1、荧光分析技术荧光分析技术在生物领域中的应用在生物领域中的应用 卢建忠药学院药物分析教研室分子发光包括荧光、磷光、化学发光、分子发光包括荧光、磷光、化学发光、生物发光和散射光谱等。生物发光和散射光谱等。理论课部分 荧光分析导论）荧光与结构的关系 环境因素对荧光光谱和强度的影响 溶液荧光的淬灭 荧光仪器 荧光分析法 荧光在环境和生物中的应用 荧光在免疫和细胞分析中的应用 单细胞纳米荧光分析 基因芯片荧光分析实验部分 稀土离子铕的测定 荧光仿生膜技术研究中药活性成分跨膜 荧光共振能量转移 氨基酸HPLC荧光分析 荧光免疫分析或DNA分析 室温下，大多数分子处于基态的最低振动能级，处于基态的分子吸收能
2、量（光能、化学能、电能或热能）后，被激发至激发态。激发态不稳定，将很快衰变到基态。若返回到基态时伴随着光子的辐射，这种现象称为“发光发光”。概述概述 光的现象早已为人们所认识：某些化合物受到太阳光的照射，会发光；一些昆虫会发光。文献记载：1500-1000 B.C.,萤火虫发光。1605年，Francis Bacon，比较详细地：只有萤火虫活着时，才会发光 固体发光文献记载,意大利文艺复兴时期,大约1600年,Bolonian鞋匠炼金术士(Vincencio casciarolo),经炭火煅烧过的高粘度砖石（Monte Paterno）,若太阳照射,放置于暗处,会发红光。Called as“B
3、olonian stones”or“Moonstones”（月长石）-让人们着迷两个世纪，calledas“Phosphore”-第一块无机人工磷光石。月长石的发现首先吸引了Galileo（1564-1642年）和他的同事们的兴趣。因为磷光石在光照射之前不会发光，他们认为只有光进入石头之后才会发光，类似于海绵吸水，所以他们把这种现象称为“光海绵”，磷光石的行为就意味着时间光保存在某种物质中的时间。1652年，意大利数学家ucchi发现强光照射后的磷光石发强光，而且发射光的颜色不随照射光的颜色改变而改变。因此ucchi认为：物质吸收光并不象海绵吸水一样，仅仅将光储存在物质中，然后毫无改变的释放出
4、来。是砖石中的某些物质“灵魂”，在光照射的过程中发生了改变，当光照射停止后，这些物质产生的光逐渐衰减。这种延迟的发光现象，现在已被证实为磷光。发光本质：BaSO4-Bi-Mn 硫酸钡 铋 锰 煅烧石SO42-S 碱土金属的化合物中掺杂了重金属离子后，引起晶体结构的变化，致使发光加强。amburg的一位化学家ennigrand用“Phosphor”这个单词来描述化学元素“磷”。rand一直在寻找“点金石”，发现砂子与尿的蒸馏物中有一种物质能够在暗处发光，他将这种物质命名为“randsphosphor”，其实这就是单质“”，这并不同于以往的“Phosphor”，这是因为2化学发光 著名科学家tok
5、es提出“fluorescence”概念，描述荧光是一种光的发射过程，并发明一项技术，使用滤光片观察到了硫酸奎宁的荧光，而且阐述了“tokesaw”，也就是发射光的波长大于激发光的波长。他最先阐明荧光强度与浓度在一定范围之内成正比。浓度高时荧光会发生自淬灭；外来离子的存在也会引起荧光的淬灭。19世纪五十年代，由英国皇家学会的Stocks院士才真正阐述清楚荧光是怎样发生的。硫酸奎宁溶解在稀硫酸里，放到一个瓶子里，然后用太阳光来照这个溶液，但不是直接照射，而是在当中用一块教堂窗上蓝色的玻璃（能透过400纳米以下的短波长的光紫外光），也就是说，用太阳光中的紫外光或者近紫外光来照射奎宁硫酸溶液，中间还
