化學教室活動:從馬祖藍眼淚學習螢光和磷光 / 胡潔曦、胡景瀚

星期一 , 14, 五月 2018 Leave a comment

化學教室活動:
從馬祖藍眼淚學習螢光和磷光

胡潔曦1、胡景瀚2,*

1國立東華大學自然資源與環境學系
2國立彰化師範大學化學系
*
chingkth@cc.ncue.edu.tw

n  馬祖藍眼淚

馬祖近年來因為藍眼淚(見圖一)吸引了不少慕名而來的遊客,究竟什麼是藍眼淚呢?近期爆發的藍眼淚是本來就該有的現象嗎?還是環境對人類發出的警訊呢?讓我們更深入地了解這個神祕的生物與它們所散發出來的美麗藍光。

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圖一:馬祖的藍眼淚

(圖片來源:馬祖國家風景區管理處提供

藍眼淚是一種名為夜光藻(Noctiluca scintillans,又稱夜光蟲,見圖二),長度約1 mm雙鞭毛蟲門單細胞生物,它們經常出現在馬祖當地的海岸,當它們受到海浪擾動時就會散發出點點微弱的藍光。近年來,藍眼淚迅速地成為馬祖當地重要的觀光資源,吸引許多充滿好奇心的遊客前往一窺這神秘的現象。

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圖二:夜光藻

(圖片來源:Noctiluca scintillans, https://en.wikipedia.org/wiki/Noctiluca_scintillans

藍眼淚和春夏之際所形成的紅潮息息相關,紅潮在海面上經常會形成一片片紅棕色的區塊,這些區塊中含有多種藻類,尤以渦鞭毛藻類(包含了夜光藻)為大宗,這些藻類的數量會受到海洋表層營養鹽分布所影響,但過量的藻類會帶給海洋諸多負面的影響。一個常見的例子是,當藻類密集聚集在表水層將水中養分耗盡時,整個藻類族群會因營養鹽不足而迅速的崩潰,事後細菌對藻類的分解作用將會迅速的消耗水中氧氣導致海洋生物大量窒息死亡。1

夜光藻主要靠食用海水表層的浮游生物為生,而海洋表層水中的浮游生物數量主要是受到營養鹽所影響,浮游生物能夠獲取營養鹽之天然途徑較少,這代表馬祖沿岸藍眼淚在這段時間所發生的大爆發,其原因極有可能是因為人類所使用的洗衣粉、沐浴乳、化肥之中所含的營養鹽造成岸邊浮游生物數量增加進而使藍眼淚數量暴增。1

n  螢光與磷光

當分子吸收光的能量而從分子基態轉至激發態時,激發態會以自發放光的方式釋放能量,激發態和基態的自旋多重度相同的放光稱為「螢光」(fluorescence),激發態和基態的自旋多重度不相同的放光則稱為「磷光」(phosphorescence)。

在日常生活中我們經常看到螢光和磷光,我們可以用簡單的方法區別這兩種光,如圖三所示。在黑暗的地方用紫外光(驗鈔用的手電筒即可)照射後我們會看到螢光和磷光物質都會放光,將光線移開後,螢光物質立刻停止放光,磷光物質則會持續放光。螢光棒的放光分子,是從相同自旋多重度的激發態釋放光回到基態,和前述的螢光釋放相同。不過螢光棒的放光分子是吸收化學反應的能量至激發態,這種機制稱為「化學放光」(chemiluminescence)。在教室裡,我們可以利用簡單的設計辨別磷光與螢光,製造化學放光,操作步驟詳述於本文的文末。

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圖三:以紫外光照射螢光和磷光物質

n  夜光藻放出螢光的機理

夜光藻的放光和前述的螢光相似,也是從自旋多重度相同的激發態放光,不過其放光分子(螢光素,luciferin)是由稱為螢光素酶(luciferase)的酵素催化氧化反應產生能量使螢光素至激發態,不是經由照光的方式,夜光藻的放光稱為「生物發光」(bioluminescence)。

