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
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
*[email protected]
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。
圖一：馬祖的藍眼淚
（圖片來源：）
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的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。
圖二：夜光藻
（圖片來源：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
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）。
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）。
不過其含氮的環是斷開的，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。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
圖四：夜光藻（R = H）和磷蝦（R = OH）的螢光素
。。
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
。放光產物（LucO + H2O）比反應物能量低90.3 kcal/mol60.2 kcal/mol。螢光素酶的功能在製造出能量高的氧化中間物。。。
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。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。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。4
Latia neritoides，，真菌（Neonothopanus nambi，2），螢火蟲（3）。
n 化學教室活動
磷光與螢光，操作方式說明於下。
一、辨別「磷光」與「螢光」
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。
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？
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」
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。
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。
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。
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
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。
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。
在黑暗中，噴出此液體到在赤血鹽溶液上，觀察發光情形。
（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
藍眼淚的高解析度照片。
n 參考文獻
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/44980；Noctiluca scintillans, https://botany.si.edu/references/dinoflag/Taxa/Nscintillans.htm；Red 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。