6、放置一个黄色的葡萄酒，这杯酒起到的作用是能把400纳米以上的光都滤掉，只允许400纳米以下的光透过，他就在90度的角度上来观察，这样他就能很清楚地看到，奎宁在用400纳米以下的光照射时，或者讲在激发时，发出的是蓝色的光，蓝色光的波长要比紫外光的波长长。因此Stocks就第一个把荧光发生的过程的道理很清楚的讲出来了，而且发射波长要比激发波长长，我们把波长之间的差叫作Stocks位移(Stocks shift)，以次纪念他的贡献。实际上这个装置就是最原始的荧光仪器，这就是原始创新。硫酸奎宁-用于治疗耐氯喹和耐多种药物虫株所致的恶性疟。也可用于治疗间日疟。硫酸奎宁硫酸奎宁:本品为白色细微的针状结晶，
7、轻柔，易压缩；无臭，味极苦；遇光渐变色；水溶液显中性反应。本品在氯仿无水乙醇(2:1)的混合液中易溶，在水、乙醇、氯仿或乙醚中微溶。比旋度为-237至-244。金鸡纳霜（Quinine）：是防治热病，尤其是内疟疾的特效药，为热带地区的必需品。金鸡纳霜是用金鸡纳树的树皮研磨而成的。硫酸奎宁和硫酸依替米星区分 原理原理：硫酸奎宁加水溶解后，加稀硫酸使成酸性，即显蓝色荧光。而硫酸依替米星无此特性。现象现象：肉眼即可见硫酸奎宁溶液有较弱的蓝色荧光，而硫酸依替米星为无色透明液体。左瓶:硫酸依替米星右瓶:硫酸奎宁紫外灯下可看见硫酸奎宁溶液的强烈蓝色荧光。硫酸奎宁的鉴别实验绿奎宁反应NH3COHOHNHCH
8、HCH2Br2NHCHHNHOHOOCH2BrBrNHCHHNHOHHNHNCH2OHOHNH3H2O取本品约20mg，加水20ml溶解后，加溴试液3滴与氨试液1ml，即显翠绿色。Fluorescence 早在十六世纪就在一种萤石的石头上被人们发现了，萤石主要是氟化钙，Ca常被Y和Ce等元素替代，此外还含有少量的Fe2O3，SiO2等，当光照射到石头上时它会发出绿色的光，因为萤石的英语是fluorite，因此当时英文把它改为fluorescence，就是荧光。有人讲我国古代的夜明珠就是萤石?1864年，Stokes首先提出荧光作为一种分析手段 测荧光一定要有仪器，Stocks发明的是第一台最原
9、始的仪器。我们现在用氙灯代替太阳，氙灯会发出非常强大的宽光谱光源，然后通过一个单色仪，把氙灯发出的光分成一束一束的单色光。这里的氙灯就好比是太阳，而单色仪就好比是教堂的玻璃片。现在虽然仪器现代化了，但还是脱离不了Stock设计的模式，只不过装置复杂了一点。能用好的仪器出好文章和成果，当然是好事情。如果你能用一般的仪器做，而不是最先进仪器，研究出漂亮成果，那才是真正的成就。2002年诺贝尔化学奖得主Koichi Tanaka（田中耕一），在岛津公司中居然也只是一个排在晋升阶梯的倒数第二层的普通职员。2008年12月10日，日本理论物理学家益川敏英，：“I am sorry I cant spea
10、k English”，开始用日语讲述。几乎从来不说英语，与外国同行的交流需要翻译的帮助，而他和妻子来到斯德哥尔摩领奖竟然是他们有生之年的第一次出国旅行！绝大多数论文都发表在日本自办的英文专业期刊理论物理学进展（Progress of Theoretical Physics）荧光发展历程 第一次记录荧光现象：1575年，西班牙内科医生、植物学家，N.Monardes,一种称为“Lignum Nephriticum”的木头切片的水溶液，呈现“天蓝色”。荧光是光发射概念、引入荧光术语：1852年，Stokes，观察奎宁、叶绿素。提出用荧光作为分析手段：1864年，Stokes 第一个实际应用、铝一桑
11、色素荧光测定铝：1867年。荧光发展历程 1880年，Liebeman提出最早的关于荧光与化学结构关系的经验法则。19世纪末，已知包括荧光素、曙红、多环芳烃等600种以上的荧光化合物。20世纪以来，荧光现象被研究的更多了。如：1905年Wood发现了共振荧光；1914年Frank和Hertz利用电子冲击发光进行定量研究；1922年Frank和 Cario发现了增感荧光；1924年Wawillous进行了荧光产率的绝对测定；1926年Gaviola进行了荧光寿命的直接测定等。荧光发展历程 19世纪以前，肉眼观察。1928年，Jette和West提出了第一台光电荧光计，灵敏度很低。1939年Zwo
