（化学专业论文）纳米粒子增强碳酸氢盐过氧化氢化学发光反应过程研究.pdf

纳米粒子增强碳酸氢盐一过氧化氢化学发光反应过程研究 摘要 化学发光分析方法具有灵敏度高、线性范围宽、仪器简单、廉价等优 点，在化学、生物、环境等领域得到了广泛的应用。化学发光的瞬时性与 活性氧化合物的短寿命相结合具有很好的研究前景。过氧碳酸盐具有较强 的氧化性、反应活性和不稳定性，容易分解产生发光现象。本论文研究了 过氧碳酸盐的化学发光分解机理及其在纳米粒子作用下的增强型化学发 光反应机理，并且将这些新发光体系应用于实际样品分析。具体内容分述 如下： 1 、综述了化学发光基本原理，活性氧的种类、来源和检测方法，过 氧化合物化学发光体系包括过氧化氢、过氧硝酸、过氧硫酸盐和过氧碳酸 盐的形成和重要性，以及量子点( q u a n t u md o t s ，q d s ) 的性质、制备方 法和纳米材料在化学发光体系中的应用现状。 2 、量子点因其独特的光学和电学性质，吸引了众多关注，近年来在 不同领域获得了广泛的应用。在碱性介质中，碳酸氢盐与过氧化氢在线反 应生成过氧碳酸盐( h c 0 4 ) ，h c 0 4 不稳定分解可以产生微弱的化学发 光。将水相法合成的c d t eq d s 应用于该发光体系可以明显增强化学发光 强度。考察了溶液p h 值、量子点大小和浓度对体系发光的影响，并借助 各类自由基捕获试剂实验、电子自旋共振技术、紫外可见吸收光谱和荧光 光谱等方法对生成的活性氧化合物进行表征，从多方面研究了过氧碳酸盐 与量子点的化学发光机理。 3 、通常条件下制备的量子点，表面存在许多缺陷，这些表面缺陷容 易在能量禁阻的带隙中引入很多表面态，捕获电子或空穴，严重影响量子 点的光学和电学性质。因此，钝化量子点的表面缺陷，消除非辐射弛豫途 径和防止光化学腐蚀对于获得高荧光产率的量子点非常重要。可以使用有 机溶剂或者更宽带隙的半导体材料作为表面修饰物，包覆小带隙的半导体 微粒，形成核壳结构，从而减少量子点表面缺陷。本部分以巯基乙酸为稳 定剂，水相法合成核壳结构c d s e c d sq d s 。将c d s e c d sq d s 应用于碳 酸氢盐与过氧化氢化学发光体系，建立起优化的量子点增强型化学发光新 体系，研究该体系发光的各种影响因素，并讨论了体系的发光机理。光辐 射来源于c d s e c d sq d s 的1s e 1s h 轨道传递辐射，0 2 。和- o h 自由基在 发光过程中起着关键作用。抗坏血酸对该体系发光有猝灭作用，基于此现 象建立了流动注射化学发光分析方法测定人血清中抗坏血酸，方法线性 好，灵敏度高，检测结果与文献报道方法相关性好。 4 、碳微球和碳纳米球是一类球形碳材料，具有良好的化学稳定性、 热稳定性和优良的导电、导热等特性。纳米结构的球形碳材料具有广泛的 应用前景，成为近年来研究的热点。通过葡萄糖水热法制备的碳纳米球单 分散性好，利用其表面的多功能基团可以组装上贵金属纳米颗粒、氧化物 纳米颗粒和半导体量子点从而使其具备特殊的催化、磁、电、光和光电性 质。我们采用葡萄糖水热法合成碳纳米球，并对其结构和表面官能团进行 表征。将碳纳米球应用于碳酸氢盐与过氧化氢化学发光体系，能够明显增 u 摘要 强化学发光信号。探讨了碳纳米球增强发光的可能机理，并优化反应条件， 建立了测定过氧化氢的流动注射化学发光分析方法，应用于自来水和雪水 中过氧化氢的检测，方法灵敏度高，选择性好。 5 、高锰酸钾是一种强氧化剂，目前酸性条件下的高锰酸钾化学发光 体系研究比较多。将高锰酸钾引入碳酸氢盐与过氧化氢化学发光体系，目 的研究h c 0 4 在强氧化剂存在条件下的形成和化学发光分解机理，同时也 对高锰酸钾在碱性条件下的发光机理研究起到辅助作用。研究发现 k m n 0 4 参与的n a h c 0 3 h 2 0 2 体系化学发光明显增强，考察了不同表面活 性剂和自由基捕获剂对体系发光强度的影响，进一步研究该体系发光机 理。推测氧分子二聚体和二氧化碳二聚体为该体系发光体，体系化学发光 光谱在4 4 0n n l 和6 3 4n m 处有发射峰。同时通过荧光光谱、紫外吸收光 谱和化学发光光谱研究发现罗丹明b 和荧光素钠等荧光试剂与 n a h c 0 3 一h z 0 2 k m n 0 4 体系之间存在能量转移现象。 关键词：过氧碳酸盐，化学发光机理，量子点，自由基捕获剂，发光体 i i ! 北京化_ l 大学博士学位论文 s t u d yo nt h ec h e m i l u m i n e s c e n c ep r o c e s so f b i c a r b o n a t ea n dh y d r o g e np e r o x i d ee n h a n c e d b yn a n o p a r t i c l e s a b s t r a c t c h e m i l u m i n e s c e n c e ( c l ) i s ap o w e r f u la n a l y t i c a lt e c h n i q u et h a th a sh i 曲 s e n s i t i v i