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。 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：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。 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 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會氧化成LucO激發態，單純只與氧氣作用時，LucH2的氧化產物為LucHOH或Luc，二反應皆不放光。 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 + H2O或LucHOH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, LUMO）。LucO*的電子結構對應HOMO 和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。 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。 […]