12、rykin和Rajchman发明光电倍增管。1943年Dutton和Bailey提出了一种荧光光谱的手工校正步骤。1948年Studer推出了第一台自动光谱校正装置。1952年：商品化的荧光校正光谱仪器。荧光发展历程 随着激光、微处理机和电子学等科学的发展，促进了荧光分析理论的发展，许多新技术如：同步荧光测定、导数荧光测定、时间分辨荧光测定、相分辨荧光测定、荧光偏振测定、荧光免疫测定、低温荧光测定、固体表面荧光测定、荧光反应速率法、三维荧光光谱技术、荧光传感器.荧光分析仪器 高效、痕量、微观和自动化发展。应用在工业、农业、医药卫生、环境保护、公安情报和科学研究等领域。中国荧光发展历程 50年代
13、初期仅有极少数的分析化学工作者从事荧光分析的研究。70年代后期，引起广泛重视，第一本荧光专著荧光分析法，陈国珍教授主编，1975年4月科学出版社出版。1990年第二版荧光分析法，陈国珍、黄贤智、许金钩等教授主编，科学出版社出版。2006 年7月，许金钩，王尊本，第三版荧光分析法，科学出版社出版。陈国珍教授(1916-2000)福建厦门人，1938年毕业于厦门大学化学系，1951年获英国伦敦大学哲学博士学位。历任厦门大学化学系主任、教授、校长助理，第二机械工业部生产局总工程师、副局长，国家海洋局副局长。提供质量符合要求的铀235材料，解决铀-235中含量低至百万分之一或亿分之一级的杂质的分析问题
14、。原子弹、钚弹、氢弹和核潜艇研究工作。氨基酸荧光 常见的蛋白质有20种氨基酸通过一定的方式组成，其中色氨酸，酪氨酸和苯丙氨酸，能产生荧光。这三种氨基酸都有苯环，它们各有各的特征。酪氨酸常常做无名英雄，它单独存在或者以氨基酸存在的时候，它的荧光发射能力要比色氨酸强的多，但在蛋白质里同时有色氨酸和酪氨酸时，酪氨酸荧光就不出来了，只有色氨酸能发荧光。人的血清白蛋白中只有1个色氨酸，有16个酪氨酸 只能测出色氨酸的荧光。蛋白质本身就能发出荧光的物质叫做内源荧光，色氨酸处于蛋白质的位置不同，产生的荧光光谱也是不同的。就此，色氨酸作为报告基团，你有什么样的光谱反过来我们就知道色氨酸处于什么位置。比如人体内
15、的钙调蛋白，它对运输钙离子起重要作用，这个蛋白质里一个色氨酸都没有，但它有四个钙离子结合的部位，我们在每一个结合部位把氨基酸换成色氨酸，每次换一个，其余三个保持原状，从而测出钙离子的四个结合部位蛋白中的特点-色氨酸研究蛋白的方法。人体本身具有血红蛋白，它可以把肺里的氧气传输到身体各个部位正常人的血红蛋白有两个亚基和两个亚基，但如果是血红蛋白分子病的人，那么，他的亚基里的氨基酸发生突变，由谷氨酸变成缬氨酸，非洲人得这种镰刀型血红蛋白症比较多，得了这种病以后，其红细胞形状改变成镰刀状，一般只能活到30岁左右。发生在上海的病，不是亚基出问题，而是其亚基出现问题，其中第87号氨基酸（我们称为组氨酸）变
16、成了酪氨酸，从而该病人的血红蛋白携氧能力就很弱，其病症是嘴唇发紫、指甲发青。把四个亚基分开，然后用生化的方法非常温和地把铁卟啉拿走，得到没有辅基的蛋白亚基，从而测出是否得病。正常人的荧光寿命为12.9 ns相当于在辛醇中的寿命，而得病的人为8.0 ns相当于在乙醇中的寿命，那么显然得病的人其疏水能力比正常人弱的多，所以携氧的能力就弱。外源的 1,8-ANS荧光探针，通常使用的樟脑丸柰的一种衍生物，这个探针专门结合到蛋白的“疏水部分”。1,8-ANS探针特性-与环境息息相关，比如荧光寿命，随着疏水性能的增强而增强。一、荧光与磷光的产生过程 由分子结构理论，讨论荧光及磷光的产生机理。1.1.分子能
