化學發(fā)光與電致化學發(fā)光課件

化學發(fā)光與電致化學發(fā)光Chemiluminescence(CL)&ElectrogeneratedChemiluminescence(ECL)崔華中國科技大學化學系化學發(fā)光實驗室化學發(fā)光與電致化學發(fā)光Chemilumines1化學發(fā)光一、化學發(fā)光現象化學發(fā)光一、化學發(fā)光現象2螢火蟲發(fā)光螢火蟲發(fā)光3生物體化學發(fā)光現象的研究起源于古代，但是，直到十九世紀末，這種現象與簡單的有機反應相聯系才得到解釋。1877年洛粉堿CL1905年洛粉堿類似物1928年魯米諾1935年光澤精1960sPMT出現發(fā)現許多有機反應可產生CL生物體化學發(fā)光現象的研究起源于古代，但是，直到十4

所謂化學發(fā)光(CL),就是化學反應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)從而產生發(fā)光的現象?；瘜W發(fā)光反應能級圖化學發(fā)光反應能級圖5直接化學發(fā)光A+BC*+DC*C+h例:NO+O3

NO2*+O2NO2*NO2+h二、化學發(fā)光反應的分類直接化學發(fā)光二、化學發(fā)光反應的分類6

間接化學反應發(fā)光A+B—>C*+DC*+E—>E*+CE*—>E+h例:間接化學反應發(fā)光例:7三、化學發(fā)光反應發(fā)生的條件化學反應是放熱反應。

化學反應的自由能的變化與發(fā)光波長的關系:

–G

hc/ex2.857×10–4千卡/ex摩爾

400~750nm的可見光發(fā)射時所需要的G的數值應在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),或將能量傳遞給熒光分子。三、化學發(fā)光反應發(fā)生的條件化學反應是放熱反應。8四、化學發(fā)光反應的機理激發(fā)態(tài)氧生成型H2O2+Cl22HCl+O2*O2*O2+h低濃度單分子發(fā)射1268nm高濃度雙分子發(fā)射

634nm分子對同時躍遷四、化學發(fā)光反應的機理激發(fā)態(tài)氧生成型9雙氧基化合物分解最有效的化學發(fā)光反應與雙氧基化合物的分解有關。基態(tài)＋h雙氧基化合物分解基態(tài)＋h10電子轉移反應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移電子轉移反應e-中性分子自由基陰離子氧化劑++受激分子還原了11自由基陽離子與還原劑之間的電子轉移h自由基陽離子與還原劑之間的電子轉移h12五、化學發(fā)光反應無機物的化學發(fā)光一些無機物能夠產生很弱的化學發(fā)光，例如：硫酸氫鹽被鉻酸氧化水被K、Na、Mg汞齊分解Al被空氣中氧氧化強酸被強堿中和亞硫酸鈉被空氣氧化五、化學發(fā)光反應無機物的化學發(fā)光13有機物的化學發(fā)光烴醇、醛、酮、酸、酯多酚雜環(huán)化合物有機物的化學發(fā)光14典型的化學發(fā)光反應

魯米諾(luminol)3-APAmax=425nm氧化劑:H2O2O2KMnO4NaClOI2[Fe(CN)6]3-.催化劑:過氧化酶氧化血紅素過渡金屬離子(Co2+、Cu2+、Fe3+)抑制劑OXIDANTBASEluminol*3-Aminophthalate+h典型的化學發(fā)光反應魯米諾(luminol)3-APAm15

光澤精(lucigenin)max=440nm(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:酚類物質對此反應有抑制作用光澤精(lucigenin)max=440nm16

過氧化草酸酯(peroxyoxalates)氧化劑:H2O2此反應本身能產生弱的化學發(fā)光max=440nm,550nm.過氧化草酸酯(peroxyoxalates)氧化劑:H17

鄰菲羅林(1,10-phenanthroline)氧化劑:H2O2

催化劑:Cu2+Co2+Pb2+Fe3+Ni2+抑制劑:蛋白質與Cu2+形成絡合物鄰菲羅林(1,10-phenanthroline)氧化劑18ThemolecularstructureoftheusedacridiniumesterNHSMechanismofAcridiniumSaltChemiluminescencewithhydrogenperoxideOrg.Lett.(2003)21:3779–3782

吖啶酯Themolecularstructureofthe19Alkalinephosphatase(ALP)dephosphorylatesAMPPD(1,2-二氧雜環(huán)丁烷類）toformadioxetaneanion,whichfragmentsintoadamantanone（金剛烷酮）andtheexcitedstateofmethylmeta-oxybenzoateanion（間氧苯甲酸甲酯陰離子）,thelightemitter.ThedetectlimitofALPis10-21mol/L.ThederivativesofAMPPDaresuperiorthantheparentcompoundtothelightingratesandsignalintensities.

