化学发光与生物发光

关于化学发光与生物发光内容提纲一、化学发光（一）、化学发光的基本原理（二）、化学发光的应用二、生物发光（一）、生物发光的原理与特点（二）、生物发光的分类第2页,共56页，2024年2月25日，星期天第3页,共56页，2024年2月25日，星期天一、化学发光（一）化学发光的基本原理1、化学发光的定义某些物质在进行化学反应过程中，由于吸收了反应产生的化学能而被激发，从激发态返回基态时，发射出一定波长的光，这种吸收化学能使分子发光的过程称为化学发光(chemiluminescence)。

第4页,共56页，2024年2月25日，星期天2、化学发光的过程1）、化学发光满足的条件a、该化学反应必须提供足够的激发能，使电子能从基态跃迁至激发态。b、化学反应的能量至少能被一种物质所接受并生成激发态。c、处于激发态分子必须具有一定的化学发光量子效率释放出光子,或者能够转移它的能量给另一个分子使之处于激发态并释放出光子。第5页,共56页，2024年2月25日，星期天2）化学发光的基本类型a、直接发光

是指被测物质为反应物直接参与化学反应，利用自身化学反应释放的能量激发产物分子的光辐射。可用反应式表示为：A+B→C*+D，C*→C+hv这类化学发光反应最多和最普遍，多数有机物分子在液相中的化学反应属于这一类型。第6页,共56页，2024年2月25日，星期天b、间接发光

是指某些化学反应中的由于激发态产物本身不发光或发光十分微弱，但通过加入某种能量接受体（荧光剂）可导致发光。反应式为：

A+B→C*+D,

F+C*→F*+C,

F*→F+hvC为能量给于体，F为能量接受体。第7页,共56页，2024年2月25日，星期天一、化学发光（二）化学发光的应用1、化学发光分析

化学发光(ChemiLuminescence，简称为CL)分析法是分子发光光谱分析法中的一类，它主要是依据化学检测体系中待测物浓度与体系的化学发光强度在一定条件下呈线性定量关系的原理，利用仪器对体系化学发光强度的检测，而确定待测物含量的一种痕量分析方法。第8页,共56页，2024年2月25日，星期天化学发光与其它发光分析的本质区别是体系产生发光(光辐射)所吸收的能量来源不同。体系产生化学发光，必须具有一个产生可检信号的光辐射反应和一个可一次提供导致发光现象足够能量的单独反应步骤的化学反应。第9页,共56页，2024年2月25日，星期天第一类物质是化学发光反应中的的反应物；第二类物质是化学发光反应中的催化剂，增敏剂或抑制剂;第三类是偶合反应中反应物，催化剂，增敏剂等。化学发光分析测定的物质对象可分为三类：第10页,共56页，2024年2月25日，星期天鲁米诺化学发光体系吖啶酯类化学发光体系过氧化草酸酯类化学发光体系无机物化学发光体系碱性高碘酸钾酸性高锰酸钾酸性硫酸铈稀土配合物(中性)其他化学发光体系主要的化学发光体系

2、常见的一些化学发光体系第11页,共56页，2024年2月25日，星期天1）、鲁米诺(luminol)化学发光体系鲁米诺（3-氨基苯二甲酰肼）其结构是为第12页,共56页，2024年2月25日，星期天氧化剂:

H2O2O2KMnO4NaClOI2催化剂:过氧化酶氧化血红素过渡金属离子(Cu2+、Mn2+、Co2+、V4+、Fe2+、Fe3+、Ni2+、Ag+、Au3+、Hg2+etc.)OXIDANTBASEluminol*3-Aminophthalate+

h

3-APA鲁米诺的发光机理是第13页,共56页，2024年2月25日，星期天2）、高碘酸钾（KIO4）发光体系氧分子对的发射：490~500nmCO2双分子发射：430~450nm多酚类物质对该体系的化学发光有增强作用化学发光原理－活性氧中间体型第14页,共56页，2024年2月25日，星期天3）、高锰酸钾（KMnO4）发光体系

KMnO4–还原剂CL体系KMnO4+Red—Intermediate(激发态)

直接CLFluorophoreFluorophore(激发态)

