化學(xué)發(fā)光與電致化學(xué)發(fā)光

1、化學(xué)發(fā)光與電致化學(xué)發(fā)光,Chemiluminescence (CL) &Electrogenerated Chemiluminescence (ECL)崔 華中國科技大學(xué)化學(xué)系化學(xué)發(fā)光實驗室,化學(xué)發(fā)光,一、化學(xué)發(fā)光現(xiàn)象,螢火蟲發(fā)光,生物體化學(xué)發(fā)光現(xiàn)象的研究起源于古代，但是，直到十九世紀(jì)末，這種現(xiàn)象與簡單的有機(jī)反應(yīng)相聯(lián)系才得到解釋。,1877年 洛粉堿CL1905年 洛粉堿類似物1928年 魯米諾1935年

2、 光澤精1960s PMT 出現(xiàn) 發(fā)現(xiàn)許多有機(jī)反應(yīng)可產(chǎn)生CL,所謂化學(xué)發(fā)光 (CL) , 就是化學(xué)反應(yīng)的能量把體系中共存的某種分子從基態(tài)激發(fā)到激發(fā)態(tài)從而產(chǎn)生發(fā)光的現(xiàn)象。,,,化學(xué)發(fā)光反應(yīng)能級圖,直接化學(xué)發(fā)光A + B ? C* + DC* ? C + h?例: NO + O3 ? NO2* + O2 NO2* ? NO2 + h?,,二、化學(xué)發(fā)光反應(yīng)的分類,間接化學(xué)反應(yīng)

3、發(fā)光 A + B —> C* + D C* + E —> E* + C E* —> E + h?,例:,三、化學(xué)發(fā)光反應(yīng)發(fā)生的條件,化學(xué)反應(yīng)是放熱反應(yīng)。 化學(xué)反應(yīng)的自由能的變化與發(fā)光波長的關(guān)系: –?G ? hc / ?ex ? 2.857 × 10 – 4 千卡 /

4、 ?ex 摩爾 400~750nm的可見光發(fā)射時所需要的?G 的數(shù)值應(yīng)在38~71千卡之間。必須存在形成電子激發(fā)態(tài)的通道。激發(fā)態(tài)分子必須以輻射光子的形式回到基態(tài), 或?qū)⒛芰總鬟f給熒光分子。,四、化學(xué)發(fā)光反應(yīng)的機(jī)理,激發(fā)態(tài)氧生成型 H2O2 + Cl2??2 HCl + O2* O2* ? O2 + h? 低濃度 單分子發(fā)射 1268 nm 高濃度 雙分子發(fā)射

5、 634 nm 分子對同時躍遷,雙氧基化合物分解 最有效的化學(xué)發(fā)光反應(yīng)與雙氧基化合物的分解有關(guān)。,基態(tài)＋h?,電子轉(zhuǎn)移反應(yīng),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,e-,中性分子,自由基陰離子,氧化劑,,+,+,受激分子,還原了的氧化劑,自由基陰離子與氧化劑之間的電子轉(zhuǎn)移,自由基陽離子與還原劑之間的電子轉(zhuǎn)移,h?,五、化學(xué)發(fā)光反應(yīng),無機(jī)物的化學(xué)發(fā)光 一些無機(jī)物能

6、夠產(chǎn)生很弱的化學(xué)發(fā)光，例如：硫酸氫鹽被鉻酸氧化水被K、Na、Mg汞齊分解Al被空氣中氧氧化強(qiáng)酸被強(qiáng)堿中和亞硫酸鈉被空氣氧化,有機(jī)物的化學(xué)發(fā)光烴醇、醛、酮、酸、酯多酚雜環(huán)化合物,,典型的化學(xué)發(fā)光反應(yīng),魯米諾 (luminol),3-APA,,?max = 425 nm氧化劑: H2O2 O2 KMnO4 NaClO I2 [Fe(CN)6]3-.催化劑: 過氧化酶 氧化血紅素

7、 過渡金屬離子(Co2+、 Cu2+、Fe3+)抑制劑,光澤精 (lucigenin),?max = 440 nm(綠色)氧化劑: H2O2 還原劑 + O2 還原劑: 乳酸 尿酸 抗壞血酸催化劑: 過渡金屬離子抑制劑: 酚類物質(zhì)對此反應(yīng)有抑制作用,過氧化草酸酯 (peroxyoxalates),氧化劑: H2O2此反應(yīng)本身能產(chǎn)生弱的化學(xué)發(fā)光 ?max = 440 nm, 550nm.,鄰菲羅林 (1,10

8、-phenanthroline),氧化劑: H2O2 催化劑: Cu2+ Co2+ Pb2+ Fe3+ Ni2+抑制劑: 蛋白質(zhì)與Cu2+形成絡(luò)合物,The molecular structure of the used acridinium ester NHS,Mechanism of Acridinium Salt Chemiluminescence with hydrogen perox

9、ide,Org. Lett. (2003) 21:3779–3782,吖啶酯,Alkaline phosphatase (ALP) dephosphorylates AMPPD (1,2-二氧雜環(huán)丁烷類） to form a dioxetane anion, which fragments into adamantanone （金剛烷酮）and the excited state of methyl meta-oxybenzoate a

10、nion （間氧苯甲酸甲酯陰離子）, the light emitter.The detect limit of ALP is 10-21mol/L.The derivatives of AMPPD are superior than the parent compound to the lighting rates and signal intensities.,1,2-二氧雜環(huán)丁烷類,螢火蟲發(fā)光 (firefly BL),?ma