夜光藻的螢光素分子結構如圖四所示,值得注意的是,這個分子和葉綠素的分子中心極為相似,不過其含氮的環是斷開,而夜光藻並不是行光合作用的生物,雖然與夜光藻同門的生物有許多會行光合作用。有趣的是,圖四中的兩處R取代基從氫原子改為氫氧基(OH 時,該分子是多種發光磷蝦的螢光素。夜光藻和磷蝦的外型在生物分類上差異極大的兩種生物,其螢光素分子卻是如此相似!2,3

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圖四:夜光藻(R = H)和磷蝦(R = OH)的螢光素

夜光藻的螢光素(LucH2)在放光的過程中需與氧氣作用,在夜光藻中的螢光素酶會催化(LucH2)成為氧化物LucO的激發態(LucO*),此單重態(singlet)激發態釋放出~475 nm 波長的藍色光回到單重態基態,夜光藻體內的還原酶會催化LucO還原成螢光素Hastings的研究指出放光的過程中可能有一個過氧化氫中間產物(LucHOOH)產生。LucH2的氧化反應如圖五所示,只有在螢光素的催化下LucH2氧化成LucO激發態,單純只與氧氣作用時,LucH2的氧化產物為LucHOHLuc,二反應皆不放光

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圖五:夜光藻的螢光素在螢光素酶(luciferase)催化及單純與氧氣反應之產物

螢光素酶在放光的過程中扮演的角色為何呢?圖六是LucH2在有螢光素酶或單獨與氧氣反應的各中間物能量相關圖。放光產物(LucO + H2O)比反應物能量低90.3 kcal/mol,而藍眼淚的放光(475 nm)為60.2 kcal/mol,螢光素酶的自然氧化產物Luc + H2OLucHOH能量都太低螢光素酶的功能在製造出能量高的氧化中間物LucHOOH,這個中間物再反應成為水和單重激發態的LucO*LucO*再放光並回到基態的LucO圖六並繪出LucO的最高佔有分子軌域(highest occupied molecular orbital, HOMO)和最低空軌域(lowest unoccupied molecular orbital, LUMOLucO*的電子結構對應HOMO LUMO各填一個電子的單重態,LucO的電子結構則對應HOMO填入成對電子的單重態

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圖六:夜光藻的螢光素與氧氣反應之產物相對能量,螢光素酶催化的反應以紅色表示

放光生物各有其特定的螢光素和螢光素酶,圖七是幾種螢光素的分子構造螢光素放光的機制因物種而有差異,不過所有反應都牽涉到和氧氣作用。有一種關於生物放光機制的假說,是早期厭氧生物在地表氧氣濃度上升時期所產生的,藉由放光去除氧氣的演化產物

生物放光的研究牽涉到化學、生物化學及生物學,相關實驗繁瑣費時,參與這些研究的科學們多對這個現象抱持著高度的好奇心,研究的時間非常漫長。知名的哈佛大學生物學家Hastings教授在他73歲時的一場演講中,將講題訂為”Fifty Years of Fun”他在生物放光、細胞生理時鐘、細胞溝通等領域中研究了超過半個世紀Hastings教授於2014年以87之齡過世,在2013年還出版了一本關於生物放光的書籍4

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圖七:幾種發光生物的螢光素:蝸牛(Latia neritoides1,真菌(Neonothopanus nambi2),螢火蟲(3)。

n  化學教室活動

在教室中,教師可以讓同學辨別磷光與螢光,操作方式說明於下。

一、辨別「磷光」與「螢光」

1.        放置通寧汽水、夜光貼紙、螢光便條貼紙、螢光棒、鬧鐘手錶及紙鈔等常見物品在桌面上,拉上窗簾並關掉燈光。

2.        用紫外燈(如驗鈔筆或紫外光手電筒)照射到這些物品,觀察何種物品會發光?當光源移開時,觀察何種物品會持續發光?放光的時間有沒有差別?

3.        取一支使用過的螢光棒和一支未使用過的螢光棒,用紫外光照射,觀察二者是否會放出螢光?

