要的是基于飞秒瞬态吸收光谱未观察到系间窜越以布居三重态。其次，极短寿命的单重激发态（水中6.7 ps）显著降低了光敏化概率。甜菜苷对¹O₂磷光的双分子猝灭速率在D₂O中为1.20 ± 0.15 × 10⁸ M^?1 s^?1，接近介质扩散极限。光产物经UV-vis光谱和质谱鉴定为2-脱羧-2,3-脱氢甜菜苷。异甜菜苷的行为与甜菜苷相同。

10. 光动力治疗

甜菜苷作为PS用于PDT（癌症治疗和抗菌）是近两年的事。将甜菜根汁提取物（BRJ）和纯甜菜苷（Bet）封装在脂质体（Lip）内。通过RNO/咪唑法，Lip-BRJ和Lip-Bet在535 nm照射45分钟后光敏化¹O₂的产率分别为12%和9%。PDT实验针对胚胎肾细胞系（HEK 293）和人肺癌细胞系（A549），Lip-Bet在光照下对HEK 293细胞（剂量2000 μg/mL）和A549细胞（剂量1000 μg/mL）的细胞存活率分别为13%和20%。脂质体配方进一步扩展到甜菜苷和IR806染料的混合物（Bet-IR806-LPs），用于三阴性乳腺癌（TNBC）和免疫系统减弱患者的协同递送。IR806是近红外染料，可实现体内成像和光热治疗（PTT）。Bet-IR806-LPs在808 nm近红外照射下，样品温度从34.7 °C升至51.46 °C。对4T1 TNBC细胞的细胞毒性研究表明其具有有效的抗增殖和抗迁移特性。对金黄色葡萄球菌（S. aureus）的抗菌试验表明，激光照射下IC₅₀为5 μg mL^?1。

11. 异相光催化

将含甜菜根提取物的混合物应用于TiO₂ NPs表面，可制备表面修饰NPs。在阳光辐射下，亚甲基蓝的光催化降解显示91.41%在195分钟内分解，动力学分析为伪一级衰变（R² = 0.99），三次循环后光效率保持不变。对革兰氏阴性菌株仅表现出中等光活性，对革兰氏阳性菌株无光活性。甜菜苷还用作天线和电子供体，在功能化ZnO NPs表面的光催化产氢反应中发挥决定性作用。与[Fe₂(苯二硫醇盐)(CO)₆]催化剂、三氟乙酸牺牲质子供体和牺牲水溶性电子供体配合，构建了无需贵金属的光催化产氢体系。ZnO NPs在约5 ns内将电子转移至催化剂。在无甜菜苷情况下，该催化剂效率远低。另一体系中，Bts-Ag NP-连接体-TiO₂-Ru NPs组装为光催化剂，一系列甜菜红素用作再生剂，具有延缓电子/空穴复合的能力。使用405 nm CW激光，太阳能到燃料效率（量子产率）为19.9 ± 0.5%。连接体（4-氨基苯甲酸）使电子转移速率提高三至四倍，上升时间为600–700 fs，电荷分离估计长于5 ns。

12. 光不稳定性

甜菜苷在水溶液中有氧存在下受光照时相对快速光降解，主要可观察和可分离的光产物为2-脱羧-2,3-脱氢甜菜苷。这构成一个悖论：甜菜苷光敏化单线态氧，但其抗氧化特性使其倾向于捕获其自身在光照下产生的ROS。在N₂吹扫的水溶液中，UVB照射下光降解遵循双相一级动力学，速率常数为0.228 h^?1（初始）和0.35 h^?1（末期），存在等吸收点表明化学计量保持。在空气中，完全光分解在测量一个光谱所需时间内即可完成。甜菜苷的不稳定性随温度升高显著降低，55 °C时光照影响甚微。热降解产物包括新甜菜苷、15-脱羧甜菜苷、17-脱羧甜菜苷和异甜菜苷等。单电子氧化产物也已通过HPLC鉴定。

13. 非线性光学材料

甜菜苷在溶液和各种基质中的非线性光学性质已有实验和计算研究。Z-扫描是提取NLO信息的最常用装置。主要参数为非线折射率n₂和非线性吸收系数β。甜菜苷以1.6 vol.%混入溶剂时，β值在水、乙醇和甲醇中分别为2.903 × 10^?10、1.655 × 10^?10和0.981 × 10^?10 M/W（λ_exc = 532 nm），其变化归因于溶质-溶剂相互作用。甜菜苷还用作掺杂剂以改善聚合物基质（如聚乙烯醇，PVA）中ZnO纳米板的NLO性能，其改善源于甜菜苷富电子特性引起的光诱导电子转移。

14. 讨论与展望

甜菜苷的激发态性质和应用存在三个悖论。第一个源于超快内转换速率，超过99%吸收光能以热量耗散，但仍观察到短寿命荧光、光诱导电子转移和DSSC设计（PCE ≤ 4%）。第二个悖论为未观察到系间窜越，却进行了PDT。第三个悖论为甜菜苷倾向于光合成¹O₂，但其抗氧化行为也倾向于以自我牺牲方式捕获该ROS。这些现象均源于激发态动力学。改善方案包括提取甜菜苷的后功能化。一种可能的解释是，甜菜苷与³O₂碰撞中的电荷转移混合态引发自旋-轨道耦合贡献和系间窜越，从而促进三重态布居和进一步光敏化。两个有利条件促成应用：固态和高粘度，以及封装。固态堆积提供空间位阻以最小化分子运动并提供物理保护。脂质体封装为药物递送提供“保护”。甜菜苷三重态的表征尚未探索，重原子效应（如溴化或碘化）可增强自旋-轨道耦合和系间窜越速率，以改善PDT性能。NLO材料最好在惰性气氛下制造并将器件与空气密封。

15. 结论

甜菜苷是一种被低估和未充分利用的天然色素，主要因其在水和氧气存在下的热和光化学“脆弱性”以及超快内转换速率（包括顺反异构化）和可忽略的系间窜越速率。固态和封装方法为甜菜苷激发态提供部分“保护”并增加激发态寿命。DSSC、OLED和PDT等技术的开发为应对这些挑战提供了线索。制造基于甜菜苷的光子器件需要严格的厌氧条件。报道的性能相对于最先进水平仍较温和，或尚处于起步阶段。对于可持续发展，异相催化生成太阳能燃料（H₂、CH₄）是最有前景的技术，其原料易得且廉价，易于更换。