化學(xué)發(fā)光與生物發(fā)光

關(guān)于化學(xué)發(fā)光與生物發(fā)光第1頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三內(nèi)容提綱一、化學(xué)發(fā)光（一）、化學(xué)發(fā)光的基本原理（二）、化學(xué)發(fā)光的應(yīng)用二、生物發(fā)光（一）、生物發(fā)光的原理與特點(diǎn)（二）、生物發(fā)光的分類第2頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三第3頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三一、化學(xué)發(fā)光（一）化學(xué)發(fā)光的基本原理1、化學(xué)發(fā)光的定義某些物質(zhì)在進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)過程中，由于吸收了反應(yīng)產(chǎn)生的化學(xué)能而被激發(fā)，從激發(fā)態(tài)返回基態(tài)時，發(fā)射出一定波長的光，這種吸收化學(xué)能使分子發(fā)光的過程稱為化學(xué)發(fā)光(chemiluminescence)。

第4頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三2、化學(xué)發(fā)光的過程1）、化學(xué)發(fā)光滿足的條件a、該化學(xué)反應(yīng)必須提供足夠的激發(fā)能，使電子能從基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)。b、化學(xué)反應(yīng)的能量至少能被一種物質(zhì)所接受并生成激發(fā)態(tài)。c、處于激發(fā)態(tài)分子必須具有一定的化學(xué)發(fā)光量子效率釋放出光子,或者能夠轉(zhuǎn)移它的能量給另一個分子使之處于激發(fā)態(tài)并釋放出光子。第5頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三2）化學(xué)發(fā)光的基本類型a、直接發(fā)光

是指被測物質(zhì)為反應(yīng)物直接參與化學(xué)反應(yīng)，利用自身化學(xué)反應(yīng)釋放的能量激發(fā)產(chǎn)物分子的光輻射。可用反應(yīng)式表示為：A+B→C*+D，C*→C+hv這類化學(xué)發(fā)光反應(yīng)最多和最普遍，多數(shù)有機(jī)物分子在液相中的化學(xué)反應(yīng)屬于這一類型。第6頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三b、間接發(fā)光

是指某些化學(xué)反應(yīng)中的由于激發(fā)態(tài)產(chǎn)物本身不發(fā)光或發(fā)光十分微弱，但通過加入某種能量接受體（熒光劑）可導(dǎo)致發(fā)光。反應(yīng)式為：

A+B→C*+D,

F+C*→F*+C,

F*→F+hvC為能量給于體，F(xiàn)為能量接受體。第7頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三一、化學(xué)發(fā)光（二）化學(xué)發(fā)光的應(yīng)用1、化學(xué)發(fā)光分析

化學(xué)發(fā)光(ChemiLuminescence，簡稱為CL)分析法是分子發(fā)光光譜分析法中的一類，它主要是依據(jù)化學(xué)檢測體系中待測物濃度與體系的化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度在一定條件下呈線性定量關(guān)系的原理，利用儀器對體系化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度的檢測，而確定待測物含量的一種痕量分析方法。第8頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三化學(xué)發(fā)光與其它發(fā)光分析的本質(zhì)區(qū)別是體系產(chǎn)生發(fā)光(光輻射)所吸收的能量來源不同。體系產(chǎn)生化學(xué)發(fā)光，必須具有一個產(chǎn)生可檢信號的光輻射反應(yīng)和一個可一次提供導(dǎo)致發(fā)光現(xiàn)象足夠能量的單獨(dú)反應(yīng)步驟的化學(xué)反應(yīng)。第9頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三第一類物質(zhì)是化學(xué)發(fā)光反應(yīng)中的的反應(yīng)物；第二類物質(zhì)是化學(xué)發(fā)光反應(yīng)中的催化劑，增敏劑或抑制劑;第三類是偶合反應(yīng)中反應(yīng)物，催化劑，增敏劑等?；瘜W(xué)發(fā)光分析測定的物質(zhì)對象可分為三類：第10頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三魯米諾化學(xué)發(fā)光體系吖啶酯類化學(xué)發(fā)光體系過氧化草酸酯類化學(xué)發(fā)光體系無機(jī)物化學(xué)發(fā)光體系堿性高碘酸鉀酸性高錳酸鉀酸性硫酸鈰稀土配合物(中性)其他化學(xué)發(fā)光體系主要的化學(xué)發(fā)光體系