—

间接CL还原剂：氨基酸、SO2、碘、药物、毒品等具有还原性的物质量子产率不高，可以加入强还原性物质增强体系灵敏度可以测定化学需氧量第15页,共56页，2024年2月25日，星期天4）、铈（Ce）发光体系高价铈Ce(IV)的发光体系

Ce（Ⅳ）是一种强的氧化剂，Ce（Ⅳ）在氧化亚硫酸盐等还原性物质可产生微弱的化学发光，因此可以利用此体系直接测定相关的化合物。一般认为Ce（Ⅳ）被还原时，产生激发态的Ce（Ⅲ）*，这个激发态同样的既可以跃迁到基态而发光，也可以将能量转移给共存荧光而发光。荧光物质（如罗丹明B、罗丹明6G、喹啉等）、表面活性剂（如吐温20、吐温80等）来增敏Ce（Ⅳ）的化学发光。第16页,共56页，2024年2月25日，星期天3、化学发光分析仪第17页,共56页，2024年2月25日，星期天IFFM-E型流动注射化学发光分析仪（西安瑞迈分析仪器有限公司）。第18页,共56页，2024年2月25日，星期天图1柠檬酸三钠–Ce（Ⅳ）-吐温80流动注射化学发光体系流程第19页,共56页，2024年2月25日，星期天4、化学发光分析的特点局限性：方法选择性较差、发光体系相对较少、仪器商品化不够优势性：不需要外部光源：消除了入射光的干扰(瑞利散射和拉曼散射)。克服了光源不稳定而导致的波动的缺点，降低了噪声，提高了信噪比。灵敏度高(通常可达ng级或pg级)。线性范围宽(通常可达三个数量级)。设备简单、分析快速、易实现自动化。第20页,共56页，2024年2月25日，星期天5、化学发光法的应用1）无机化合物化学发光分析a、金属离子分析第21页,共56页，2024年2月25日，星期天b、其他无机化合物的分析第22页,共56页，2024年2月25日，星期天2）有机化合物化学发光分析a、有机酸第23页,共56页，2024年2月25日，星期天b、有机碱第24页,共56页，2024年2月25日，星期天c、氨基酸第25页,共56页，2024年2月25日，星期天d、糖类第26页,共56页，2024年2月25日，星期天e、类固醇类脂第27页,共56页，2024年2月25日，星期天f、药物第28页,共56页，2024年2月25日，星期天3）化学发光在生物领域的应用

血浆和血清的化学发光血浆脂蛋白的化学发光尿液的化学发光红细胞的化学发光第29页,共56页，2024年2月25日，星期天二、生物发光（一）生物发光的原理与特点1、生物发光的定义

生物发光

是指生物体发出的光辐射，是生物体释放能量的一种形式，这种发光现象广泛地分散在生物界中。它不依赖于有机体对光的吸收，而是一种特殊类型的化学发光，也是氧化发光的一种。第30页,共56页，2024年2月25日，星期天2、生物发光的特点

生物发光的一般机制是：由细胞合成的化学物质，在一种特殊酶的作用下，使化学能转化为光能。①生物发光的颜色范围很宽，可从红光到深蓝光；②氧是几乎所有生物发光系统中必须的因素；③生物发光是由“荧光素酶”与“荧光素”的化学反应所引起的；④所有的生物发光反应似乎都是酶-底物类型的反应，但复杂程度不同，某些生物发光反应涉及3种或4种底物，而另一些生物发光反应甚至需要3个或4个酶的体系。第31页,共56页，2024年2月25日，星期天二、生物发光（二）生物发光的分类1、据发光的机理不同将生物发光分为：受激荧光发光生物发光化学发光超微弱发光第32页,共56页，2024年2月25日，星期天a、受激荧光受激荧光是指生物体在受到外界光辐射的作用时，体内固有的荧光物质或吸收的荧光标记物发光的现象。在生物学领域中，由于分析物质荧光的方法敏感性极高，而且几乎所有的有机分子都能够直接或经过适当的化学处理后发生荧光，故很早就受到重视，并逐渐发展成为生物学和医学中的荧光分析。第33页,共56页，2024年2月25日，星期天b、发光生物发光发光生物是指自身具有发光器官、细胞(包括发光的共生细菌)，或具有能分泌发光物体腺体的海洋生物的统称。