t y ，w i d el i n e a rr a n g e ，a n dr e q u i r e sr e l a t i v e l ys i m p l ea n di n e x p e n s i v e i n s t r u m e n t a t i o n i th a sb e e ne x p l o i t e di naw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n si n d i f f e r e n tf i e l d s ，s u c ha sc h e m i s t r y , b i o l o g ya n de n v i r o n m e n t a lc h e m i s t r y t h e a s s o c i a t i o no fi n s t a n t a n e o u s n e s so ft h ec lw i t hs h o r tl i f e t i m eo fr e a c t i v e o x y g e ns p e c i e s ( r o s ) r a d i c a l s h a sa p o t e n t i a l r e s e a r c h p r o s p e c t p e r o x y m o n o c a r b o n a t ei o n ( h c 0 4 ) i s a h i g h l y r e a c t i v e o x i d a n t ，a n d c h e m i l u m i n e s c e n c ec a na r i s ef r o mi t sd e c o m p o s i t i o n i nt h i sw o r k ，w es t u d i e d t h ec h e m i l u m i n e s c e n tm e c h a n i s mo fp e r o x y m o n o c a r b o n a t ed e c o m p o s i t i o n a n di t sr e a c t i o nw i t hn a n o p a r t i c l e s m o r e o v e r , t h ea n a l y t i c a la p p l i c a t i o n so f t h e s en e wh c o ；c ls y s t e m sw e r e i n v e s t i g a t e d t h e c o n t e n t sw e r e s u m m a r i z e da sf o l l o w s ： i v a b s t r a c t 1 t h ec o n c e p to fc h e m i l u m i n e s c e n c e ，t h ek i n d s ，f o r m a t i o na n dd e t e c t i o n m e t h o do fr o s ，a n dt h e p r o d u c t i o n ，s i g n i f i c a n c e a n d a p p l i c a t i o n o f c h e m i l u m i n e s c e n c ea b o u t p e r o x i d e ，i n c l u d i n gh y d r o g e np e r o x i d e ， p e r o x y n i t r i t ea c i d ，p e r o x y m o n o s u l f a t e a n d p e r o x y m o n o c a r b o n a t e a r e r e v i e w e d a p p l i c a t i o n s o f n a n o p a r t i c l e s i nc h e m i l u m i n e s c e n t s y s t e m ， e s p e c i a l l yt h eq u a n t u md o t s ( q d s ) a r ef o c u s e d 2 q u a n t u md o t sh a sa t t r a c t e dm u c ha t t e n t i o nd u et o t h eu n i q u e s i z e d e p e n d e n to p t i c a la n de l e c t r o n i cp r o p e r t i e s ，a n dh a sb e e nw i d e l yu s e di n r e c e n ty e a r s i na l k a l i n em e d i u m ，b i c a r b o n a t er e a c t sw i t hh y d r o g e np e r o x i d e t of o r mp e r o x y m o n o c a r b o n a t ei o n ( h c 0 4 。) ，w h i c hi sa nu n s t a b l ec o m p o u n d d u r i n gt h ed e c o m p o s i t i o no fh c 0 4 。