荧光棒及其发光原理

日常生活中最常见的发出荧光的东西莫过于荧光棒了。棒由装有不同液体的塑料管和玻璃管两个部分组成。将荧光棒轻轻弯曲,折断塑料管中的玻璃管,使两种液体混合,以达到发光的目的。

荧光棒采用可折的塑料管中套入玻璃细管。在折断过程中,玻璃细管中的液体A流出,迅速与塑料管中的液体B相混合,发生化学反应,在化学反应中放出的能量传递给荧光颜料分子,荧光颜料以可见光的形式释放能量(从高能态回到较稳定的低能态),从而把化学能转换为光能。

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水母荧光素

荧光水母体内含有一种生物发光蛋白质——aequorin,它本身发蓝光,其分子量为20kDa,aequorin称为水母荧光素,通过硫酸酯键或过氧化键紧紧地连到脱辅水母发光蛋白( apoaequorin)上形成的。

反应原理

它遇到钙离子发蓝光,因此可以作为钙离子的检测试剂,发光后的产物是脱辅水母发光蛋白,CO2和氧化荧光素(colenteramide),水母的发光蛋白质(aequorin)是通过Ca2+而发光的

荧光水母与GFP

1962 年,下村修等人在一种学名为Aequorea victoria的水母中发现绿色荧光蛋白(GFP)。GFP能把水母发出的蓝光转变成绿色,也就是当水母容光焕发的时候我们实际看到的颜色。GFP的纯溶液在典型的室光下呈黄色,但是当被拿到户外的阳光下时,它会发出鲜绿的颜色。这种蛋白质从阳光中吸收紫外光,然后以能量较低的绿光形式发射出来。

GFP结构图

GFP是一种天然的纳米粒子大约8~10nm,呈圆筒形折叠。圆筒外边11条链形成结构的外壁。圆筒直径3nm长4nm。

GFP折叠的布局

α-螺旋小的片段在圆筒的末端形成筒,一个不规测的α-螺旋片段作为一个支架可以提供给发色团,使其坐落在圆筒的中心。β-片层状的链彼此牢牢地固定,像支撑桶的棒。结构形成一个密集体,没有开口。

GFP发光团

GFP由238个氨基酸组成,分子量约28kDa,组成发色团蛋白的3个残基 Ser-dehydroTyr-Gly( 丝-脱氢酪-甘)位于65~67位,经共价键连接而成对羟苯甲基咪唑烷酮,它可以被光激发产生荧光。

其他关于荧光蛋白的二三事

在GFP中,发色团的形成经系列自催化过程,既无辅助因子也没有酶介入。首先是 Ser65 和 Gly67 快速环化形成咪唑啉-5-酮中间体,然后O2慢慢氧化Tyr66的侧链,这个过程要几个小时。形成发色团需要Gly67,没有任何一个氨基酸可以取代Gly。反应对热敏感,温度高于30℃时产率下降。一旦形成GFP,它就是热稳定的。GFP的发色团很稳定,用酸、碱、盐酸胍使蛋白变性,一旦恢复中性或除去变性剂,又可以恢复发光性能。

其他发光蛋白

海仙人掌类的Renilla也含有同样的发光蛋白质。这种物质包含在细胞内颗粒中,这种颗粒称发光小体(lumisome),发光蛋白质所包含的发光物体是与海荧虫荧光素极为相近的物质,因而推测,发光蛋白质的发光与虫荧光素、虫荧光素酶反应有着密切的关系。

荧光共振能量转移

在两个不同的荧光基团中,如果一个荧光基团(供体 Donor)的发射光谱与另一个基团(受体 Acceptor)的吸收光谱有一定的重叠,当这两个荧光基团间的距离合适时(一般小于100A0),就可观察到荧光能量由供体向受体转移的现象,即以前一种基团的激发波长激发时,可观察到后一个基团发射的荧光。这是其最为直接的原因。