（分析化学专业论文）纳米金参与的液相化学发光.pdf

中国科学技术大学博十学位论文中文摘要 纳米金参与的液相化学发光 摘要 化学发光具有多年的研究历史。一直以来，有关液相化学发光的研究往往局 限于分子和离子水平，以及简单的分子聚集体。最近，纳米粒子的液相化学发光 行为已经引起了人们的关注。但是，目前对纳米粒子参与的液相化学发光的研究 刚刚起步，仅有少量关于半导体纳米粒子液相化学发光的文献，对金属纳米粒子 参与液相化学发光的研究尚未见报道。 本论文首先综述了化学发光研究的最新进展，以及纳米金的物理化学特性及 其在分析化学中的应用现状，在此基础上选择纳米金为模型金属纳米粒子，研究 了纳米金参与液相化学发光反应时的行为、规律、机理以及分析应用潜力等。主 要研究内容如下： 1 过氧化草酸酯( t c p o ) 与过氧化氢( h 2 0 2 ) 的反应可以产生微弱的化 学发光，我们发现粒径为2 6 6 0r l r l 的纳米金可以接受此反应释放的能量产生 间接化学发光，其最大发射波长位于4 1 5 n m 。化学发光的强度与纳米金粒子的 浓度之间存在赵好的线性递增关系。对反应体系的荧光光谱、紫外可见吸收光谱、 透射电镜( t e m ) 和x 一射线光电子能谱( x p s ) 进行分析，在此基础上提出这 一化学发光过程可能包含以下几个步骤：t c p o 被h 2 0 2 氧化生成高能量的中间 体过氧环乙烷双酮( 1 , 2 一d i o x e t a n e d i o n e ) ：该中间体将能量传递给体系中共存的 纳米金粒子而使纳米金被激发；激发态纳米金粒子在弛豫回到基态的过程中产生 化学发光。总之，纳米金在此过程中被化学激发而产生光发射，其发光特性取决 于纳米金的粒径，并且可能通过优化纳米金的粒径和表面状态而获得量子产率更 高的化学发光体系。纳米金的这种化学发光特性与其优良的生物兼容性结合可能 应用于发展新的生物分析方法。 2 纳米金与k i o 。一n a o h n a 2 c 0 3 之间的反应能够产生化学发光现象，该 化学发光的光谱具有三个明显的发射带，分别位于3 8 0 3 9 01 3 1 1 1 、4 3 0 4 5 0n l t l 和4 9 0 5 0 0n m 。陔体系的化学发光强度随着溶液中纳米金粒子浓度的增大而线 性增加；并且当纳米金粒子表面柠檬酸根离子被s c n 一离子取代时，体系化学发 中国科学技术大学博士学位论文 中立摘要 光的强度显著增加。实验采用紫外可见吸收光谱、透射电镜( t e m ) 和x 一射线 光电子能谱( x p s ) 技术研究了c l 反应前后纳米金的形貌、粒径和氧化态，在 此基础上提出体系化学发光的机理可能是纳米金作为化学发光反应的微尺度反 应平台，与反应过程中生成的c 0 3 - - 和0 2 ”自由基相互作用，在纳米金表面生成 了a u ( i ) 络合物、二氧化碳双分子对以及单线态氧分子对的激发态而产生化学发 光。 3 在酸性介质中k m n 0 4 可以与纳米金发生氧化还原反应，反应过程中伴随 的化学发光现象取决于纳米金的粒径。对于粒径为2 6 和6 0r i m 的纳米金，它们 与酸性k m n 0 4 的反应速度快，因此可以在6 4 0n m 左右产生化学发光，并且化学 发光的强度与纳米金粒子浓度之问存在良好的线性递增关系。对于粒径大于6 0 n l n 的纳米金，由于与k m n 0 4 的反应速度较慢，反应过程中并不伴随化学发光现 象。实验研究了酸性介质、k m n o a 浓度以及n 2 或0 2 气氛对体系化学发光的影 响，分析了化学发光反应前后的紫外可见吸收光谱和x 射线光电予能谱( x p s ) 的异同，在此基础上提出化学发光反应的机理可能是酸性条件下k m n 0 4 被纳米 金还原生成激发态m n ( i i ) + 而产生化学发光。 4 实验发现不同粒径的纳米金对于鲁米诺一h 2 0 2 液相化学发光体系具有 不同程度的增强作用，其中粒径为3 8n l n 的纳米金对于体系的化学发光具有最大 的增强作用。利用紫外可见吸收光谱、透射电镜( t e m ) 和x 射线光电子能谱 ( x p s ) 技术以及脱气实验研究化学发光反应的可能机理，推测纳米金对该体系 化学发光的增强作用可能是由于纳米金对于反应过程中自由基的生成以及后续 电子转移反应具有良好的催化作用。实验研究了各种反应物的浓度、纳米金的粒 径以及有机化合物对该化学发光体系的影响，发现含有- o h 、n h 2 和一s h 的有 机化合物对于鲁米诺一h 2 0 2 3 8 - r i m 纳米余化学发光体系具有明显的抑制作用。 在此基础上，进一步研究了鲁米诺一h 2 0 2 3 8 n n 1 纳米金化学发光体系测定含 有- - o n 、_ n h 2 和一s h 的有机化合物分析应用潜力，取得了很好的结果。 5 利用n a b h 4 还原h a u c l 4 合成纳米金的过程伴随微弱且不稳定的化学发 光现象，化学发光的发光体可能是反应生成的激发态会原子团簇。该体系化学发 光的强度受所加入的保护试剂的影响，可能取决于保护试剂的性质及其与激发态 中国科学技术大学博士学位论文 中文摘要 金原子团簇之间的相互作用。