說明:當紫外光的光源移開後,若持續放光者,則為磷光的物質(如夜光貼紙、鬧鐘及手錶);若立即停止放光者(如通寧汽水、螢光便條貼紙、螢光棒及紙鈔),則為有螢光物質。通寧汽水含有「奎寧」,奎寧在紫外光照射下會釋放螢光。使用過的螢光棒在紫外光照射下提供能量激發螢光物質而釋放螢光,因為其中的螢光物質並沒有轉變成其他分子;而未使用過的螢光棒可以利用化學反應產生的能量激發螢光物質為激發態而釋放螢光,也可以在紫外光照射下提供能量激發螢光物質而釋放螢光。夜光貼紙鬧鐘和手錶的數字和指針在紫外光照射下,移開光源後在黑暗中會繼續放出磷光。

二、製造「螢光」

1.        在實驗室配製溶液A:在一個透明塑膠杯中,溶解於0.1 g 的魯米諾(luminol)和1 g 的氫氧化鈉(sodium hydroxide)在200 mL的蒸餾水中。

2.        在實驗室配製溶液B:在一個透明塑膠杯中,取1 mL的漂白水,溶於100 mL的蒸餾水中。

3.        在教室中,取100 mL溶液A,拉上窗簾並關掉燈光,緩緩地倒入溶液B中,觀察發光情形。注意,溶液A在紫外光照射下不會放出螢光。

4.        在這實驗中,未反應的配製溶液A和完全反應後的混合溶液,用紫外光照射魯米諾溶液,觀察兩者是否釋放出螢光。

說明:漂白水含次氯酸鈉,是強氧化劑,在氫氧化鈉的強鹼環境下,可與魯米諾分子發生反應,釋放出螢光。魯米諾分子必須先在鹼性溶液中才能氧化成不穩定分子的激發態,放光後的魯米諾分子隨即分解,因此不具螢光性。關於魯米諾的發出螢光的化學反應,請參閱:Luminol, https://en.wikipedia.org/wiki/Luminol

三、利用「螢光」偵測血液

1.        取上面100 mL的溶液A,與100 mL的消毒用雙氧水(3% H2O2)混合於一個小型的噴霧瓶中。

2.        拉上窗簾並關掉燈光,噴出此液體到含有血液的位置,觀察發光情形。

3.        在黑暗中,噴出此液體到在赤血鹽溶液上,觀察發光情形。

說明:利用這種放出螢光的方式,來偵測犯罪現場的殘留血液。血液中含有鐵離子會催化雙氧水產生氧氣和能量,使魯米諾發生反應並激發能階到激發態,進而放出螢光。赤血鹽(鐵氰化鉀,Potassium ferricyanide, K3[Fe(CN)6]含有鐵離子,也可以發生相同的反應。關於利用魯米諾偵測血液,請參閱:http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=14833

n  結語與建議

106年五月我們在馬祖的遠哲科學體驗營和小朋友們分享了上述實驗。因為實驗主題貼近馬祖的在地現象,活動引起一百餘位小朋友的熱烈迴響。實驗過程中應提醒小朋友氫氧化鈉是強鹼,操作時應注意安全。魯米諾放光很容易收到光線干擾,應留意在遮光良好的場地進行活動。我們很感謝馬祖國家風景區管理處提供藍眼淚的高解析度照片

n  參考文獻

1.        赤潮(紅潮)與藻毒,http://ind.ntou.edu.tw/~b0232/redtide.htm解開馬祖藍眼淚之謎──夜光蟲,https://www.natgeomedia.com/news/external/44980Noctiluca scintillans, https://botany.si.edu/references/dinoflag/Taxa/Nscintillans.htmRed tides of the dinoflagellate Noctiluca scintillans associated with eutrophication in the Sea of Marmara (the Dardanelles, Turkey), https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0078323413500364;自然危機水質優養化,http://biodiv.ntu.edu.tw/biodivctr/upload/article/004.htm五彩繽紛的藻類,https://scitechvista.nat.gov.tw/c/sgTv.htm

2.        Nalamura, H.; Kishi, Y.; Shimomura, O.; Morse, D.; Hastings, J. W. J. Am. Chem. Soc. 1989, 111, 7607.

3.        Valiadi, M.; Iglesias-Rodriguez, D. Microorganisms 2013, 1, 3.

4.        Wilson, T.; Hastings, J. W. Bioluminescence:Living Lights, Lights for Living; Harvard University Press:Cambridge, MA, USA 2013.

 

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