17、级与跃迁分子能级与跃迁 分子能级比原子能级复杂；在每个电子能级上，都存在一系列的振动、转动能级；用S0表示基态；第一、第二、电子激发单重态 S1、S2 表示；第一、第二、电子激发三重态 T1、T2 表示；V=0,1,2,3表示振动能级。2.电子激发态的多重度 电子激发态的多重度：M=2S+1 S为电子自旋量子数的代数和(0或1)；平行自旋比成对自旋稳定(洪特规则)，三重态能级比相应单重态能级低；大多数有机分子的基态处于单重态；S0T1 禁阻跃迁；通过其他途径进入(见能级图)；荧光荧光 涉及吸收和发射两个过程涉及吸收和发射两个过程 1、激发态激发态 基态基态 激发态激发态 分立轨道上分立轨道上
18、非成对电子非成对电子 平行自旋更平行自旋更 n n 稳定稳定 n n 净电子自旋净电子自旋 S=0 S=0 S=1 分子重态分子重态 M=2S+1=1 （跃迁几率很小）（跃迁几率很小）M=2S+1=3 单重基态单重基态 S S0 0 激发单重态激发单重态 S S 激发三重态激发三重态 T T 电子从电子从 S S0 0 到到 S S 分子能量相应增加改变了分子对称性、分子能量相应增加改变了分子对称性、分子净的电子自旋（多重性）可能改变分子净的电子自旋（多重性）可能改变2.激发态基态的能量传递途径 电子处于激发态是不稳定状态，返回基态时，通过辐射跃迁(发光)和非辐射跃迁等方式失去能量；传递途径传
19、递途径辐射跃迁荧光磷光内转移外转移系间窜越振动弛豫非辐射跃迁 激发态基态：多种途径和方式；速度最快、激发态寿命最短的途径占优势；S2S1S0T1吸吸收收发发射射荧荧光光发发射射磷磷光光系间窜越内转换振动弛豫能量l l 2l l 1l l 3 外转换l l 2T2内转换振动弛豫非辐射能量传递过程 振动弛豫振动弛豫：同一电子能级内以热能量交换形式由高振动能级至低相邻振动能级间的跃迁。发生振动弛豫的时间10-12 s。系间窜越系间窜越：不同多重态,有重叠的转动能级间的非辐射跃迁。改变电子的自旋状态。如S1T1S2S1S0T1吸吸收收发发射射荧荧光光发发射射磷磷光光系间窜越内转换振动弛豫能量l l 2
20、l l 1l l 3 外转换l l 2T2 内转换振动弛豫非辐射能量传递过程内转换内转换：相同多重度电子能级间的无辐射跃迁过程。如S2S1，T2T1。在10-1310-11s内完成。外转换外转换：激发分子与溶剂或其他分子之间产生相互作用而转移能量的非辐射跃迁；外转换使荧光或磷光减弱或“猝灭”。S2S1S0T1吸吸收收发发射射荧荧光光发发射射磷磷光光系间窜越内转换振动弛豫能量l l 2l l 1l l 3 外转换l l 2T2 内转换振动弛豫辐射能量传递过程 荧光发射荧光发射：电子由第一激发单重态的最低振动能级基态（多为 S1 S0跃迁），发射波长为 l 2的荧光；10-710-9 s。由图可见
21、，发射荧光的能量比分子吸收的能量小，荧光的发射波长比吸收波长要长；l 2 l 2 l 1；S2S1S0T1吸吸收收发发射射荧荧光光发发射射磷磷光光系间窜越内转换振动弛豫能量l l 2l l 1l l 3 外转换l l 2T2 内转换振动弛豫辐射能量传递过程磷光发射磷光发射：电子由第一激发三重态的最低振动能级基态（T1 S0跃迁）；电子由S0进入T1的可能过程：（S0 T1禁阻跃迁）S0 激发振动弛豫内转移系间跨越振动弛豫 T1发光速度很慢：10-410 s。光照停止后，可持续一段时间S2S1S0T1吸吸收收发发射射荧荧光光磷磷光光系间窜越内转换振动弛豫能量l l 2l l 1l l 3 外转换