柠檬酸根离子与金原子团簇之间的相互作用不强， 因此柠檬酸钠的加入对体系化学发光没有明显影响；没食子酸、对氨基苯硫酚和 巯基乙酸钠的加入会抑制化学发光的强度，可能是由于这些保护试剂具有较高的 化学活性并且与金原子团簇之间有较强的相互作用：表面活性剂十二烷基磺酸钠 的加入使体系的化学发光增强，可能是由于表面活性剂分子有利于激发态金原子 团簇的稳定。激发态金原子团簇电可以将能量转移给共存的荧光物质如荧光素和 罗丹明b ，从而得到增强的化学发光。鲁米诺参与n a b h 4 一h a u c l 4 的反应可以 得到更强更稳定的化学发光信号，可能是由于n a b h 4 与h a u c l 4 反应生成了强氧 化性的a 0 + 物种氧化鲁米诺而产生强的化学发光。 关键词：纳米金液相化学发光能量接受体微尺度反应平台还原剂催化剂 金原子团簇分析应用 i l l 中国科学技术大学博士学位论史英文摘要 g o l dn a n o p a r t i c l e si n v o l v e dl i q u i dp h a s e c h e m i l u m i n e s c e n c e 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 ) h a sb e e ni n t e n s i v e l yi n v e s t i g a t e df o rm a n yy e a r s o r i g i n a l l y ，t h es t u d yo fl i q u i dp h a s ec lw a sl i m i t e dt om o l e c u l a rs y s t e m sa n ds i m p l e m o l e c u l a rc o n g e r i e s r e c e n t l y , a t t e n t i o n sh a v e b e e np a i dt o n a n o p a n i c l es y s t e m s h o w e v e r , u n t i ln o w , o n l ys e v e r a lp a p e r sh a v eb e e np u b l i s h e do i ls e m i c o n d u c t o r n a n o p a r t i c l e si n v o l v e dl i q u i dp h a s ec l ，w h i l es t u d i e so i lm e t a ln a n o p a r t i c l e s i n v o l v e d l i q u i dp h a s ec lh a v en o tb e e nr e p o r t e do i ll i t e r a t u r e b a s e do nr e v i e w i n gt h ep r i n c i p l e sa n dr e c e n td e v e l o p m e n t si nt h ef i e l do fc l ， a n dt h ep h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so fg o l dn a n o p a r t i c l e sa n dt h e i ra p p l i c a t i o n s i na n a l y t i c a lc h e m i s t r y , t h i sd i s s e r t a t i o nc h o s eg o l dn a n o p a r t i c l ea sam o d e ls y s t e mt o e x p l o r et h eb e h a v i o r ，r u l e ，m e c h a n i s ma n da n a l y t i c a lp o t e n t i a lo fg o l dn a n o p a r t i c l e s i n v o l v e dl i q u i dp h a s ec l t h em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 l i g h te m i s s i o na t 4 1 5n n lw a so b s e r v e df o rg o l dp a r t i c l e so fd i a m e t e r2 6 a n d6 0n l nd i s p e r s e di nas o l u t i o nc o n t a i n i n gb i s ( 2 ，4 ，6 一t r i c h l o r o p h e n y l ) o x a l a t ea n d h y d r o g e np e r o x i d e t h el i g h ti n t e n s i t yw a sf o u n dt oi n c r e a s el i n e