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第 3 章 化学发光分析法

第 3 章 化学发光分析法. 化学发光定义. 定义 : 由化学反应产生能量 , 吸收了化学反应能的原子或分子 由激发态回到基态时产生的这一光辐射现象叫化学发光. 化学发光简史. 公元前 300 年 , 人们观察到天然的生物发光 . 1877 年 ,Redziszewski 首次报道洛吩碱 (Lophine,2,4,5- 三苯基咪 唑 ) 在碱性介质中与氧反应发出金黄色的光 -- " 人为的 " 化学发光 . 1928 年 ,Albrecht 报道了鲁米诺 (3- 氨基苯二甲酰肼 ) 在碱性介质 中的化学发光行为 .

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第 3 章 化学发光分析法

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  1. 第3章 化学发光分析法

  2. 化学发光定义 定义: 由化学反应产生能量,吸收了化学反应能的原子或分子 由激发态回到基态时产生的这一光辐射现象叫化学发光.

  3. 化学发光简史 公元前300年,人们观察到天然的生物发光. 1877年,Redziszewski 首次报道洛吩碱(Lophine,2,4,5-三苯基咪 唑)在碱性介质中与氧反应发出金黄色的光--"人为的"化学发光. 1928年,Albrecht报道了鲁米诺(3-氨基苯二甲酰肼)在碱性介质 中的化学发光行为. 1929年,Harvey在电解碱性鲁米诺发现电极附近有发光现象,即 文献记载的最早的电致化学发光. 1935年,Gleu和Petsch第一个报道了光泽精(Lucigenin,N,N-二甲 基二丫啶硝酸盐)与过氧化氢反应产生的化学发光-绿光. 1964年,Mccapra提出基于一个二噁烷酮环形成机理来解释丫啶 酯的化学发光. 1966年,Lytle和 Hercules发现在强酸性或强碱性的钌(Ⅱ) [Ru(bipy)32+]溶液中加入芳香胺时发出橘红色的光(595nm).

  4. 化学发光及其光物理过程

  5. 化学发光反应的基本条件 • ①.该反应必须提供足够的激发能(对于蓝光发射约需300kJ●mol-1,红光发射约需150 kJ●mol-1).导致电子从基态跃迁至激发态,这一电子跃迁常常伴随有分子的振动和转动变化. • 在有机分子中,电子从一个 键向一个反 键轨道跃迁( *) 或从非键向反 键轨道跃迁(n *),电子从激发态回到基态,发出光子,即化学发光.

  6. ②.在多步骤反应中,由于化学激发的瞬时性,这个能量必②.在多步骤反应中,由于化学激发的瞬时性,这个能量必 须由某一步单独提供,否则前一步反应释放的能量将因 振动弛豫消失在溶液中而不能发光. 大部分有机物具有化学发光性能,但量子产率一般 很低,远小于1%,且多数具有氧化还原性能.因此,化学反 应的能量至少能被一种物质所接收并使之生成激发态. 对有机分子来说,从能量上来看,容易生成激发态产物的 常是芳香族化合物和羰基化合物.

  7. ③.处于激发态的分子或原子必须具有一定的化学发光③.处于激发态的分子或原子必须具有一定的化学发光 量子效率使其能释放出光子,或者能够转移它的能量给 另一个分子使之处于激发态,在从激发态回到基态的过 程中释放出光子.

  8. 化学发光量子效率 能发射光子回到基态的分子数占溶液中该分子总数 的百分比称为发光量子产率(CL),它是由三方面的因素 决定的: c是具有可能产生激发分子的反应分子分数即形成化学 产物的量. e是处于电子激发态那些分子的分数,与能量转移效率有 关. f是发射出光子的分子从激发态回到基态的分子的分数

  9. 化学发光反应的主要类型 ①.自身化学发光反应 ②.敏化化学发光 ③.偶合化学发光反应 ④.光解化学发光 ⑤.火焰化学发光 ⑥.电致化学发光

  10. ①.自身化学发光反应 自身化学发光反应是指被测物质作为反应物直接参加 化学反应,利用化学反应释放的能量激发产物分子产生 的光辐射.可用下式表示: A + B C* + D, C* C + hv C*为A和B反应产物C的激发态,h为发射的光子.