2、常見的一些化學(xué)發(fā)光體系第11頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三1）、魯米諾(luminol)化學(xué)發(fā)光體系魯米諾（3-氨基苯二甲酰肼）其結(jié)構(gòu)是為第12頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三氧化劑:

H2O2O2KMnO4NaClOI2催化劑:過氧化酶氧化血紅素過渡金屬離子(Cu2+、Mn2+、Co2+、V4+、Fe2+、Fe3+、Ni2+、Ag+、Au3+、Hg2+etc.)OXIDANTBASEluminol*3-Aminophthalate+

h3-APA魯米諾的發(fā)光機(jī)理是第13頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三2）、高碘酸鉀（KIO4）發(fā)光體系氧分子對的發(fā)射：490~500nmCO2雙分子發(fā)射：430~450nm多酚類物質(zhì)對該體系的化學(xué)發(fā)光有增強(qiáng)作用化學(xué)發(fā)光原理－活性氧中間體型第14頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三3）、高錳酸鉀（KMnO4）發(fā)光體系

KMnO4–還原劑CL體系KMnO4+Red—Intermediate(激發(fā)態(tài))直接CLFluorophoreFluorophore(激發(fā)態(tài))

—

間接CL還原劑：氨基酸、SO2、碘、藥物、毒品等具有還原性的物質(zhì)量子產(chǎn)率不高，可以加入強(qiáng)還原性物質(zhì)增強(qiáng)體系靈敏度可以測定化學(xué)需氧量第15頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三4）、鈰（Ce）發(fā)光體系高價(jià)鈰Ce(IV)的發(fā)光體系

Ce（Ⅳ）是一種強(qiáng)的氧化劑，Ce（Ⅳ）在氧化亞硫酸鹽等還原性物質(zhì)可產(chǎn)生微弱的化學(xué)發(fā)光，因此可以利用此體系直接測定相關(guān)的化合物。一般認(rèn)為Ce（Ⅳ）被還原時，產(chǎn)生激發(fā)態(tài)的Ce（Ⅲ）*，這個激發(fā)態(tài)同樣的既可以躍遷到基態(tài)而發(fā)光，也可以將能量轉(zhuǎn)移給共存熒光而發(fā)光。熒光物質(zhì)（如羅丹明B、羅丹明6G、喹啉等）、表面活性劑（如吐溫20、吐溫80等）來增敏Ce（Ⅳ）的化學(xué)發(fā)光。第16頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三3、化學(xué)發(fā)光分析儀第17頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三IFFM-E型流動注射化學(xué)發(fā)光分析儀（西安瑞邁分析儀器有限公司）。第18頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三圖1檸檬酸三鈉–Ce（Ⅳ）-吐溫80流動注射化學(xué)發(fā)光體系流程第19頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三4、化學(xué)發(fā)光分析的特點(diǎn)局限性：方法選擇性較差、發(fā)光體系相對較少、儀器商品化不夠優(yōu)勢性：不需要外部光源：消除了入射光的干擾(瑞利散射和拉曼散射)?？朔斯庠床环€(wěn)定而導(dǎo)致的波動的缺點(diǎn)，降低了噪聲，提高了信噪比。靈敏度高(通常可達(dá)ng級或pg級)。線性范圍寬(通?？蛇_(dá)三個數(shù)量級)。設(shè)備簡單、分析快速、易實(shí)現(xiàn)自動化。第20頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三5、化學(xué)發(fā)光法的應(yīng)用1）無機(jī)化合物化學(xué)發(fā)光分析a、金屬離子分析第21頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三b、其他無機(jī)化合物的分析第22頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三2）有機(jī)化合物化學(xué)發(fā)光分析a、有機(jī)酸第23頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三b、有機(jī)堿第24頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三c、氨基酸第25頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三d、糖類第26頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三e、類固醇類脂第27頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三f、藥物第28頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三3）化學(xué)發(fā)光在生物領(lǐng)域的應(yīng)用