，aw e a kc lw a so b s e r v e d as e r i e so f a q u e o u s c o l l o i d a lc d t eq d sc a p p e dw i t h m e r c a p t o a c e t i c a c i dw e r e s y n t h e s i z e da n da p p l i e dt ot h eh y d r o g e np e r o x i d e - s o d i u mh y d r o g e nc a r b o n a t e c l s y s t e m t h ec le m i s s i o ni n t e n s i t yw a ss i g n i f i c a n t l ye n h a n c e db yd i f f e r e n t s i z e so fc d t eq d s t h ee f f e c t so fp h ，c o n c e n t r a t i o n sa n dp a r t i c l es i z eo fq d s o nc li n t e n s i t yh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d t h em e c h a n i s mw a sd i s c u s s e db a s e d o nt h ec le m i s s i o ns p e c t r a ，e l e c t r o ns p i nr e s o n a n c e ( e s r ) s p e c t r a ，u v - v i s a b s o r p t i o ns p e c t r aa n df l u o r e s c e n c es p e c t r a 3 q u a n t u md o t sp r e p a r e da tn o r m a lc o n d i t i o n so f t e nh a sm a n ys u r f a c e t r a p s t h es u r f a c e s t r u c t u r eo fq d sp l a y sak e yr o l e i nd e t e r m i n i n gt h e p r o p e r t i e so ft h ep a r t i c l e s u n p a s s i v a t e ds u r f a c ea t o m sc a nf o r me l e c t r o n i c t r a p sf o re l e c t r o n sa n dh o l e st h a ta f f e c tt h e i ro p t i c a la n de l e c t r o n i cp r o p e r t i e s v 北京化l 人学m 士学位论文 t h u s ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt op a s s i v a t et h es u r f a c et r a p so fq d si no r d e rt o o b t a i na h i g h l ye f f i c i e n tl u m i n e s c e n c ew i t han a r r o we m i s s i o nl i n ew i d t h t h i s p a s s i v a t i o nc a nb ea c c c o m p l i s h e db yc a p p i n gt h ep a r t i c l es u r f a c ew i t ha n o r g a n i ca g e n to rs h e l lo f a l a r g e rb a n dg a ps e m i c o n d u c t o r c o r e s h e l ls t r u c t u r e q u a n t u md o t s o fc d s e c d sq d sc a p p e dw i t hm e r c a p t o a c e t i ca ci dw a s s y n t h e s i z e d i n a q u e o u s s o l u t i o n i tw a s a p p l i e d i nt h e h y d r o g e n p e r o x i d e s o d i