1,2-二氧雜環(huán)丁烷類Alkalinephosphatase(ALP)dep20

螢火蟲發(fā)光(fireflyBL)max=562nm此反應重要的分析對象是ATP10-11~10-14mol螢火蟲發(fā)光(fireflyBL)max=56221細菌發(fā)光(bacterialBL)還原型吡啶核苷酸黃素主要分析物FMN10-12mol此反應常用于NADH和NADPH試驗10-15molmax=490nm細菌發(fā)光(bacterialBL)還原型吡啶核苷酸黃素主22六、化學發(fā)光的表征動力學曲線（反應時間）光譜量子產率化學發(fā)光強度六、化學發(fā)光的表征動力學曲線（反應時間）23七、化學發(fā)光分析

h—dcAdtk[R][A]使[R]過量

kCA(t)CA(t)=CA0e-ktIcL(t)=cl=

clkCA(t)=

clk

CA0e-kt盡管A物質的CA0各不相同,但I達到Imax的時間相同.e-k’t為常數.Icl(t)CA0定量分析的依據七、化學發(fā)光分析h—dcAdtk[R][A]使[R24利用發(fā)光反應動力學曲線對催化物質的分析利用發(fā)光反應動力學曲線對催化物質的分析25八、化學發(fā)光的探測

分立式進樣化學發(fā)光儀PMTR1R2s這類儀器適合于選擇性好,量子效率高或發(fā)光體壽命長的化學發(fā)光反應的監(jiān)測。不適用于快速化學發(fā)光反應(<15S)的重現性監(jiān)測。八、化學發(fā)光的探測分立式進樣化學發(fā)光儀PMTR1R2s這類26

流動注射進樣化學發(fā)光儀樣品samplewastePMTrecorder蠕動泵流通池(flowcell)流動注射進樣化學發(fā)光儀樣品samplewastePMTre27九、化學發(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。九、化學發(fā)光分析的特點優(yōu)點:28電致化學發(fā)光一、電致化學發(fā)光現象

電致化學發(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行電解反應的產物之間或與體系中共存組分反應產生化學發(fā)光的現象。電致化學發(fā)光一、電致化學發(fā)光現象29二、典型的電致化學發(fā)光反應.

多環(huán)芳烴的ECL

按激發(fā)態(tài)分子或離子產生的歷程可分為兩類:通過單重激發(fā)態(tài)途徑的ECL(S-routeECL)R-e→R.+電極氧化R+e→R.

-電極還原R.

++R.

-→R+1R*自由基湮滅

1R*→R+hν發(fā)光過程9,10-二苯基蒽,將200Hz左右的方波電位(1.3-2.2Vvs.SCE)加到電極 DPA-e→DPA.

+1.3V DPA+e→DPA.

--2.2V

DPA.

++DPA.

-→1DPA*+DPA

1DPA*→DPA+hν(λ=512nm)二、典型的電致化學發(fā)光反應.30

通過三重態(tài)途徑的ECL(T-routeECL)

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*→1R*+R激發(fā)態(tài)轉化

1R*→R+hν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.

+0.16VDPA+e→DPA.

--2.1VDPA.

-+TMPD.

+→3DPA*+TMPD

3DPA*+3DPA*→1DPA*+DPA

1DPA*→DPA+hν通過三重態(tài)途徑的ECL(T-routeECL)31

魯米諾的ECLonarotatingring(Au)-discelectrode(Au)system

disc:OOHnegativepulsering:OOH

O2

positivepulseLH

L

魯米諾的ECLonarotatingring(A32

魯米諾的典型ECL反應機理魯米諾的典型ECL反應機理33

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(bpy)33+

→Ru(bpy)32++Ru(bpy)32+*Ru(bpy)32+*→Ru(bpy)32++h

(λ=620nm)Ru(bpy)32+的ECL34

當體系中含有強氧化或還原性物質,只要施加單向正或負電壓就可以得到Ru(bpy)32+的ECL。如典型的Ru(bpy)32+-C2O42-和Ru(bpy)32+-S2O82-體系：

Ru(bpy)32+-C2O42-

共存體系的ECL機理當體系中含有強氧化或還原性物質,只要施加單向正或負電35Ru(bpy)32+-S2O82-

體系的發(fā)光反應機理: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+

→Ru(bpy)32++Ru(bpy)32+*Ru(bpy)32+*→Ru(bpy)32++hRu(bpy)32+-S2O82-體系的發(fā)光反應機理:36PossibleECLmechanismofAEinalkalineaqueousinthepresenceofTPAAnal.Bioanal.Chem.(2011)399:3451–3458吖啶酯的ECLPossibleECLmechanismofAEi37