22、l l 2T2 内转换振动弛豫去活化过程去活化过程溶液中：溶液中：10-14-10-12 s 10-13-10-11 s 10-2-10-6 s 振动弛豫振动弛豫 内部转换内部转换 体系间的跨越体系间的跨越 （发生在相同多重度间）（发生在相同多重度间）（发生在不同多重度间）（发生在不同多重度间）S2 S1 T1(S1)T2 10-15 s A1 A2 F P 磷光发射磷光发射 10-2-10 s 基态基态 S0 荧光发射荧光发射 外部转换外部转换 10-7-10-9 s 发生在不同电子能态间发生在不同电子能态间 （淬灭）（淬灭）荧光与磷光的根本荧光与磷光的根本区别区别 荧光是由激发单重态最低振
23、动能层至基态各振动能层间跃迁产生的；而磷光是由激发三重态的最低振动能层至基态各振动能层间跃迁产生的。二、激发光谱与发射光谱 荧光(磷光)：激发波长如何选择？1.1.荧光荧光(磷光磷光)的激发光谱曲线的激发光谱曲线 固定荧光波长(选最大发射波长),化合物发射的荧光(磷光)强度与激发波长的关系曲线（图中曲线I）。激发光谱曲线的最高处，处于激发态的分子最多，荧光强度最大；2.荧光发射光谱(或磷光发射光谱)固定激发波长(选最大激发波长),化合物发射的荧光(或磷光强度)与发射波长关系曲线(图中曲线II或III)。3.激发光谱与发射光谱的关系a.Stokesa.Stokes位移位移 激发光谱与发射光谱之间
24、的波长差值。发射光谱的波长比激发光谱的长，振动弛豫消耗了能量。200260320380440500560620荧荧 光光激激发发光光谱谱荧荧 光光发发射射 光光谱谱磷磷 光光光光谱谱室室 温温 下下 菲菲 的的 乙乙 醇醇 溶溶 液液 荧荧（磷磷）光光光光谱谱 在荧光和磷光的产生过程中，由于存在各种形式的无辐射跃迁，损失能量，所以它们的最大发射波长都向长波方向移动，以磷光波长的移动最多，而且它的强度也相对较弱。b.b.发射光谱的形状与激发波长无关发射光谱的形状与激发波长无关 电子跃迁到不同激发态能级，吸收不同波长的能量(如能级图l l 2 2,l l 1 1)，产生不同吸收带，但均回到第一激发
25、单重态的最低振动能级再跃迁回到基态，产生波长一定的荧光(如l l 2 2)。S2S1S0T1吸吸收收发发射射荧荧光光发发射射磷磷光光系间窜越内转换振动弛豫能量l l 2l l 1l l 3 外转换l l 2T2 内转换振动弛豫 由于较高激发态通过内转换及转动弛豫回到第一电子激发态的几率较高，远大于由高能激发态直接发射光子的速度，故在荧光发射时，不论用哪一个波长的光辐射激发，电子都从第一电子激发态的最低振动能层返回到基态的各个振动能层，所以荧光发射光谱与激发波长无关。c.镜像规则镜像规则 通常荧光发射光谱与激发光谱成镜像对称关系。200250300350400450500荧光激发光谱荧光激发光谱
26、荧光发射光谱荧光发射光谱nm蒽的激发光谱和荧光光谱蒽的激发光谱和荧光光谱 荧光光谱是激发分子从第一电子激发态的最低振动能层回到基态中各不同能层形成的。所以荧光光谱的形状决定于基态中各振动能层的分布情况。基态中振动能层的分布和第一电子激发态中振动能层的分布情况是类似的。因此荧光光谱的形状和吸收光谱的形状极为相似。由基态最低振动能层跃迁到 第一电子激发态各个振动能层的吸收过程中，振动能层越高，两个能层之间的能量差越大，即激发所需的能量越高，所以吸收峰的波长越短。反之，由 第一电子激发态的最低振动能层降落到基态各个振动能层的荧光发射过程中，基态振动能层越高，两个能层之间的能量差越小，荧光峰的波长越长。另外，也可以从位能曲线解释镜像规则。由于光吸收在大约10-15的短时间内发生，原子核没有发生明显的位移，即电子与核之间的位移没有发生变化。假如在吸收过程中，基态的零振动能层与激发态的第二振动能层之间的跃迁几率最大，那么，在荧光发射过程中，其相反跃迁的几率也应该最大。也就是说，吸收和发射的能量都最大。