u mh y d r o g e n c a r b o n a t ec ls y s t e m e f f e c to fd i f f e r e n t p h y s i c o c h e m i c a lp a r a m e t e ro nt h ec le m i s s i o nw a si n v e s t i g a t e da n dt h ec l m e c h a n i s mw a sd i s c u s s e d s u p e r o x i d ei o nr a d i c a l ( 0 2 ) a n dh y d r o x i d er a d i c a l ( o h ) w e r eg e n e r a t e dd u r i n gt h er e a c t i o no fn a h c 0 3a n dh 2 0 2 ，w h i c hw e r e t h ek e yi n t e r m e d i a t e sf o rt h ep r o d u c t i o no fh o l e ，e l e c t r o n - i n j e c t e dc d s e c d s q d sa n dt h ec le m i s s i o n l a s c o r b i ca c i dc a ni n h i b i tt h i se n h a n c e dc ls i g n a l ， a n dt h ec li n t e n s i t yi sd e p e n d e n to nl a s c o r b i ca c i dc o n c e n t r a t i o n b a s e do n t h i s p h e n o m e n o n ，an e w , s i m p l e ，s e n s i t i v ea n d s e l e c t i v ef l o wi n je c t i o n a n a l y s i sm e t h o di sp r o p o s e df o rt h ed e t e r m i n a t i o no fl a s c o r b i ca c i d i th a s b e e ns u c c e s s f u l l yu s e dt od e t e c tl a s c o r b i ca c i di nh u m a ns e r u mw i t h s a t i s f a c t o r yr e s u l t sc o m p a r e dw i t ho t h e rr e p o r t e dm e t h o d 4 c a r b o nm i c r o - a n dn a n o s p h e r e sa r eak i n do fs p h e r i c a lc a r b o n m a t e r i a l s t h e yh a v eg o o dc h e m i c a ls t a b i l i t ya n dt h e r m a ls t a b i l i t y ，a n dh i g h e l e c t r i c c o n d u c t i v i t y a n dt h e r m a l c o n d u c t i v i t y n a n o s t r u c t u r e ds p h e r i c a l c a r b o nm a t e r i a l sh a v eb e c o m ea l l i n t e r e s t i n gr e s e a r c ho b j e c t f o rm a n y r e s e a r c h e r si nr e c e n ty e a r so w i n gt ot h e i rb r o a dp r o s p e c to fa p p l i c a t i o n s v i a b s ，r r a c t c a r b o nn a n o s p h e r e sp r e p a r e db yh y d r o t h e r m a ls y n t h e s i sf r o mg l u c o s eh a s g o o dm o n o d i s p e r s i t y d u e t ot h e u n i q u e s u r f a c e p r o p e r t i e s ，c a r b o n n a n o s p h e r e s c a nb e c o a t e dw i t hn o b l e m e t a l n a n o p a r t i c l e s ， o x i d e n a n o p a r t i c l e s ，o rs e m i c o n d u c t o rq u a n t u