三、電致化學發(fā)光儀PRECL儀器結構圖自制的電化學發(fā)光池和組合電極示意圖三、電致化學發(fā)光儀PRECL儀器結構圖自制的電化學發(fā)光池和38

四、電致化學發(fā)光的特點靈敏度高,線性范圍寬,儀器簡單。化學發(fā)光反應的電化學誘發(fā)可對這些反應在時間上進行控制?？赏ㄟ^變換電位控制反應,改善選擇性。光產生于電極附近,改善了分析探測的空間控制。不穩(wěn)定試劑可現場產生。沒有電化學探測中的電子干擾問題。一些化合物可在ECL反應中被循環(huán)使用。電極表面的污染問題。ECL體系較少,分析物種有限。機理問題。

四、電致化學發(fā)光的特點靈敏度高,線性范圍寬,儀器簡單。39Thankyou!Thankyou!40化學發(fā)光與電致化學發(fā)光Chemiluminescence(CL)&ElectrogeneratedChemiluminescence(ECL)崔華中國科技大學化學系化學發(fā)光實驗室化學發(fā)光與電致化學發(fā)光Chemilumines41化學發(fā)光一、化學發(fā)光現象化學發(fā)光一、化學發(fā)光現象42螢火蟲發(fā)光螢火蟲發(fā)光43生物體化學發(fā)光現象的研究起源于古代，但是，直到十九世紀末，這種現象與簡單的有機反應相聯系才得到解釋。1877年洛粉堿CL1905年洛粉堿類似物1928年魯米諾1935年光澤精1960sPMT出現發(fā)現許多有機反應可產生CL生物體化學發(fā)光現象的研究起源于古代，但是，直到十44

所謂化學發(fā)光(CL),就是化學反應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)從而產生發(fā)光的現象。化學發(fā)光反應能級圖化學發(fā)光反應能級圖45直接化學發(fā)光A+BC*+DC*C+h例:NO+O3

NO2*+O2NO2*NO2+h二、化學發(fā)光反應的分類直接化學發(fā)光二、化學發(fā)光反應的分類46

間接化學反應發(fā)光A+B—>C*+DC*+E—>E*+CE*—>E+h例:間接化學反應發(fā)光例:47三、化學發(fā)光反應發(fā)生的條件化學反應是放熱反應。

化學反應的自由能的變化與發(fā)光波長的關系:

–G

hc/ex2.857×10–4千卡/ex摩爾

400~750nm的可見光發(fā)射時所需要的G的數值應在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),或將能量傳遞給熒光分子。三、化學發(fā)光反應發(fā)生的條件化學反應是放熱反應。48四、化學發(fā)光反應的機理激發(fā)態(tài)氧生成型H2O2+Cl22HCl+O2*O2*O2+h低濃度單分子發(fā)射1268nm高濃度雙分子發(fā)射

634nm分子對同時躍遷四、化學發(fā)光反應的機理激發(fā)態(tài)氧生成型49雙氧基化合物分解最有效的化學發(fā)光反應與雙氧基化合物的分解有關?；鶓B(tài)＋h雙氧基化合物分解基態(tài)＋h50電子轉移反應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移電子轉移反應e-中性分子自由基陰離子氧化劑++受激分子還原了51自由基陽離子與還原劑之間的電子轉移h自由基陽離子與還原劑之間的電子轉移h52五、化學發(fā)光反應無機物的化學發(fā)光一些無機物能夠產生很弱的化學發(fā)光，例如：硫酸氫鹽被鉻酸氧化水被K、Na、Mg汞齊分解Al被空氣中氧氧化強酸被強堿中和亞硫酸鈉被空氣氧化五、化學發(fā)光反應無機物的化學發(fā)光53有機物的化學發(fā)光烴醇、醛、酮、酸、酯多酚雜環(huán)化合物有機物的化學發(fā)光54典型的化學發(fā)光反應

魯米諾(luminol)3-APAmax=425nm氧化劑:H2O2O2KMnO4NaClOI2[Fe(CN)6]3-.催化劑:過氧化酶氧化血紅素過渡金屬離子(Co2+、Cu2+、Fe3+)抑制劑OXIDANTBASEluminol*3-Aminophthalate+h典型的化學發(fā)光反應魯米諾(luminol)3-APAm55

光澤精(lucigenin)max=440nm(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:酚類物質對此反應有抑制作用光澤精(lucigenin)max=440nm56

過氧化草酸酯(peroxyoxalates)氧化劑:H2O2此反應本身能產生弱的化學發(fā)光max=440nm,550nm.過氧化草酸酯(peroxyoxalates)氧化劑:H57