a r l yw i t ht h e c o n c e n t r a t i o no ft h eg o l dn a n o p a r t i c l e s t h eg o l dn a n o p a r t i c l e sw e r ei d e n t i f i e da s e m i t t i n gs p e c i e sa n dt h eq u a n t u my i e l dw a sd e t e r m i n e dt ob e ( 2 8 0 3 ) 10 t h e l i g h te m i s s i o ui ss u g g e s t e dt oi n v o l v eas e q u e n c eo fs t e p s ：t h eo x i d a t i o nr e a c t i o no f b i s ( 2 ，4 ，6 一t r i c h l o r o p h e n y l ) o x a l a t ew i t hh y d r o g e np e r o x i d ey i e l d i n ga ne n e r g y r i c h i n t e r m e d i a t e1 ，2 - d i o x e t a n e d i o n e ，t h ee n e r g yt r a n s f e rf r o mt h i si n t e r m e d i a t et og o l d n a n o p a r t i c l e s ，a n dt h er a d i a t i v er e l a x a t i o no ft h ea s f o r m e de x i t e ds t a t eg o l d n a n o p a r t i c l e s t h eo b s e r v e dl u m i n e s c e n c ei se x p e c t e dt of i n da p p l i c a t i o n si nt h ef i e l d o fb i o a n a l y s i so w i n gt ot h ee x c e l l e n tb i o c o m p a t i b i l i t ya n dr e l a t i v e l yh i 曲s t a b i l i t yo f g o l dn a n o p a r t i c l e s 曼型兰垫查查堂竖主兰堡堡兰 萎苎塑窭 2 1 1 1 er e a c t i o no fg o l dn a n o p a r t i c l e sw i t hp o t a s s i u mp e r i o d a t e ( k 1 0 4 ) 一s o d i u m h y d r o x i d e 烈a o h ) 一c a r b o n a t e ( n a 2 c o s ) s y s t e mu n d e r g o e sc h e m i l u m i n e s c e n c ew i t h t h r e ee m i s s i o nb a n d sa t3 8 0 3 9 0n l t l ，4 3 0 4 5 0 蛳a n d4 9 0 5 0 0n m ，r e s p e c t i v e l y i tw a sf o u n dt h a tt h el i g h ti n t e n s i t yi n c r e a s e dl i n e a r l yw i t ht h ec o n c e n t r a t i o no ft h e g o l dn a n o p a r t i c l e sa n dt h ec li n t e n s i t yi n c r e a s e dd r a m a t i c a l l yw h e nt h ec i t r a t ei o n s o nt h en a n o p a r t i c l es u r f a c ew e r er e p l a c e db ys c n 一t h es h a p e ，s i z ea n do x i d a t i o n s t a t eo fg o l dn a n o p a r t i c l e sa f t e rt h ec h e m i l u m i n e s c e n tr e a c t i o nw e r ec h a r a c t e r i z e db y u v - v i s i b l ea b s o r p t i o ns p e c t r o m e t r y , t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p e ( t e m ) a n d x r a yp h o t o e l e c t r o ns p e c t r o m e t r y ( x p s ) g o l dn a n o p a r t i c i e s a r es u p p o s e d1 0p l a ya sa n a n o s i z e d p l a t f o r m f o rt h eo b s e r v e d c h e m i l u m i n e s c e n tr e a c t i o n s t h e c h e m i l u m i n e s c e n tm e c h a n i s mh a sb e e np r o p o s e dt ob ed u et ot h a tt h ei n t e r a c t i o n b e t w e e nf r e ec 0 3 一a n d0 2 。一r a d i c a l sg e n e r a t e db yk 1 0 4 一n a o h n a 2 c 0 3s y s t e m a n dt h eg o l dn a n o p a r t i c l e sr e s u l t si nt h ef o r m a t i o no fe m i s s i v ei n t e r m e d i a t e sg o l d ( i ) c o m p l e x e s ，c a r b o nd i o x i d ed i m e r sa n ds i n g l e to x y g e nm o l e c u l a rp a i r so nt h es u r f a c e o ft 1 1 eg o l dn a n o p a r t i c l e s 1 强sw o r ki sn o to n l yo fg r e a ti m p o r t a n c ef o rg a i n i n ga b e t t e ru n d e r s t a n d i n go ft h eu n i q u eo p t i c a la n ds u r f a c ep r o p e r t i e sa n dc h e m i e a t r e a c t i v i t yo fn a n o p a r t i c l e s ，b u ta l s oo fg r e a tp o t e n t i a lf o rd e v e l o p i n gn e w b i o s e n s i n g a n di m m u n ol a b e l l i n gt e c h n o l o g i e s 3 i tw a sf o u n dt h a tp o t a s s i m np e r m a n g a n a t e ( k m n 0 4 ) c o u l dr e a c tw i t hg o l d n a n o p a r t i c l e s i n s t r o n g a c i dm e d i u mt o g e n e r a t ep a r t i c l es i z e d e p e n d e n t c h e m i l u m i n e s c e n c e ( c l ) f o rg o l dn a n o p a r t i c l e sw i t ht h es i z eo f2 6o r6n m ，t h e r e a c t i o nw a sf a s ta n dc o u l dp r o d u c el i g h te m i s s i o na r o u n d6 4 01 1 1 1 1 a n dt h ec l i n t e n s i t yw a sf o u n dt oi n c r e a s el i n e a r l y w i t ht h ec o n c e n t r a t i o no f2 6r l l ng o l d n a n o p a r t i c l e s f o rg o l dn a n o p a r t i c l e sl a r g e rt h a n6n i n ，n o l i g h te m i s s i o nw a s o b s e r v e dd u et om u c hs l o w e rr e a c t i o nr a t e t h ee f f e c t so fa c i dm e d i u m ，t h e c o n c e n t r a t i o no fk m n 0 4a n dt h ep r e s e n c eo f n 2a n d0 2w e r ei n v e s t i g a t e d u v - v i s i b l e a b s o r p t i o ns p e c t r aa n dx r a yp h o t o e l e c t r o ns p e c t r a ( x p s ) b e f o r ea n da f t e rt h ec l r e a c t i