md o t st oo b t a i ns p e c i f i cc a t a l y t i c ， m a g n e t i c ，e l e c t r o n i c ，o p t i c a l ，o ro p t o e l e c t r o n i cp r o p e r t i e s i nt h i sw o r k ，c a r b o n n a n o s p h e r e s h a v eb e e n p r e p a r e d f r o m a q u e o u sg l u c o s e s o l u t i o n b y h y d r o t h e r m a ls y n t h e s i s t h es t r u c t u r ea n ds u r f a c ef u n c t i o n a lg r o u p so f c a r b o n n a n o s p h e r e sw e r ec h a r a c t e r i z e d as i g n i f i c a n te n h a n c i n ge f f e c tw a so b t a i n e d i nn a h c 0 3 - h 2 0 2 一c a r b o nn a n o s p h e r e sc ls y s t e m t h ep o s s i b l em e c h a n i s mo f r e a c t i o nw a sd i s c u s s e d t h en e wc h e m i l u m i n e s c e n c e s y s t e m w i t h n a h c o s h 2 0 2a n dc a r b o nn a n o s p h e r e sa sr e a g e n t sw a so p t i m i z e da n da p p l i e d t od e t e c th y d r o g e np e r o x i d ei nt a pw a t e ra n ds n o ww a t e rb yf l o wi n je c t i o n a n a l y s i sm e t h o d e x p e r i m e n t a lr e s u l t sc o m p a r e d w i t ho t h e rc ls y s t e m ， s h o w e dt h a ti tw a sas e n s i t i v ea n ds e l e c t i v em e t h o df o rh y d r o g e np e r o x i d e d e t e c t i o n 5 p o t a s s i u mp e r m a n g a n a t ei sas t r o n go x i d a n t v e 巧s e n s i t i v ec l e m i s s i o nc a nb eg e n e r a t e db yp o t a s s i u mp e r m a n g a n a t ei na c i d i cm e d i u m w e s t u d i e dt h ec h e m i l u m i n e s c e n tm e c h a n i s mo fh c 0 3 - h 2 0 2c ls y s t e mi nt h e p r e s e n c eo fp o t a s s i u mp e r m a n g a n a t e o u rp u r p o s ei s t o i n v e s t i g a t et h e f o r m a t i o na n dd e c o m p o s i t i o nm e c h a n i s mo fh c 0 4 e x i s t i n gi nh i 曲o x i d a n t s o l u t i o n ，a n ds i m u l t a n e o u s l yt oi m p r o v et h ec lm e c h a n i s mo fk m n 0 4i n a l k a l i n em e d i u m w ef o u n dt h ec li n t e n s i t yo fh c 0 3 。