鄰菲羅林(1,10-phenanthroline)氧化劑:H2O2

催化劑:Cu2+Co2+Pb2+Fe3+Ni2+抑制劑:蛋白質與Cu2+形成絡合物鄰菲羅林(1,10-phenanthroline)氧化劑58ThemolecularstructureoftheusedacridiniumesterNHSMechanismofAcridiniumSaltChemiluminescencewithhydrogenperoxideOrg.Lett.(2003)21:3779–3782

吖啶酯Themolecularstructureofthe59Alkalinephosphatase(ALP)dephosphorylatesAMPPD(1,2-二氧雜環(huán)丁烷類）toformadioxetaneanion,whichfragmentsintoadamantanone（金剛烷酮）andtheexcitedstateofmethylmeta-oxybenzoateanion（間氧苯甲酸甲酯陰離子）,thelightemitter.ThedetectlimitofALPis10-21mol/L.ThederivativesofAMPPDaresuperiorthantheparentcompoundtothelightingratesandsignalintensities.

1,2-二氧雜環(huán)丁烷類Alkalinephosphatase(ALP)dep60

螢火蟲發(fā)光(fireflyBL)max=562nm此反應重要的分析對象是ATP10-11~10-14mol螢火蟲發(fā)光(fireflyBL)max=56261細菌發(fā)光(bacterialBL)還原型吡啶核苷酸黃素主要分析物FMN10-12mol此反應常用于NADH和NADPH試驗10-15molmax=490nm細菌發(fā)光(bacterialBL)還原型吡啶核苷酸黃素主62六、化學發(fā)光的表征動力學曲線（反應時間）光譜量子產率化學發(fā)光強度六、化學發(fā)光的表征動力學曲線（反應時間）63七、化學發(fā)光分析

h—dcAdtk[R][A]使[R]過量

kCA(t)CA(t)=CA0e-ktIcL(t)=cl=

clkCA(t)=

clk

CA0e-kt盡管A物質的CA0各不相同,但I達到Imax的時間相同.e-k’t為常數.Icl(t)CA0定量分析的依據七、化學發(fā)光分析h—dcAdtk[R][A]使[R64利用發(fā)光反應動力學曲線對催化物質的分析利用發(fā)光反應動力學曲線對催化物質的分析65八、化學發(fā)光的探測

分立式進樣化學發(fā)光儀PMTR1R2s這類儀器適合于選擇性好,量子效率高或發(fā)光體壽命長的化學發(fā)光反應的監(jiān)測。不適用于快速化學發(fā)光反應(<15S)的重現性監(jiān)測。八、化學發(fā)光的探測分立式進樣化學發(fā)光儀PMTR1R2s這類66

流動注射進樣化學發(fā)光儀樣品samplewastePMTrecorder蠕動泵流通池(flowcell)流動注射進樣化學發(fā)光儀樣品samplewastePMTre67九、化學發(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。九、化學發(fā)光分析的特點優(yōu)點:68電致化學發(fā)光一、電致化學發(fā)光現象

電致化學發(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行電解反應的產物之間或與體系中共存組分反應產生化學發(fā)光的現象。電致化學發(fā)光一、電致化學發(fā)光現象69二、典型的電致化學發(fā)光反應.

多環(huán)芳烴的ECL

按激發(fā)態(tài)分子或離子產生的歷程可分為兩類:通過單重激發(fā)態(tài)途徑的ECL(S-routeECL)R-e→R.+電極氧化R+e→R.

-電極還原R.

++R.

-→R+1R*自由基湮滅

1R*→R+hν發(fā)光過程9,10-二苯基蒽,將200Hz左右的方波電位(1.3-2.2Vvs.SCE)加到電極 DPA-e→DPA.

+1.3V DPA+e→DPA.

--2.2V

DPA.

++DPA.

-→1DPA*+DPA

1DPA*→DPA+hν(λ=512nm)二、典型的電致化學發(fā)光反應.70

通過三重態(tài)途徑的ECL(T-routeECL)

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*→1R*+R激發(fā)態(tài)轉化

1R*→R+hν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.

+0.16VDPA+e→DPA.

--2.1VDPA.

-+TMPD.

+→3DPA*+TMPD

3DPA*+3DPA*→1DPA*+DPA

1DPA*→DPA+hν通過三重態(tài)途徑的ECL(T-routeECL)71

魯米諾的ECLonarotatingring(Au)-discelectrode(Au)system

disc:OOHnegativepulsering:OOH

O2

positivepulseLH

L

魯米諾的ECLonarotatingring(A72

魯米諾的典型ECL反應機理魯米諾的典型ECL反應機理73

Ru(bpy)32+的ECL

Ru(bpy)32++e→Ru(bpy)3+

電極還原

Ru(bpy)3

2+

-e→Ru(bpy)33+