o nw e r ea n a l y z e d ，ac lm e c h a n i s mh a sb e e np r o p o s e dd u et ot h i np o t a s s i u m v 中国科学技术大学博士学位论文英文摘要 p e r m a n g a n a t ew a s r e d u c e db yg o l dn a n o p a r t i c l e si ns t r o n ga c i dm e d i u mt ot h ee x c i t e d s t a t e m n ( i i ) 4 ，y i e l d i n gl i g h te m i s s i o n t h er e s u l t s b e s t o wn e wl i g h to nt h e s i z e d e p e n d e n t c h e m i c a lr e a c t i v i f i e so ft h e g o l dn a n o p a r t i c l e s a n do n n a n o p a r t i c l e s i n d u c e dc h e m i l u m i n e s c e n c e t h ec lr e a c t i o nw a ss u p p o s e dt ob eo f a p p l i c a t i o np o t e n t i a lf o rd e v e l o p i n gn e wb i o s e n s i n gt e c h n i q u e sa n di m m u n o a s s a y 4 g o l dc o l l o i d sw i t hn a n o p a r t i c l e so fd i f f e r e n ts i z e sw e r ef o u n dt oe n h a n c et h e c h e m i l u m i n e s c e n c e ( c l ) o fl u m i n o l h 2 0 2s y s t e m ，a n dt h em o s ti n t e n s i v ec l s i g n a l sw e r eo b t a i n e dw i t hg o l dn a n o p a r t i c l e si nd i a m e t e ro f3 8n n l u v - v i s i b l e s p e c t r a ，x r a yp h o t o e l e c t r o ns p e c t r aa n dt r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p ys t u d i e s w e r ec a r r i e do u tb e f o r ea n da f t e rt h ec lr e a c t i o nt oi n v e s t i g a t et h ec le n h a n c e m e n t m e c h a n i s m t h ec le n h a n c e m e n tb yg o l dn a n o p a r f i c l e so fl u m i n o l h 2 0 2s y s t e m w a ss u p p o s e dt ob eo r i g i n a t e df r o mt h ec a t a l y s i so fg o l dn a n o p a r t i e l e s ，w h i c h f a c i l i t a t e dt h er a d i c a lg e n e r a f i o na n de l e c t r o nt r a n s f e rp r o c e s s e st a k i n gp l a c eo nt h e s u r f a c eo ft h eg o l dn a n o p a r t i c l e s t h ee f f e c t so ft h er e a c t a n tc o n c e n t r a t i o n s ，t h es i z e o ft h eg o l d n a n o p a r t i c l e sa n ds o m eo r g a n i cc o m p o u n d sw e r ea l s oi n v e s t i g a t e d o r g a n i cc o m p o u n d sc o n t a i n i n g - o h ，n h 2a n d - s hg r o u p sw e r eo b s e r v e dt oi n h i b i t t h ec ls i g n a lo ft h el u m i n o l h 2 0 2 一g o l dc o l l o i d ss y s t e m ，w