實驗七 化學發光

一、目的

觀察發光胺氧化反應之化學發光。

二、原理

若化學反應能以光的形式釋放所產生的能量，我們稱之為「化學發光」 (chemiluminescence)。深海生物、螢火蟲的生物發光、戶外活動使用的照明螢光棒等都屬化學發光。

發光胺（luminol，俗名魯米諾）難溶於中性和酸性水溶液，但可溶於鹼性水溶液。發光胺可和過氧化氫發生氧化還原反應，其產物 3-胺基鄰苯二甲酸根離子在由激發態釋放能量落至基礎態時，會放出明亮的藍白色光。此化學發光反應在鹼性且有銅、鐵等過渡金屬離子存在的環境下進行：

由於發光反應在偵測上通常較吸收光譜法靈敏許多，發光胺已被應用於生化分析和犯罪偵查等領域。除過氧化氫外，發光胺也能和其他多種氧化劑發生發光反應。

至於市面上常見的螢光棒產品則多屬於草酸酯類化合物的氧化反應：在密封的塑膠容器中裝有含草酸酯的有機溶液以及裝有過氧化氫的密封玻璃管，使用時擊破玻璃管，過氧化氫即可和草酸酯混合發生發光反應。

激發態的分子也可能藉分子間的偶極–偶極交互作用，將能量轉移給鄰近的其他螢光性分子，使其躍遷至激發態後發射出不同的螢光，這種現象被稱為福斯特能量共振轉移（Förster resonance energy transfer, FRET）。^[1] 在本實驗中我們將觀察發光胺氧化反應產物和螢光黃鈉鹽（sodium fluorescein）間的能量轉移現象。

三、器材及藥品

器材：

試管、塑膠滴管
不同溶液需使用個別專用滴管，以免汙染藥品影響結果

藥品：

A液：0.25% 發光胺 – 0.5% 氫氧化鈉溶液
B液：0.5% 過氧化氫溶液
1% 鐵氰化鉀（K₃[Fe(CN)₆]）溶液、0.5% 硫酸銅（CuSO₄·5H₂O）溶液、0.5% 硫酸銅-氨水溶液（水/氨水 = 9/1）、1 M鹽酸、0.2%螢光黃鈉鹽水溶液、次氯酸鈉溶液（市售漂白水稀釋50倍）

四、實驗步驟

關閉實驗室與抽氣櫃燈光，以免影響觀察。

所有實驗溶液皆以滴管量取，不需使用量筒。

發光胺、過氧化氫、鐵或銅離子反應

1. 取A液和B液各1 mL加入乾淨試管，搖晃使溶液混合均勻。若溶液有發光現象，表示試管未洗乾淨。

2. 使用滴管快速加入0.5 mL鐵氰化鉀溶液，觀察反應與發光現象，如發光顏色、亮度、維持時間、溶液顏色改變、氣泡產生等。

3. 重複步驟 1-2，但鐵氰化鉀溶液改以緩慢逐滴方式加入，並搖晃試管幫助溶液混合。

4. 使用硫酸銅溶液取代鐵氰化鉀溶液，重複步驟 1-3

5. 使用硫酸銅-氨水溶液取代鐵氰化鉀溶液，重複步驟 1-3

能量轉移及其他反應

6. 重複步驟 1-2，但在加入鐵氰化鉀水溶液（可改用硫酸銅溶液或硫酸銅-氨水溶液）前先滴入 3 滴螢光黃鈉鹽溶液，並混合均勻。

7. 重複步驟 1-2（可改用硫酸銅溶液或硫酸銅-氨水溶液），開始發光後逐滴加入 1 M 鹽酸，觀察反應與發光現象。

8. 於試管中混合 1 mL A 液和 0.5 mL 稀釋漂白水（可直接混合或逐滴加入），觀察反應與發光現象。

9. 廢棄物分類回收：反應溶液 →無機–鹼性水溶液

五、實驗結果

發光胺、過氧化氫、鐵或銅離子反應

能量轉移及其他反應觀察現象

•  A、B液混合後加入螢光黃鈉鹽，加入金屬離子____________：

•  A、B液混合後加入金屬離子____________，再加入 1 M 鹽酸：

•  A液與稀釋漂白水混合：

六、問題與討論

1. 你的實驗觀察中，哪一組的化學發光 (a) 最明亮、(b) 持續時間最長？

2. 使用硫酸銅溶液、硫酸銅-氨水溶液的實驗結果是否相同，請嘗試討論原因。

3. 加入金屬離子溶液的方式是否會造成不同的實驗結果，請嘗試討論原因。

4. (a) 發光胺氧化反應、螢光黃鈉鹽的螢光何者能量較高？ (b) 一般情況下是否可能發生一個黃色螢光物分子將能量轉移至另一螢光分子，使其產生藍色螢光？

5. 請查閱資料，簡單說明發光胺如何用於血跡檢測？