11、x = 562 nm,此反應(yīng)重要的分析對象是ATP 10-11~10-14mol,細(xì)菌發(fā)光 (bacterial BL),還原型吡啶核苷酸黃素,主要分析物 FMN 10-12mol此反應(yīng)常用于NADH和NADPH試驗 10-15mol,?max = 490nm,六、化學(xué)發(fā)光的表征,動力學(xué)曲線（反應(yīng)時間）光譜量子產(chǎn)率化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度,七、化學(xué)發(fā)光分析,,使[R]過量,k CA(t),CA(t) = CA0 e-

12、k?tIc L(t) = ?cl ? = ?cl k?CA(t) = ?cl k ? CA0 e-k ? t,盡管A物質(zhì)的 CA0 各不相同, 但 I 達(dá)到 Imax的時間相同. e-k’t為常數(shù). Icl(t)? CA0 定量分析的依據(jù),利用發(fā)光反應(yīng)動力學(xué)曲線對催化物質(zhì)的分析,八、化學(xué)發(fā)光的探測,分立式進(jìn)樣化學(xué)發(fā)光儀,R1,R2,s,,這類儀器適合于選擇性好, 量子效率高或發(fā)光

13、體壽命長的化學(xué)發(fā)光反應(yīng)的監(jiān)測。不適用于快速化學(xué)發(fā)光反應(yīng)(<15S)的重現(xiàn)性監(jiān)測。,,流動注射進(jìn)樣化學(xué)發(fā)光儀,,,,,,,,,,,,,樣品sample,,,,,,waste,,,PMT,recorder,蠕動泵,流通池(flow cell),,,,,,,,九、化學(xué)發(fā)光分析的特點,優(yōu)點: 靈敏度高, 線形范圍寬；儀器簡單, 價格便宜；分析時間短。缺點: 選擇性差。,電致化學(xué)發(fā)光,一、電致化學(xué)發(fā)光現(xiàn)象

14、 電致化學(xué)發(fā)光 (ECL) 是通過在電極上施加一定波形的電壓或電流信號進(jìn)行電解反應(yīng)的產(chǎn)物之間或與體系中共存組分反應(yīng)產(chǎn)生化學(xué)發(fā)光的現(xiàn)象。,二、典型的電致化學(xué)發(fā)光反應(yīng). 多環(huán)芳烴的ECL 按激發(fā)態(tài)分子或離子產(chǎn)生的歷程可分為兩類:通過單重激發(fā)態(tài)途徑的ECL(S-route ECL) R - e → R.+ 電極氧化 R + e → R. - 電極還原

15、 R. + + R. - → R + 1R* 自由基湮滅 1R* → R + h ν 發(fā)光過程 9,10-二苯基蒽,將200Hz 左右的方波電位(1.3 -2.2V vs. SCE)加到電極 DPA - e → DPA. + 1.3 V DPA + e → DPA. - -2.2 V DPA. + + DPA. - →

16、 1DPA* + DPA 1DPA* → DPA + h ν ( λ = 512nm),通過三重態(tài)途徑的ECL (T-route ECL) R - e → R. + 電極氧化 R + e → R. - 電極還原 R. + + R. - → 3R* + R 自由基湮滅 3R* + 3R*

17、 → 1R* + R 激發(fā)態(tài)轉(zhuǎn)化 1R* → R + h ν 發(fā)光過程 N,N,N’,N’-四甲基苯二胺(簡稱TMPD)和DPA 的混合溶液中, TMPD – e → TMPD. + 0.16 V DPA + e → DPA. - -2.1 V DPA. - + TMPD. + → 3DPA* + TMP

18、D 3DPA* + 3DPA* → 1DPA* + DPA 1DPA* → DPA + h ν,魯米諾的ECL,on a rotating ring (Au)-disc electrode (Au) system disc: OOH? negative pulse ring: OOH? ? O2? ?

19、 positive pulse LH ? ? L? ?,魯米諾的典型ECL 反應(yīng)機(jī)理,Ru(bpy)32+的ECL Ru(bpy)32+ + e → Ru(bpy)3+ 電極還原 Ru(bpy)3 2+ - e → Ru(bpy)33+ 電極氧化 Ru(bpy)3+ + Ru(

20、bpy)33+ → Ru(bpy)32+ + Ru(bpy)32+* Ru(bpy)32+* → Ru(bpy)32+ + h ? ( λ = 620 nm),當(dāng)體系中含有強(qiáng)氧化或還原性物質(zhì),只要施加單向正或負(fù)電壓就可以得到Ru(bpy)32+ 的ECL。如典型的Ru(bpy)32+ - C2O42- 和Ru(bpy)32+ - S2O82- 體系：,Ru(bpy)32+

21、 - C2O42- 共存體系的ECL 機(jī)理,,Ru(bpy)32+ - S2O82- 體系的發(fā)光反應(yīng)機(jī)理: Ru(bpy)32+ + e → Ru(bpy)3+ S2O82- + e → SO42- + SO4.- SO4.- + Ru(bpy)3+ → Ru(bpy)32+* + SO42- SO4.- + Ru(bpy)32+ → Ru(bpy)33+ + SO42- Ru(bpy)3+ + Ru(bpy)33+ →

22、 Ru(bpy)32+ + Ru(bpy)32+* Ru(bpy)32+* → Ru(bpy)32+ + h?,,Possible ECL mechanism of AE in alkaline aqueous in the presence of TPA,Anal. Bioanal. Chem. (2011) 399:3451–3458,吖啶酯的ECL,三、電致化學(xué)發(fā)光儀,四、 電致化學(xué)發(fā)光的特點,靈敏度高,線性范圍寬, 儀器簡單。