h i c hm a d ei ta p p l i c a b l e f o rt h ed e t e r m i n a t i o no f s u c hc o m p o u n d sw i t hd e t e c t i o nl i m i t sa sl o wa s1 7 1 0 9 1 9 1 0 1 0m o l la n dl i n e a rr a n g eo f t h r e eo r d e r so f m a g n i t u d e 5 w e a ka n du n s t a b l ec h e m i l u m i n e s c e n c ew a sf o u n dd u r i n gt h es y n t h e s i so f g o l dn a n o p a r t i c l e sb yr e d u c i n gh a u c l 4w i t hn a b h 4 t h el u m i n o p h o r eo ft h i sc l p r o c e s sw a sp r o b a b l yt h ea s f o r m e de x c i t e ds t a t eg o l dc l u s t e r s t h ea d d i t i o no f p r o t e c t i n gr e a g e n t sa f f e c t e dt h ec li n t e n s i t y , w h i c hw e r es u p p o s e dt ob ed e p e n d e n to n t h ep r o p e r t i e so ft h ep r o t e c t i n gr e a g e n t sa n dt h e i ri n t e r a c t i o n sw i t ht h ee x c i t e ds t a t e g o l dc l u s t e r s t r i s o d i u mc i t r a t es h o w e dm i n o re f f e c t s o nt h ec l ，b e c a u s et h e i n t e r a c t i o nb e t w e e nc i t r a t ei o n sa n dg o l dc l u s t e r sw a sn o ts t r o n g g a l l i c a c i d ， p - a m i n o p h e n t h i o la n dm e r c a p t o a c e t i ca c i di n h i b i t e dt h ec ls i g n a l ，p r o b a b l yb e c a u s e o ft h e i rs t r o n gi n t e r a c t i o n sw i t ht h eg o l dc l u s t e r s s o d i u md o d e c a n e s u l p h o n a t et h e v 中国科学技术大学博士学位论文 英文摘要 s u r f a c t a n te n h a n c e dt h ec li n t e n s i t yp r o b a b l yb e c a u s et h ee x c i t e ds t a t eg o l dc l u s t e r s c o u l db es t a b i l i z e db yt h es u r f a c t a n tm o l e c u l e s t h ef l u o r o p h o r e sc o u l da l s oe n h a n c e t h ec li n t e n s i t y , w h i c hi sl i k e l yd u et ot h a tt h ee x c i t e ds t a t eg o l dc l u s t e r sc o u l d t r a n s f e re n e r g yt of l u o r o p h o r e ss u c ha sf l u o r e s e e i na n dr h o d a m i n eb ，l e a d i n gt oc l e n h a n c e m e n t t h em o s ti n t e n s ea n ds t a b l ec ls i g n a l sw e r eo b t a i n e dw h e nl u m i n o l w a sa d d e dt or e a c tw i t hn a b h 4a n dh a u c h ，p r o b a b l yb e c a u s es t r o n go x i d a n t sa u 8 + s p e c i e sg e n e r a t e db yt h er e a c t i o nb