(整理)化学发光法及其应用.

化学发光法及其应用

摘要：对近年来化学发光分析法的研究应用最新进展作了评述,包括化学发光体系的类型,化学发光法的新方法，化学发光在无机、药物分析及食品中的应用。

关键字：化学发光法；化学发光体系；应用；

化学发光是在没有光、电、磁、声、热源激发的情况下，由化学反应或生物化学反应产生的一种光辐射。以此为基础的化学发光化学发光(Chemiluminescence ，简称CL)分析法是近30 年来发展起来的一种高灵敏的微量及痕量分析法，由于可以进行发射光子计量，又没有外来激发光源存在时散射光背景的干扰，因而具有很高的灵敏度(检出限可达

10-12-10-21mol)，很宽的线性范围(3-6个数量级)，同时仪器设备又很简单、廉价、易微型化，在二十世纪的最后十年发展非常迅速。

近来,在改进和完善原有发光试剂和体系的同时，新发光试剂的合成,新体系的开发，与其它技术的联用，尤其是流动注射技术，传感器技术，HPLC 技术及各种固定化试剂技术的联用，更显示出化学发光分析快速，灵敏，简便等优点，也进一步拓宽了化学发光的应用范围。并且，化学发光在多类复杂有机物质，如氨基酸、蛋白质、维生素、核酸、DNA、激素、生物碱及各类药物及毒物的检测，多种生物活性物质的分析，多种抗体和抗原的免疫分析，基因芯片、蛋白质芯片、受体芯片、酶芯片、微流控芯片研究中得到了广泛地应用，而且呈现出上升趋势。为生命科学、环境科学、材料科学的研究提供了许多新的、高灵敏度的、有效的分析手段，推动了这方面科学理论和高新技术的发展；同时，其他相关学科的研究成果也为化学发光和生物发光提供了许多新的技术和手段，出现了许多新的化学发光和生物发光法，如纳米发光、发光成像、发光活体分析，大大促进了化学发光的发展及应用。本文将从以下几个方面论述化学发光分析法。

1 化学发光分析法的原理

化学发光(Chemiluminescence，简称CL) 分析法是分子发光光谱分析法中的一类，是指物质在进行化学反应时，由于吸收了反应时产生的化学能，而使反应产物分子激发至激发态，受激分子由激发态回到基态时，便发出一定波长的光。根据化学发光反应在某一时刻的发光强度或发光总量来确定组分含量的分析方法叫化学发光分析法[1]。

换句话说，化学发光是指吸收了化学反应能的分子由激发态回到基态时所产生的光辐射现象, 广义的化学发光也包括电致化学发光。一个化学反应要产生化学发光现象, 必须满足

以下条件: 第一是该反应必须提供足够的激发能, 并由某一步骤单独提供, 因为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；第二是要有有利的反应过程, 使化学反应的能量至少能被一种物质所接受并生成激发态；第三是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进入激发态并释放出光子。化学发光反应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。

化学发光反应一般可表示为:

A +

B →C* (1)

C*→C+ hν (2)

化学发光强度( I CL ) 取决于反应的速度(dP/dt) 和化学发光量子效率(ΦCL)

ICL(t)= ΦCL dP/dt (3)

式中ΦCL可表示为: ΦCL=ΦrΦf, 其中Φr为生成激发态产物分子的量子效率,Φf为激发态产物分子的发光量子效率。

对于一定的化学发光反应, ΦCL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。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(1) 进行化学发光定量分析。例如, 在上述化学发光反应中, 如果物质B保持恒定, 而物质A的浓度变化并可视为一级或假一级反应, 则:

I CL=∫I CL(t)dt=∫ΦCL〔dA(t)/dt〕dt=ΦCL C A (4)

即化学发光强度与A 的浓度成正比。

化学发光分析测定的物质可以分为三类: 第一类物质是化学发光反应中的反应物; 第二类物质是化学发光反应中的催化剂、增敏剂或抑制剂; 第三类物质是偶合反应中的反应物、催化剂、增敏剂等。这三类物质还可以通过标记方式用来测定人们感兴趣的其他物质, 进一步扩大了化学发光分析的应用范围[2]。

2 化学发光体系

2.1 鲁米诺化学发光体系

鲁米诺及其衍生物是使用最广泛的化学发光试剂之一。通过对鲁米诺类衍生物的氨基进行烷基化,增强鲁米诺及其衍生物的发光效率,一些性能优异的鲁米诺类衍生物( 图1 ) 已被研究并在生物、医药分析中广泛应用。由于鲁米诺类试剂苯环上的取代基对鲁米诺类试剂的发光性能影响较大,改变苯环上的取代基,人们研制了多种新型鲁米诺衍生物。它们主要分为两类:鲁米诺类发光衍生化试剂和鲁米诺类发光标记试剂[3]。

图1 鲁米诺类衍生物

鲁米诺化学发光体系已被广泛地研究和应用，已成功地用于测定痕量过氧化氢、空气中的氧、DNA杂交分析、生化免疫分析、滴定分析终点指示以及多种金属离子的测定，如Cu(Ⅱ)、Co(Ⅱ)、Mn(Ⅱ)、Ag(I)、Cr(Ⅲ)、Cr(Ⅵ)、Fe(Ⅱ)、Fe(Ⅲ)、V(Ⅴ)、05(Ⅲ)、As(Ⅲ)等，也用于多种无机阴离子的测定，如CN-、SO32-、PO43-、NO2-、S2-、Cl-、Br-等。鲁米诺的衍生物ABEI，作为化学发光标记物己广泛地用于免疫分析。此外，鲁米诺及其衍生物化学发光体系也己广泛用于液相色谱和毛细管电泳的检测器。鲁米诺化学发光反应文献中已有很多报导，近年来，鲁米诺化学发光体系在多种金属离子测定、农药检测、人体血液、药物及保健品抗自由基能力的评价，用辣根过氧化物酶(HRP)标一记的酶联免疫分析中的应用以及药物分析等方面都发挥了重要作用；此外，人们也发现了一些新的鲁米诺发光反应的催化体系。

2.2 吖啶类化学发光体系

吖啶类衍生物,包括吖啶、吖啶酯及其衍生物,是一类优良的标记试剂和发光试剂。通过在吖啶环上9- 位的碳原子上链接具有特征结构的取代基,新的具有特殊性能的吖啶类化学发光标记试剂已广泛应用于生物和药物分析[4][5]。

尤其是吖啶酯化合物。这类化合物只要在过氧化氢和碱存在下就迅速产生化学发光，且有很高的发光效率，如吖啶芳香酯的量子产率可高达0.05。过氧化氢在C-9位发生亲电加成生成过氧化物，过氧化物经过过渡态二氧乙烷酮分解成激发态的N一甲基吖啶酮和CO2，前者返回到基态发出约430nm的光子。吖啶酯也能通过不发光的途径分解生成最终产物N-甲基吖啶酮。研究表明，分解历程受离去基团的性质、过氧化物的浓度、溶液pH值的影响。离去基团共扼酸的pKa小于H2O2(pKa=12)的pKa时有较高的发光效率。吖啶酯的化学发光量子产率比鲁米诺要高，是化学发光免疫分析和DNA发光探针中最重要的化学发光标记物，已广泛地用于多种传染疾病的灵敏检测和诊断。

2.3 1,2-二氧环乙烷类化学发光体系

自1969 年Kopecky 和Mumford 合成1,2- 环氧乙烷以来,1,2-二氧环乙烷及其衍生物是一

类重要的化学发光试剂。通过选择环烷烃、苯基、蒽基、烷氧基等不同取代基修饰1,2- 二氧