導言

對于單線態氧，可能很多人都感到很陌生。但是對于我們賴以生存的氧氣，卻再也熟悉不過。單線態氧是激發態的氧氣分子，參與生物體內很多重要的生物化學反應，它猶如一把雙*劍，既可以導致疾病的發生，又可以被人類應用在醫學治療、環境治理等領域?？茖W家們正在積極研究單線態氧在各種生物化學反應中的動力學過程及機理， 試圖發掘出更多單線態氧可用于造福人類的潛能。

單線態氧是什么？

通常我們呼吸的氧氣分子性質穩定，屬于三線態氧分子3O2，如果我們從微觀角度去看，氧氣分子中兩個自旋平行的電子分別占據兩個2pπ*軌道，自旋多重性為3，稱為三線態。當基態氧原子被激發后，原本兩個2pπ*軌道中兩個自旋平行的電子，既可以自旋相反地同時占據一個2pπ*軌道，也可以分別占據兩個2pπ*軌道。這兩種分子激發態下的自旋多重性均為1，也就是接下來要介紹的單線態氧分子1O2。

圖1. 不同氧氣分子的分子軌道能級圖

從分子軌道上的電子分布可以看到，單線態氧由于解除了自旋限制，化學性質更活潑。它是一種含氧的非自由基活性物種，具有強氧化性，可以高選擇性奪取電子。多年的研究表明，單線態氧在酶反應、細胞分裂、機體衰老、腫瘤等過程中都有參與作用。在一般情況下，細胞內單線態氧的濃度很低，而且單線態氧的產生和清除處于一個平衡的狀態，不會引起機體損傷。但是如果由于某種誘因，導致這種平衡被破壞，就可能引起膜脂過氧化，嚴重時導致細胞死亡。此外，高活性的單線態氧也是一些化學和生物反應過程中重要的中間體，如光氧化反應[1]，光敏細胞毒性[2]，光動力學治療[3,4]等。單線態氧產生機制對光動力療法、抗癌藥物和其他皮膚治療的研究也都很重要。

單線態氧的產生可借助于光敏劑實現。光敏劑分子在氧氣中被光輻照后，其激發三重態與基態氧發生反應，從而產生激發態的單線態氧。這些光敏劑包括玫瑰紅、過渡金屬絡合物、卟啉、熒光素等。

圖2. 光敏劑作用下單線態氧產生過程示意圖

單線態氧的測量

目前探測單線態氧的方法主要有順磁共振、熒光光譜法、化學捕獲吸光度法、化學發光法、熒光探針法等。其中熒光光譜法已經成為檢測單線態氧的常用手段。單線態氧的輻射復合發光位于1270nm，遠遠超出了人眼的可見波長范圍，且其發光較弱，需要使用靈敏度較高的近紅外探測器才可以檢測到。近年來隨著近紅外探測器性能逐漸提高，可選激發光源也越來越多，為單線態氧的檢測提供了很大的幫助。

本文采用卓立漢光公司的穩態瞬態熒光光譜儀OmniFluo990 對光敏劑孟加拉玫瑰紅在光照下與氧氣反應所產生的單線態氧進行測量，激發光源為532nm激光器，具有連續輸出和脈沖輸出兩種模式。單線態氧的發射光譜分別采用卓立漢光的近紅外InGAs探測器（型號：DInGaAs1700-03M）和濱松的近紅外PMT（型號：R5509-73）測試得到。

實驗樣品準備：把孟加拉玫瑰紅（Rose Bengal ，C20H2Cl4I4Na2O5）溶于分析純無水乙腈，測試之前，在溶液中通入氧氣飽和10分鐘。單線態氧

穩態發光測試

穩態光譜測試使用532nm激光器，能量為80mW。發射側光柵刻線密度為600g/mm，閃耀波長為750nm。掃描范圍設置為1220-1340nm，步長1nm，帶寬3nm，積分時間200ms，重復5次。發射側使用800nm高通濾光片消除倍頻峰信號干擾。近紅外R5509-73 PMT在1274 nm處測到單線態氧的發光峰，如圖3所示。

圖3. 單線態氧穩態光譜圖（采用R5509 PMT）

圖4為使用卓立漢光近紅外InGaAs檢測器測試得到的結果。InGaAs為模擬信號檢測器，靈敏度要比PMT低，圖中可見單線態氧的發光峰信號強度相比NIR PMT要弱，譜線噪聲也略大。盡管如此，我們依然可以看到很明顯的單線態氧發光信號，包括峰位也和近紅外PMT結果一致。

圖4單線態氧穩態光譜圖（采用InGaAs檢測器）

瞬態發光測試

發光壽命測試對從機理上研究單線態氧所參與的眾多光生物和光化學過程來說，具有重要的參考價值。單線態氧的壽命會受到光敏劑以及溶劑的影響，研究表明溶劑對其壽命的影響更大。單線態氧在溶液中很容易被多種溶劑淬滅，具有很強的溶劑依賴性。其中水就是一種*容易使單線態氧淬滅的溶劑，因為水中O-H鍵容易與單線態氧發生耦合反應。因此，本次實驗中所采用的乙腈為分析純的無水乙腈，避免單線態氧的信號被水淬滅。

本次實驗所采用的瞬態光譜激發光源為532nm激光器，經過調制得到脈沖激光，檢測器使用近紅外R5509-73 PMT。圖5數據經過擬合，得到單線態氧壽命為60.7μs。

圖5. 單線態氧發光壽命測試（采用R5509 PMT）

單線態氧測試推薦儀器：

OmniFluo900穩態瞬態熒光光譜儀

配置推薦：

激發光源：532nm激光器，連續輸出和脈沖輸出兩種模式可調
檢測器：近紅外檢測器，可選卓立漢光自制InGaAs（型號：DInGaAs1700-03M）或者濱松的近紅外PMT（型號：R5509-73）
發射單色器：標配三光柵塔輪，可安裝多至三塊光柵，其中近紅外光柵可用于單線態氧近紅外發光的分光。自動濾光片輪，用于安裝800nm高通濾光片，消除倍頻峰信號對單線態氧發光峰的干擾

參考文獻

(1) Braun, A. M.; Maurette, M. T.; Oliveros, E. Photochemical Technology; Wiley: Chichester, U.K. 1991; pp 445-499.

(2) Cadenas, E. Annu. ReV. Biochem. 1989, 58, 79-110.

(3) Dougherty, T. J.; Gomer, C. J.; Henderson, B. W.; Jori, G.; Kessel, D.; Korbelik, M.; Moan, J.; Peng, Q. J. Nat. Cancer Inst. 1998, 90, 889-905.

(4) Ali, H.; an Lier, J. E. Chem. ReV. 1999, 9, 2379-2450.