e t w e e nn a b i - ha n dh a u c l 4w o u l do x i d i z el u m i n o l t og e n e r a t es t r o n gc ls i g n a l s t h es t u d yo nt h ec lp h e n o m e n ad u r i n gt h es y n t h e s i so f g o l dn a n o p a r t i c l e sw a si m p o r t a n t f o rb o t hc h e m i l u m i n e s c e n c ea n dn a n o - s c i e n c e s k e y w o r d s ：g o l dn a n o p a r t i c l e s ，l i q u i d p h a s ec h e m i l u m i n e s c e n c e ，e n e r g y a c c e p t o r , n a n o s i z e dr e a c t i o np l a t f o r m ，r e d u c t a n t ，c a t a l y s t ，g o l dc l u s t e r , a n a l y t i c a l a p p l i c a t i o n s 中鼠科学技术大学博士学位论_ 殳 第一章 第一章综述 1 , 1 引言 化学发光( c h e m i l u m i n e s c e n e c e ，c l ) 是化学反应过程所产生的一种电磁辐 射。广义的化学发光类型广泛，人们把通过化学反应产生的光现象称之为化学发 光，而把生物体内的化学发光称之为生物发光( b i o l u m i n e s c e n c e ，b l ) 1 】。 对化学发光新体系和新试剂的开发以及发光机理的研究自始至终贯穿了化 学发光的研究历史。自1 6 6 3 年德国医生b o y l e 发现了白磷的化学发光现象以来， 特别是2 0 世纪以来，大量化学发光反应和化学发光试剂被不断发现和开发。1 9 0 5 年，t r a u t z 对已发现的化学发光现象进行综述，并把发光机理归结为活性氧的反 应 2 】。1 9 2 2 年，k a u t s k i 报道了硅氧烷( s i l o x a n e ) 氧化过程中的化学发光现象f 3 】。 1 9 2 7 年，m n l e t 发现一些化学反应释放的能量可以转移给共存的荧光物质而使它 们被激发而发光，即能量转移型问接化学发光 4 】。1 9 2 8 年，a l b r e c h t 【5 观察到鲁 米诺( 3 - 氨基二甲酰肼，l t t m i n 0 1 ) 在碱性介质中的化学发光行为，这一化学发光 试剂至今仍然是化学发光领域的主要试剂之一。另一种广泛应用的发光试剂是光 泽精( n ，n - 二甲基二丫啶硝酸盐，l u c i g e n i n ) ，g l e u 和p e t s c h 6 于1 9 3 5 年报道了 其与过氧化氢反应产生化学发光。一大批气相和液相化学发光体系被开发出来， 如0 3 的化学发光，硫化物氧化的化学发光，基于反应物、产物或反应中间体的 直接化学发光，基于能量转移的间接化学发光体系等【7 】。甚至固体高聚物的氧 化或加热过程也可能产生化学发光。 i e 是由于这些丌创性工作的积累，以及微弱光检测装置的研究进展，自二十 世纪六七_ 年代以来，化学发光用于定量分析的研究开始蓬勃兴超。到八十年代， 化学发光开始广泛地应用于化学分析、环境科学、生命科学和医学等领域f 1 ， 8 1 4 1 。近年来，随着发光免疫分析技术及荧光素酶报告基因的应用，化学发光 已逐步形成一个产业 15 】，特别是在某些关键技术，如生物传感器 1 6 】、基因序 列分析【1 7 、活体细胞a t p 1 8 ，1 9 的测定等方面取得的一系列重大突破，使化学 发光的应用范围进一步扩大，几乎涵盖了现代科学的各个领域。 1 2 化学发光概论 1 2 1 化学发光的基本概念 化学发光( c h e m i l u m i n e s c e n c e ，c l ) 是指伴随化学反应的光发射现象。其发 光机理是：反应体系中的某些物质分子，如反应物、产物、中间体或者共存的荧 光物质吸收了化学反应释放的能量而由基态跃迁至激发态，在从激发态弛豫到基 态的过程中将能量以光辐射的形式释放出来，产生化学发光，如图1 1 所示。对 应的反应过程可以用( 1 1 ) ( 1 5 ) 式表示。 