化学发光 化学发光是一种特定类型的发光现象，其发光能量来源于化学反应本身，而非外部光源、热能或电场等。我们将从基础概念开始，逐步深入到其机理与应用。 核心定义与基本特征 定义 ：化学发光是指物质在进行化学反应的过程中，体系吸收反应释放的化学能，使反应中间体或产物分子激发至电子激发态，当这些激发态分子跃迁回基态时，以光辐射的形式释放能量的过程。 关键特征 ：与光致发光（如荧光、磷光）不同，化学发光的激发源是化学反应能，因此无需外部激发光源。这使其背景信号极低，在分析检测中具有高灵敏度。 能量来源与基本条件 能量来源 ：驱动化学发光的能量来自于反应物与产物之间的吉布斯自由能差（ΔG）。反应必须释放足够的能量（通常在170-300 kJ/mol范围内，对应可见光光子能量），并且该能量能够被高效地转移给产物分子，使其电子发生跃迁。 必要条件 ：一个能发生化学发光的反应体系通常需要具备三个基本要素： 一个能提供足够能量的化学反应。 反应途径中能生成处于电子激发态的中间体或产物。 该激发态以辐射跃迁（发光）的方式去活化，而不是全部通过非辐射途径（如振动弛豫、能量转移）耗散为热能。 典型机理：以鲁米诺为例 鲁米诺的化学发光是经典案例，其机理清晰地展示了能量传递路径： 步骤一：氧化反应 。在碱性水溶液中，鲁米诺（3-氨基邻苯二甲酰肼）被氧化剂（如过氧化氢H₂O₂）氧化。此过程通常需要催化剂（如金属离子Fe²⁺/Co²⁺，或酶如辣根过氧化物酶HRP）来加速。 步骤二：生成激发态 。氧化反应的中间体经过一系列步骤（如形成内过氧化物环），最终生成激发态的 3-氨基邻苯二甲酸根离子 。反应释放的化学能被“储存”在该分子的电子激发态中。 步骤三：光辐射 。激发态的3-氨基邻苯二甲酸根离子通过辐射跃迁返回基态，发射出波长约为425 nm的蓝光。 关键点 ：整个过程中，光是由反应产物本身发出的，且催化剂的种类和浓度直接影响发光强度，这构成了分析检测的基础。 量子产率与效率 化学发光量子产率（Φ_ CL） 是衡量过程效率的核心参数。其定义为发射的光子数与参加反应的分子数之比。它是一个复合效率： Φ_ CL = Φ_ R × Φ_ EX × Φ_ F 。 Φ_ R ：生成发光体的化学产率（有多少反应生成了发光体前驱物）。 Φ_ EX ：激发效率（生成的前驱物有多少被激发至激发态）。 Φ_ F ：发光体的荧光量子产率（激发态有多少通过发光衰减）。 高效的化学发光体系需要这三个因子的乘积尽可能高。鲁米诺体系的Φ_ CL约为0.01，而一些更高效的体系（如光泽精）可达0.05以上。 主要类型 直接化学发光 ：如上所述鲁米诺体系，激发态是反应的最终产物之一，由其直接发光。 间接化学发光/能量转移化学发光 ：反应生成的激发态产物（能量给体）并不直接发光，而是将其能量通过非辐射方式（如 Förster 共振能量转移）转移给另一个荧光受体分子，最后由受体分子发出特征波长的光。这种方法可以调控发射光的颜色和波长。 主要应用领域 分析化学 ：这是其最重要的应用领域。基于发光强度与反应物（特别是催化剂或反应物之一）浓度的相关性，发展出高灵敏度的检测方法。 金属离子检测 ：利用特定金属离子对鲁米诺-过氧化氢反应的催化作用。 免疫分析 ：将化学发光标记物（如鲁米诺、吖啶酯）连接到抗体或抗原上，用于检测微量蛋白质、激素等，即 化学发光免疫分析 。 核酸杂交分析 ：用于基因检测和测序。 生物发光 ：自然界中化学发光的特例，由生物体内的酶（如萤火虫的荧光素酶）催化产生。其机理与化学发光本质相同，但具有极高的量子产率（萤火虫体系可达0.9）。 气相化学发光 ：如一氧化氮与臭氧反应生成激发态的二氧化氮（NO₂* ），发出红光，用于环境监测中NO的检测。 警示与娱乐 ：化学发光棒（冷光灯），利用过氧化物与草酸酯反应生成激发态中间体，再将能量传递给荧光染料发光。 总结而言，化学发光是从化学反应中直接获取光能的过程，其核心机理涉及化学能到电子激发态的转换及随后的辐射衰减。对效率（量子产率）的理解和调控，使其成为痕量分析领域一种极其强大和灵敏的工具。