血漿和血清的化學(xué)發(fā)光血漿脂蛋白的化學(xué)發(fā)光尿液的化學(xué)發(fā)光紅細(xì)胞的化學(xué)發(fā)光第29頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三二、生物發(fā)光（一）生物發(fā)光的原理與特點(diǎn)1、生物發(fā)光的定義

生物發(fā)光

是指生物體發(fā)出的光輻射，是生物體釋放能量的一種形式，這種發(fā)光現(xiàn)象廣泛地分散在生物界中。它不依賴于有機(jī)體對光的吸收，而是一種特殊類型的化學(xué)發(fā)光，也是氧化發(fā)光的一種。第30頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三2、生物發(fā)光的特點(diǎn)

生物發(fā)光的一般機(jī)制是：由細(xì)胞合成的化學(xué)物質(zhì)，在一種特殊酶的作用下，使化學(xué)能轉(zhuǎn)化為光能。①生物發(fā)光的顏色范圍很寬，可從紅光到深藍(lán)光；②氧是幾乎所有生物發(fā)光系統(tǒng)中必須的因素；③生物發(fā)光是由“熒光素酶”與“熒光素”的化學(xué)反應(yīng)所引起的；④所有的生物發(fā)光反應(yīng)似乎都是酶-底物類型的反應(yīng)，但復(fù)雜程度不同，某些生物發(fā)光反應(yīng)涉及3種或4種底物，而另一些生物發(fā)光反應(yīng)甚至需要3個或4個酶的體系。第31頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三二、生物發(fā)光（二）生物發(fā)光的分類1、據(jù)發(fā)光的機(jī)理不同將生物發(fā)光分為：受激熒光發(fā)光生物發(fā)光化學(xué)發(fā)光超微弱發(fā)光第32頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三a、受激熒光受激熒光是指生物體在受到外界光輻射的作用時，體內(nèi)固有的熒光物質(zhì)或吸收的熒光標(biāo)記物發(fā)光的現(xiàn)象。在生物學(xué)領(lǐng)域中，由于分析物質(zhì)熒光的方法敏感性極高，而且?guī)缀跛械挠袡C(jī)分子都能夠直接或經(jīng)過適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)處理后發(fā)生熒光，故很早就受到重視，并逐漸發(fā)展成為生物學(xué)和醫(yī)學(xué)中的熒光分析。第33頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三b、發(fā)光生物發(fā)光發(fā)光生物是指自身具有發(fā)光器官、細(xì)胞(包括發(fā)光的共生細(xì)菌)，或具有能分泌發(fā)光物體腺體的海洋生物的統(tǒng)稱。

在生物世界里說到發(fā)光，人們首先會想到螢火蟲，但除了這種昆蟲外還有許多生物也能發(fā)光，如一些生活在深海里的魚類，光是一種謀生的手段。夜晚常在近海作業(yè)的漁民甚至是長住海邊的人經(jīng)常能看到海面上有光帶，這是一些藻類發(fā)出的，當(dāng)它們受到驚擾時或者是在大量繁殖時，似乎海洋都開始燃燒了起來。晚上在海灘上戲耍的孩子們能從海灘上找到沙蠶，這也是一種能發(fā)光的動物，除此之外，能發(fā)光的還有水母、珊瑚、某些貝類和蠕蟲等。第34頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三c、化學(xué)發(fā)光生物發(fā)光是一種特殊的化學(xué)發(fā)光，它是一類與生命過程有光的化學(xué)發(fā)光，是在化學(xué)反應(yīng)過程中(主要為氧化還原反應(yīng))發(fā)出可見光的現(xiàn)象。由兩個關(guān)鍵步驟組成：激發(fā)和發(fā)射。許多化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行時能釋放足夠的自由能而把參加反應(yīng)的物質(zhì)之一激發(fā)到能發(fā)射光的電子激發(fā)態(tài)，生成一種激發(fā)態(tài)產(chǎn)物，在它回到基態(tài)時，剩余能量轉(zhuǎn)變成光子能量產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象。第35頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三將化學(xué)發(fā)光與免疫反應(yīng)結(jié)合起來建立的化學(xué)發(fā)光免疫測定法?；瘜W(xué)發(fā)光標(biāo)記是繼熒光標(biāo)記，放射性核素標(biāo)記，酶標(biāo)記三大標(biāo)記技術(shù)之后，發(fā)展起來的最新檢測技術(shù)。全自動電化學(xué)發(fā)光免疫分析儀