c f 激发态 基态 c 的能量 cf 图1 1 化学发光发生的反应过程 f i g u r e1 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f c h e m i l u m i n e s c e n tr e a c t i o np r o c e s s a + b + c 幸+ d c 掌峰c + h 矿 a + b 斗c 丰+ d ( 1 1 ) ( 1 2 ) ( 1 - 3 ) c 4 + f + f + + c( 1 4 ) f + + f + h v ( 1 5 ) 此外，有些物质的光解作用也会导致某些激发态的形成，产生“光致化学发 光( p h o t o c h e m i l u m i n e s c e n c e ) ”： a b + h y 斗a 木+ b( 1 6 1 a + +a + h ( 17 ) 目前已有的化学发光反应体系，其主要的反应机理大致可以分为以下几种类 中国科学技术、学博l ：学位论文 第一章 型：( 1 ) 激发态氧生成型；( 2 ) 双氧基化合物分解型；( 3 ) 分子或离子问电子转移 型，包括自由基阴离子与氧化剖之间以及自由基阳离子与还原荆之间的电子转移 等 2 0 。 化学发光现象与其它光学现象如吸收、荧光、拉曼散射等最大的区别在于化 学发光过程中产生电子激发态的能量来自于化学反应，而不需要外部光源。对于 4 0 0 7 5 0 嘲可见光区的发光，反应需要放出至少1 6 8 2 9 4k j t o o l 的能量 2 0 。 通常具有这种能量的反应是氧化还原反应，所以，化学发光分析也是氧化还原反 应过程中能量传递和转化的测定，这是化学发光分析区别于其它光学测定法的标 记和特征之一。反应式( 1 1 ) ( 1 7 ) 对应的化学发光产生的过程都可以用图1 2 所 示的能量曲线来描述。因此，对一个化学发光反应而言，化学反应的焓变( a h ，) 与发光辐射的能量c h v ) 之间并非一定准确相符，因为h y 尚包含有常属未知的 活化能，同时化学反应释放的能量也有可能部分地以非辐射的方式被消耗。 能 量 反应坐标 图1 - 2 化学发光反应中的能量曲线 a h 。，反应活化能：a ll ，反应焓变 f i g u r e1 - 2e n e r g yc u r v ef o r t h ec lr e a c t i o n 综上所述，产生化学发光必须具备三个条件 2 1 】：( i ) 化学反应必须是放热 反应；( 2 ) 必须存在电子激发态的通道；( 3 ) 激发态分子必须以光辐射的形式释 放能量回到基态，或者将能量传递给共存的荧光物质。这二个条件对于研究化学 发光的机理以及丌发化学发光新体系和新试剂具有重要意义。化学发光与荧光的 主要差别在于被激发分子的激发方式刁i 同。所以，能够影响荧光效率的各种凶素 都可能对化学发光产生影响。 1 2 2 化学发光分析原理 中国科学技术大学博士学位论文第一章 与其它光学分析方法比较，化学发光分析不需要外部光源，消除了瑞利散射 和拉曼散射，同时也克服了光源不稳定而导致波动的缺点，从而降低了噪声，提 高了信噪比。再加上灵敏的光电检测技术，使该法其有灵敏度高( 通常可达n g 或p g 数量级) 、线性范围宽( 通常可达三个数量级) 、仪器设备简单、分析快速、 易实现自动化等优点。这样，化学发光检测法就成为一种有效的痕量及超痕量分 析技术，非常适合于环境、生物、医学、临床化学等领域复杂、低含量组分的分 析。 根据化学发光反应在某一时刻的发光强度( 1 c l ) 或发光总量来确定反应中 相应组分含量的分析方法叫做化学发光分析。化学发光反应之所以能用于分析测 定，是因为化学发光强度与化学反应速度相关联，因而一切影响反应速度的因素 都可以作为建立测定方法的依据。 在任一给定的时间f 时，地可用下列方程式表示 2 0 ，2 l 】： z ( f ) = 政y d c ( t ) d t ( 1 8 ) 上式中d c ( t ) d t 为特定时问化学发光反应速度，西丑是化学发光的量子产率。 对某一个化学反应为一常数，其反应速度可按质量作用定律表示出与反应体系中 物质浓度的关系。因此，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。原则上讲，对任何化学发光反应，只要反应是一级或假一级反应，都可 以通过公式( i 8 ) 进行化学发光定量分析。例如，在直接化学发光反应中，如果物 质b 保持恒定，而物质a 的浓度变化可视为一级或假一级反应。则： ，。= n ( f ) 斫= 拟。【蚂( ，) ，西) 】出= 峻。c a ( 1 ，9 ) 即化学发光强度与a 的浓度成正比，据此可进行a 物质的定量分析。相应 的化学发光分析应用实例将在各个化学发光体系中作具体介绍。 1 2 3 常见化学发光反应体系 常见化学发光反应体系按其反应介质的状态，主要分为气相和液相两大类， 如用于大气污染物n o 、n 0 2 、s 0 2 等测定的气相化学发光反应体系，和用于过 氧化氢、金属离子以及大量有机物测定的液相化学发光反应体系。相对于气相化 学发光反应体系而言+ ，液相化学发光反应体系已经在多种领域获得了更为广泛的 应用，尤其是作为液相色谱柱后检测和临床分析。图1 3 给出了常见液相化学发 中国科学技术大学博士学位论文 第一章 光试剂结构示意图，包括酰肼类化合物鲁米诺( l u m i n 0 1 ) ，吖啶酯类化合物光泽 精( l u c i g e n i n ) ，过氧化草酸酯类化合物双( 2 ，4 ，6 一三氯苯基) 草酸盐，亚胺类化合 物洛酚碱( l o p h i n e ) ，二氧杂环丁烷和没食子酸。除此之外，对于稀土类配合物 联吡啶钌以及高锰