- h 2 0 2s y s t e mw a s v i l 北京化j 二大学博士学位论文 s i g n i f i c a n t l ye n h a n c e dw h e np o t a s s i u mp e r m a n g a n a t ew a sa d d e d e f f e c t so f d i f f e r e n ts u r f a c t a n ta n dr a d i c a ls c a v e n g e r sc o n t r i b u t e dt ot h eu n d e r s t a n d i n go f t h en a h c 0 3 一h 2 0 2 一k m n 0 4c ls y s t e mm e c h a n i s m t h em e c h a n i s mi n v o l v i n g o x y g e na n dc a r b o nd i o x i d ed i m m e rw a sp r o p o s e d t h ec ls p e c t r u mf o r n a h c 0 3 h 2 0 2 一k m n 0 4s y s t e ms h o w e dt w op e a kb a n d sa t4 4 0m a n d6 3 4 n m ，r e s p e c t i v e l y e n e r g y - t r a n s f e rp r o c e s se x i s t e db e t w e e nn a h c 0 3 一h 2 0 2 一 k m n 0 4s y s t e ma n dr h o d a m i n ebo ru r a n i n eb a s e do nf l u o r e s c e n c es p e c t r a ， u v - v i sa b s o r p t i o ns p e c t r aa n dc ls p e c t r a k e y w o r d s ：p e r o x y m o n o c a r b o n a t e ， c h e m i l u m i n e s c e n t m e c h a n i s m ， q u a n t u md o t s ，r a d i c a ls c a v e n g e r , e m i t t i n gs p e c i e s 缩略语& 一一一一_ 一 缩写 a a c e c l c m c c r e t d a b c o d d d a b d m p o d m s o e c l e s r f i a f l f r e t f t - i r m a a m c e m c l a n b t n m r q d s r o s s o d t e m p x r d 缩略语表 全称 a s c o r b i ca c i d c a p i l l a r ye l e c t r o p h o r e s i s c h e m i lu m i n e s c e n c e c r i t i c a im i c e l l ec o n c e n t r a t i o n c h e m i l u m i n e s c e n c er e s o n a n c ee n e r g yt r a n s f e r 1 ，4 - d i a z a b i c y c l o 2 , 2 ，2 o c t a n e d i n - d o d e c y l d i m e t h y l a m m o n i u mb r o m i d e 5 ，5 - d i m e t h y l 一1 - p y r r o l i n en o x i d e d i m e t h y ls u l p h o x i d e e l e c t r o c h e m i l u m i n e s c e n c e e l e c t r o ns p i nr e s o n a n c e f l o wi n j e c t i o na n a l y s i s f l u o r e s c e n c e i 1 u o r e s c e n c er e s o n a n c ee n e r g yt r a n s f e r f o u r i e rt r a n s f o i n li n f r a r e d m e r c a p t o a c e t i ca c i d m i c r o c h i pe l e c t r o p h o r e s i s 2 - m e t h y l - 6 一( 4 - m e t h o x y p h e n y l ) 一3 ，7 - d i h y d r o i m i d a z o 1 ，2 0 t p y r a z i n 3 - o n e h y d r o c h l o r i d e n i t r ob l u et e t r a z o l i u m n u c l e a rm a g n e t i cr e s o n a n c e q u a n t u md o t s r e a c t i v eo x y g e ns p e c i e s s u p e r o x i d ed i s m u t a s e 2 ，2 ，6 ，6 - t e t r a m e t h y l 一4 一p i p e