  11. ②.敏化化学发光 • 敏化化学发光是指在某些化学反应中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 + hv 式中:C*为能量给予体;F为能量接受体.这是一类间 接发光,弥补了自身化学发光量子产率低的不足,具 有广泛用途.

  12. 例如,罗丹明6G-抗坏血酸-铈(Ⅳ)体系测定抗坏血例如,罗丹明6G-抗坏血酸-铈(Ⅳ)体系测定抗坏血 酸就属于敏化化学发光.其中罗丹明6G为发光能 量接受体. 抗坏血酸 + Ce(IV) A* + Ce(III) A*+罗丹明6G 罗丹明6G*+ B 罗丹明6G* 罗丹明6G + hv

  13. ③.偶合化学发光反应 偶合化学发光反应是指将能产生或消耗化学发 光反应中反应物的一个或一系列反应与一个化 学发光反应进行偶合. 偶合反应 A + B C 化学发光发应 C + D E* + F, E* G + hv

  14. 例如,Ru(phen)32+- Ce(Ⅳ)化学发光体系检测吲哚 乙酸就属于这一类型 [Ru(phen)32+]*代表Ru(phen)32+的激发态,[R*]代表待测物 与强氧化剂Ce(Ⅳ)反应所生成的活性中间体.

  15. ④.光解化学发光 光解化学发光是指化学物质在强光源作用下分裂成 分子碎片,这些分子碎片在发生化学反应时产生的光辐 射.反应方程为: A+hv B*+C, B*+C A* A* A+hv

  16. 例如,二氧化氮的光解化学发光机理可表示为 NO2+hv1 NO*+O, NO*+O NO2* NO2* NO2+hv2

  17. ⑤.火焰化学发光 一般化合物在高温下成为气态分子碎片,这些气态 分子碎片间发生化学反应时所产生的化学发光称为火 焰化学发光. 分子碎片 A + B C*; C* C + hv 火焰化学发光测定必须在专门的元素火焰化学发 光仪上进行.火焰化学发光反应多用于大气中含硫、含 氮、含磷等污染物的检测.

  18. ⑥.电致化学发光 电致化学发光反应是指电解的氧化还原产物之间 或与体系中某种组分进行化学反应所产生的化学发光. 它是利用电极原位产生试剂,这些试剂在溶液中反应, 完成较高能量的电子转移而生成激发态的分子回到基 态时发射光子. 当电极施加双阶跃正负脉冲时,分子A在正电势阶 跃时被氧化为A+: A A+ + e- 分子A在负电势阶跃时被还原为A-: A + e- A- A+与A-反应生成激发态的A*,并产生化学发光 A+ + A- A* + A A* A+h

  19. 如果体系中含有还原(R) 或氧化(O)性物质时,仅在工作电极上施加正或负电压便可生成激发态的A*而发光: A A+ + e- A + e- A- 或 A+ + R A* + O 或 A- + O A* +R, A* A + h

  20. 电致化学发光测定草酸 Ru(bipy)32+在铂电极或碳电极上被氧化: Ru(bpy)32+ Ru(bpy)33+ + e- 随后在电极表面的扩散层发生下列反应: Ru(bpy)33+ + C2O42- Ru(bpy)32+ + C2O4-· C2O4-· CO2 + CO2-·

  21. CO2-·(自由基阴离子)是强还原剂,在与Ru(bipy)33+的电极CO2-·(自由基阴离子)是强还原剂,在与Ru(bipy)33+的电极 反应中能产生激发态的Ru(bipy)32+*. CO2-· +Ru(bpy)33+ CO2 + Ru(bpy)32+* CO2-· + Ru(bpy)32+ CO2 +Ru(bpy)3+ Ru(bpy)3+ +Ru(bpy)33+ Ru(bpy)32+ +Ru(bpy)32+* 当Ru(bipy)32+从激发态回到基态时,发射出橘红色的光 (595nm). Ru(bpy)32+* Ru(bpy)32+ + hv