在生物世界里说到发光，人们首先会想到萤火虫，但除了这种昆虫外还有许多生物也能发光，如一些生活在深海里的鱼类，光是一种谋生的手段。夜晚常在近海作业的渔民甚至是长住海边的人经常能看到海面上有光带，这是一些藻类发出的，当它们受到惊扰时或者是在大量繁殖时，似乎海洋都开始燃烧了起来。晚上在海滩上戏耍的孩子们能从海滩上找到沙蚕，这也是一种能发光的动物，除此之外，能发光的还有水母、珊瑚、某些贝类和蠕虫等。第34页,共56页，2024年2月25日，星期天c、化学发光生物发光是一种特殊的化学发光，它是一类与生命过程有光的化学发光，是在化学反应过程中(主要为氧化还原反应)发出可见光的现象。由两个关键步骤组成：激发和发射。许多化学反应进行时能释放足够的自由能而把参加反应的物质之一激发到能发射光的电子激发态，生成一种激发态产物，在它回到基态时，剩余能量转变成光子能量产生发光现象。第35页,共56页，2024年2月25日，星期天将化学发光与免疫反应结合起来建立的化学发光免疫测定法。化学发光标记是继荧光标记，放射性核素标记，酶标记三大标记技术之后，发展起来的最新检测技术。全自动电化学发光免疫分析仪

第36页,共56页，2024年2月25日，星期天d、超微弱发光超微弱发光分析：任何有生命的物质．人、动物、植物和微生物等都有一种超微弱发光，这是生命体本身所固有的一种属性：这种发光可以通过对生物分子、细胞、亚细胞组份(线桓体、微粒体、脂质体)或生物活体(小鼠、树叶、水果、小过)、器官及体液(血、尿)的测贡探测出来。这些有关生物超微弱发光(ultra-weakbioluminescence)的研究课题，构成了当前生命科学发展前沿中的一个极其重要的研究领域——生命系统的超微弱光子辐射(ultra-weakphotonemissionfromlivingsystem)。第37页,共56页，2024年2月25日，星期天

萤火虫发光细胞中含有荧光素、荧光素酶两种发光物质。它们与ATP（三磷酸腺苷）及氧一起反应，在氧与荧光素结合时发生电子转移同时发生能量的变化释放出荧光光子而发光。a、萤火虫类的发光2、据发光的生物不同将生物发光分为：

萤火虫第38页,共56页，2024年2月25日，星期天

这类发光过程包括加氧、激发与转移，如海萤的发光：它在自身分开的腺体中分别合成荧光素和荧光素酶，当把两者同时喷进水里时就会在水中反应而发光，波长460纳米，光色为蓝色。

海萤2、节足动物及鱼类的生物发光第39页,共56页，2024年2月25日，星期天鱼类第40页,共56页，2024年2月25日，星期天

包括刺丝胞亚门和栉水母亚门。这种类型发光具有各种不同的活化反应。亚门和纲不同，活化反应与激发特性也不同。此类发光还可以从一个发光种传递激发态能量给另一个发光种，即有敏化生物发光现象。这种发光可发出不同颜色的光，较多地偏向红色，波长480～490纳米。3、腔肠动物的生物发光第41页,共56页，2024年2月25日，星期天栉水母栉水母是一种发光海洋生物，它们可以发出一种另类的防护光。这种防护光通常被称为“牺牲标签”。当栉水母被捕食者吞到腹中后，会引起某些半透明捕食者身体发出光芒，这种光芒对于捕食者来说是非常危险，它们因此也成为更上层捕食者的猎物。所以，栉水母的防护光也被称为“牺牲标签”。第42页,共56页，2024年2月25日，星期天

它的反应机制与前三种不同。底物在催化循环中会形成还原型核黄素磷酸盐和醛化合物，当遇到荧光素酶和氧时，就会形成一种激发的络合物。络合物断裂时生成氧化核黄素磷酸盐、酸、水及一个光子，波长470～505纳米，光为蓝绿色。4、细菌发光第43页,共56页，2024年2月25日，星期天发光细菌用发光细菌做“生物灯”第44页,共56页，2024年2月25日，星期天包括海笋属、蚯蚓属及柱头虫属等。这类发光包括两个过程，虫荧光素与氧或过氧化物单独或两者作用后先生成超氧阴离子（自由基），然后再激发。5、过氧化氢体系的生物发光发光蚯蚓第45页,共56页，2024年2月25日，星期天6