r i d i n e x r a yd i f f r a c t i o n x i x 中文 抗坏血酸 毛细管电泳 化学发光 临界胶柬浓度 化学发光能量转移 1 ，4 _ 氮杂二环【2 2 2 】辛烷 双十二烷基二甲基溴化铵 5 ，5 _ 甲基吡咯啉一卜氮氧化物 二甲基亚砜 电化学发光 一 电子自旋共振 流动注射分析 荧光 荧光共振能量转移 傅里叶变换红外 巯基乙酸 芯片电泳 2 甲基6 ( 4 甲氧苯基) 3 ，7 - 二氢咪唑 并【l ，2 a l 吡嗪3 - 酮 氯化硝基四氮唑蓝 核磁其振 量子点 活性氧 超氧化物岐化酶 2 ，2 ，6 ，6 四甲基4 一哌啶 x 射线衍射 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名：二芦l 日期：剑尘呈三生 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大 学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可 以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在土年解密后适用本授 权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名： 罩蠡塞、 日期： 越l q ：5 。硷 导师签名：妞日期： 2 0 o s z 斗 第章活性氧化学欲光研究及其应h 】进展 第一章活性氧化学发光研究及其应用进展 1 1 化学发光基本原理 发光足当一个分子的电子从激发态跃迁至基态时所发出的光，它包括荧光、磷光 和化学发光。化学发光( c h e m i l u m i n e s c e n c e ，c l ) 是指某些化学反应巾发出可见光的 现象。其发光机理是：基态分子( 反应物、中间体或荧光物质) 吸收了化学反应中释 放的能量跃迁至激发态，处于激发态的分予以光辐射的形式返回基态时产生化学发光 【1 1 。化学发光产生的机理女图1 1 ： 化学 c 簟 激发态 a + 8 c 光 c 幸的 彳蓼 荧光 ! 一 錾态 f 图1 - 1 化学发光的反应过程 f i g 1 - 1 t h er e a c t i o np r o c e s so fc h e m i l u m i n e s c e n c e 化学发光过程通常有两种可能( 见图1 1 ) ： 激发态直接为发光物质。物质a 和b 反应，生成激发态c 木，c 为发光物质发出 直接可以测量的光。 a + bqc + d c 一c + h 1 ， 发光体为荧光物质。物质a 和b 反应，同样生成中间体c 枣，当体系中存在另一种 容易接受能量的荧光物质f 时，c 蚪辱能量转移给荧光物质f ，使f 接受能量由基态跃 迁至激发态( f ) ，当激发态分子回到基态时，产生发光现象。其发光波长与荧光物 质的荧光发射波长一致。 北京化工大学博士学位论文 a + b _ c 謇+ d c 木+ f 一f 幸+ c f 聿一f + h v 根据以上过程，一个化学反应产生化学发光现象，必须具备以下三个条件：( 1 ) 化学反应必须能在某一步骤提供足够的激发能；( 2 ) 存在有利的化学反应历程，以使 产生的能量至少被一种物质所接收而生成激发态；( 3 ) 激发态分子具有一定的化学发 光量r 了效率释放光了，或者能够将能量转移给其他分了进入激发态而释放光予。化学 发光强度( 1 c l ) 取决于化学反应的速率( d c d t ) 和化学发光量子效率( 中c l ) 。 如l = 程呛l d d d ， 式中吼l = 魄x 西e m ，其中痧e x 为生成激发态产物分子的量子产率，魄m 为激发态产物 分子的发光量了效率。对于一定的化学发光反应，吼l 为一定值，通过测定化学发光 强度就可以测定反应体系中某种物质的浓度。通常对任何化学发光反应，只要反应是 一级或假一级反应，都可以通过上述公式进行化学发光定量分析。例如，在上述化学 发光反应中，如果物质b 保持恒定，物质a 的浓度变化可视为一级或假一级反应， 则 尼l = 忆l ( ，) 纠坦埝l d c a d t d t = 西c l c a 即化学发光强度尼l 与a 的浓度成正比。随着发光反应的进行，反应物被消耗，发光 强度随时间的变化将如图1 2 所示，有一峰值，最后趋于零，即所谓的化学发光反应 动力学曲线。 发 光 强 度 时间 图1 2 化学发光反应动力学曲线 f 螗1 - 2 k i n e t i cc u r y co fc h e m i l u m i n e s c e n c e 2 第章活性氰化学发光研究及其戍川进展 利用化学发光分析可以测定三类物质：第一类是化学发光反应的反应物；第二类 是化学发光反应中的催化剂、增敏剂或者抑制剂；第三类是偶合反应中的反应物、催 化剂或者增敏剂等。通过标记方式利用这三类物质还可以测定其他物质，进一步扩大 化学发光分析的应用范围。 化学发光分析法具有很多优点：化学发光分析法不需要外来光源，减少或消除了 拉曼和瑞利散射，避免了背景光和杂散光干扰，降低了噪声，大大提高了信噪比。