  22. 化学发光强度与反应物浓度的关系 化学发光反应所以能用于分析测定,是因为化学发光强 度(ICL)与化学反应速度(dp/dt)相关联,而一切影响反应 速度的因素又都可以作为建立测定方法的依据. 化学发光反应一般可表示为: A + B C*, C* C + h

  23. 该发光反应的化学发光强度取决于反应的速度dp/dt和反应的化学发光量子效率(CL)该发光反应的化学发光强度取决于反应的速度dp/dt和反应的化学发光量子效率(CL) ICL(t)= CLdp/dt 式中, CL可表示为CL= r f, 其中r为生成激发态产物分子的量子效率, f为激发态产物分子的发光量子效率, 对于一定的化学反应, CL为一定值;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.

  24. 化学发光强度与反应物浓度的关系 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,都可以通过下式进行化学发光定量分析.例如,在 化学发光反应中如果物质B保持恒定,而物质A变化且为 一级或假一级反应,则 此式表明,化学发光强度与A的浓度成正比.

  25. 化学发光分析测定对象分类 ①.化学发光反应中的反应物. ②.化学发光反应中的催化剂,增敏剂或抑制剂. ③.偶合反应中的反应物,催化剂,增敏剂.

  26. 化学发光试剂的主要类型 ①.鲁米诺(luminol)(1),异鲁米诺(isoluminol)(2)和它们的衍生物.

  27. 异鲁米诺衍生物的结构及量子效率

  28. 鲁米诺衍生物的化学发光

  29. 鲁米诺衍生物的化学发光简单机理

  30. K3Fe(CN)6氧化鲁米诺化学发光反应机理

  31. K3Fe(CN)6氧化鲁米诺化学发光反应机理 快反应

  32. K3Fe(CN)6氧化鲁米诺化学发光反应机理

  33. 辣根过氧化物酶催化反应机理 HRP与过氧化氢反应生成一氧化HRP(HRPⅠ),它 同鲁米诺阴离子反应生成半还原酶(HRPⅡ)和鲁米诺自 由基.再与第二个分子鲁米诺反应,酶回到还原形式. 鲁米诺* 鲁米诺- 鲁米诺* 鲁米诺-

  34. ②.丫啶衍生物

  35. 丫啶衍生物的一般发光机理

  36. ③.过氧草酸盐类

  37. 过氧草酸盐类化学发光机理 草酸酯类化学发光机理分为三步:①.过氧化氢对草酸 酯的羰基亲核进攻,生成能产生高能量的双氧基环状中间 体二氧杂环丁二酮; 分解 H2O2

  38. 过氧草酸盐类化学发光机理 ②.中间体分解,将能量传递给受体荧光分子,使之处于 激发态;③.这种激发态分子从激发单重态回到基态,释 放出光子即发出荧光. FL FL*+H2O2 FL* FL + hv 分解

  39. 过氧草酸盐类的代表化合物(7)-双[2,4-二硝基苯基]草酸盐(DNPO)和(8)-[2,4,6-三氯苯基]草酸盐TCPO发光效率可达27%过氧草酸盐类的代表化合物(7)-双[2,4-二硝基苯基]草酸盐(DNPO)和(8)-[2,4,6-三氯苯基]草酸盐TCPO发光效率可达27%

  40. 过氧草酸盐类的应用 ①.待测物质本身是荧光剂,可作为能量接受体和发光体. ②.待测物质参与某一反应可产生H2O2等氧化剂而间接被测定. ③.待测物质可被衍生成荧光物质.

  41. ④.二氧杂环丁烷类

  42. ⑤.贵金属络合物发光试剂

  43. 贵金属络合物发光试剂的发光动力学曲线

  44. 贵金属络合物发光机理

  45. 贵金属络合物发光机理

  46. 化学发光分析法的应用 ①.无机物的分析 ②.有机物和药物分析 ③.生物体内活性氧的化学发光研究 ④.化学发光在核酸杂交分析中的应用

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