第36頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三d、超微弱發(fā)光超微弱發(fā)光分析：任何有生命的物質(zhì)．人、動物、植物和微生物等都有一種超微弱發(fā)光，這是生命體本身所固有的一種屬性：這種發(fā)光可以通過對生物分子、細(xì)胞、亞細(xì)胞組份(線桓體、微粒體、脂質(zhì)體)或生物活體(小鼠、樹葉、水果、小過)、器官及體液(血、尿)的測貢探測出來。這些有關(guān)生物超微弱發(fā)光(ultra-weakbioluminescence)的研究課題，構(gòu)成了當(dāng)前生命科學(xué)發(fā)展前沿中的一個極其重要的研究領(lǐng)域——生命系統(tǒng)的超微弱光子輻射(ultra-weakphotonemissionfromlivingsystem)。第37頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三

螢火蟲發(fā)光細(xì)胞中含有熒光素、熒光素酶兩種發(fā)光物質(zhì)。它們與ATP（三磷酸腺苷）及氧一起反應(yīng)，在氧與熒光素結(jié)合時發(fā)生電子轉(zhuǎn)移同時發(fā)生能量的變化釋放出熒光光子而發(fā)光。a、螢火蟲類的發(fā)光2、據(jù)發(fā)光的生物不同將生物發(fā)光分為：

螢火蟲第38頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三

這類發(fā)光過程包括加氧、激發(fā)與轉(zhuǎn)移，如海螢的發(fā)光：它在自身分開的腺體中分別合成熒光素和熒光素酶，當(dāng)把兩者同時噴進(jìn)水里時就會在水中反應(yīng)而發(fā)光，波長460納米，光色為藍(lán)色。

海螢2、節(jié)足動物及魚類的生物發(fā)光第39頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三魚類第40頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三

包括刺絲胞亞門和櫛水母亞門。這種類型發(fā)光具有各種不同的活化反應(yīng)。亞門和綱不同，活化反應(yīng)與激發(fā)特性也不同。此類發(fā)光還可以從一個發(fā)光種傳遞激發(fā)態(tài)能量給另一個發(fā)光種，即有敏化生物發(fā)光現(xiàn)象。這種發(fā)光可發(fā)出不同顏色的光，較多地偏向紅色，波長480～490納米。3、腔腸動物的生物發(fā)光第41頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三櫛水母櫛水母是一種發(fā)光海洋生物，它們可以發(fā)出一種另類的防護(hù)光。這種防護(hù)光通常被稱為“犧牲標(biāo)簽”。當(dāng)櫛水母被捕食者吞到腹中后，會引起某些半透明捕食者身體發(fā)出光芒，這種光芒對于捕食者來說是非常危險(xiǎn)，它們因此也成為更上層捕食者的獵物。所以，櫛水母的防護(hù)光也被稱為“犧牲標(biāo)簽”。第42頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三

它的反應(yīng)機(jī)制與前三種不同。底物在催化循環(huán)中會形成還原型核黃素磷酸鹽和醛化合物，當(dāng)遇到熒光素酶和氧時，就會形成一種激發(fā)的絡(luò)合物。絡(luò)合物斷裂時生成氧化核黃素磷酸鹽、酸、水及一個光子，波長470～505納米，光為藍(lán)綠色。4、細(xì)菌發(fā)光第43頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三發(fā)光細(xì)菌用發(fā)光細(xì)菌做“生物燈”第44頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三包括海筍屬、蚯蚓屬及柱頭蟲屬等。這類發(fā)光包括兩個過程，蟲熒光素與氧或過氧化物單獨(dú)或兩者作用后先生成