化 学发光分析法灵敏度高、线性范围宽、仪器设备简单、分析迅速、容易实现自动化， 已经在药物分析【2 训、l 临床检验1 5 8 i 、环境监测1 9 1 1 】等许多领域得到广泛的应用。 1 2 活性氧 1 2 1 活性氧概述 2 7 亿年前地球上出现单细胞生物的时候，生物体将光能转化为化学能，通过光合 作用将二氧化碳和水转变为葡萄糖，氧气作为副产物因此而生成，并由此促进了地表 环境的改变和高级生命的诞生，这是地球生命进化的一个重要转折点。氧气的大量出 现的确足地球上许多生命出现的关键转折点，也因此而让地球有了今天丰富多样的生 物和适宜于人类生存的环境。人类呼吸氧气，生命得以延续，氧气是人体进行新陈代 谢的关键物质，是人体生命活动的第一需要。呼吸的氧转化为人体内可利用的氧，称 为血氧。血液携带血氧向全身输入能源，血氧的输送量与心脏、大脑等人体重要器官 的运行状态密切相关。但是，采用氧气作为能量传递的底物，具有一定的风险。因为 生物体内电子是通过线粒体呼吸链转移，最终在细胞色素c 氧化酶的催化作用下与氧 气结合生成水。当一部分电了首先从线粒体呼吸链上脱离，过早地与氧气结合，就会 生成超氧阴离子，超氧阴离子在超氧化物歧化酶的作用下转化为过氧化氢，这些活性 氧对脂质体、核酸和蛋白的氧化会导致细胞失活或死亡【l2 1 。 所谓的活性氧( r e a c t i v eo x y g e ns p e c i e s ，r o s ) ，是指直接或间接地由分子氧转 化而来，具有未配对电予，其化学反应活性比分子氧更活泼，具有强氧化能力，能进 行链式反应不稳定的物质的总称，通常主要由氧、氢、氮以及硫元素组成。主要包括 一种激发态的氧分子，即单线态氧分子( 1 0 2 ) ；三种含氧的自由基，即超氧阴离子自由 基( 0 2 3 、羟基自由基( o h ) 和氢过氧自由基( h 0 2 ) ；两种过氧化物，即过氧化氢( h 2 0 2 ) 和过氧化脂质( r o o h ) 以及一种含氮氧化物o ) 等【l 3 1 。 3 北京化上大学博士学位论文 人体正常的呼吸和代谢都会生成活性氧。许多环境因素也会使机体产生活性氧， 例如：紫外线、高温、核辐射、病毒、污染物、某些药物和农药、毒物、致痛物、香 烟烟雾和酒精代谢等。一定浓度的活性氧对人体是有益的，活性氧在体内广泛参与细 胞分裂、分化，具有防御病原体入侵、调节生殖、生长和发育等许多重要生理功能。 但是过多的活性氧是有害的，会引起多种疾病，包括：高血压、心脏病、糖尿病、血 管硬化、肿瘤、巾风、老年性痴呆、帕金森病、白内障、胃溃疡和各利- 炎症等。活性 氧还参与许多病毒性疾病，例如：非典型性肺炎、艾滋病和肝炎等。人体内有许多能 清除活性氧的物质，例如：超氧化物歧化酶( s o d ) 、过氧化氢酶( c a t ) 和谷胱 j 肽过 氧化物酶( g s h p x ) 等，约1 0 种，统称“抗氧化酶”。还有一些物质，如：维生素a 、 维生素c 、维生素e 、叶酸、尿酸、胆红素和褪黑激素等，它们也能清除活性氧，统 称为“抗氧化剂”。 1 2 。2 活性氧来源 1 2 2 1 辐射电离法 以紫外线、丫射线、宇宙线、伦琴射线以及p 射线等为能源能使化合物共价键均 裂而产生活性氧。伐射线和p 射线分别具有高能粒子作用和电磁波作用，能量高，比， 可见光和紫外光波长要低几个数量级，能电离所有的靶分了，使分子离子化。电离辐 射水可产生羟基自由基、单线态氧和过氧化氢。大多数有机化合物在可见或紫外光照 射下分予的共价键会断裂，发生光化学反应，即分子从外界吸收光能，跃迁至激发态， 化学键位能上升后，稳定性会减弱，在室温下即可裂解。 1 2 2 2 化学反应法 氧化还原法是室温下产生活性氧的一种常用方法，利用过渡金属离子作为氧化还 原剂在相对较低温度下分解过氧化物产生活性氧。例如f e n t o n 氧化法可以生成强氧化 能力的o h l l4 1 ，过程如下( 反应式1 1 1 2 ) ： h 2 0 2 + f e 2 + + h + - - + o h + f e 3 + + h 2 0 ( 1 1 ) h 2 0 2 + o i + h + 专o h + o ；+ h 2 0( 1 - 2 ) 铜、钛、钴等其他过渡金属可以与氢过氧化物、过氧化物或过酸酯等有机过氧化 物按照以下方程进行单电子氧化还原反应生成活性氧( 反应式1 3 ) ： 4 第章活性氧化学发) 匕研罗c 及其戍用进展 金属“+ + r l oor 2 呻金属“+ 1 卜+ r 1 o + r 2 0 ( r i ：烷基或芳基，r 2 ：烷基或芳基、氢) 1 2 2 3 热分解法 ( 1 3 ) 加热也可以使分子巾的共价键发生均裂产生活性氧。共价键的裂解能决定均裂所 需的温度。裂解能越大，均裂所需的温度就越高，生成的活性氧越不稳定。常见热解 产生活性氧的化合物有过氧化物、偶氮化合物及金属有机化合物等。 1 2 2 4 内源性活性氧 过氧化氢、超氧阴离了自由基和羟基自由基等都是由氧单质在逐步还原过程巾产 生的活性氧，需氧细胞在正常呼吸过程巾就会产生这些活性氧。这些活性氧及其活性 衍生物被称为生物体内源性活性氧，包括0 2 、h 0 2 、