生物诱导发光

生物发光综述

摘要 本文主要对生物发光种类及其机理及其检测方法与应用进行综述，特别是对生物超微弱发光和诱导荧光进行了详细介绍。

关键字 生物发光；超微弱发光；诱导荧光；发光机理

正文

生物系统的发光原理主要分为三种情况：1.由生物体内特别体系发出的功能化学发光；2.与代谢或破坏过程相联系的超微弱发光；3.受辐射诱导的光诱导发光—诱导荧光。

1 由生物体内特别体系发出的功能化学发光

发生化学或生物反应后产生的光能信号，主要有含荧光素酶的细菌 真菌 昆虫等。产生机理：荧光素酶或荧光蛋白。

2 超微弱发光

概述

生物系统的超微弱发光（the ultra-weak photon emission from biological system,简称PE）是一种存在于所有生物体内的极其微弱的准连续光子辐射现象，一般指光谱范围为180到800nm，发光强度为：1~100个光子/s.厘米，量子效率为：10-14~10-9。其特点为：普遍性，光强弱；对内部和外界的响应敏感度高；其谱特征为：连续分布，无明显牲峰；来源于生物分子的能级跃迁，它反应的是自身或外界引起的分子内部结构的变化。

生物超弱发光与生物体的氧化代谢、信息传递、光合作用、细胞分裂、癌变、死亡及生长调控等基本生命过程存在着内在联系。 1 研究现状

生物超弱发光现象最早是由苏联科学家Gurwi tsch于l 923年在研究洋葱鳞茎根尖细胞分裂的机理时发现的。1955年意大利Colli等首次利用光电倍增管检测到小麦、菜豆、小扁豆和玉米的黄化幼苗有超弱发光现象。70年代以来，德国Popp为首的研究小组从实验和理论两方面对生物超弱发光现象进行了系统的研究，认为这是自然界普遍存在的生物体固有的一种功能。我国科研人员在生物超弱发光领域也进行了许多的研究并取得了一定的成果。近年来，顾樵曾报道利用生物光子鉴别癌症肿瘤和炎症，鉴别率达100％。

发光机理：关于生物超弱发光机制的理论研究很多，可初步分为物理和化学的两大类，化学方面主要有“代谢发光”机制，物理方面则以“相干辐射”机制为主。

（1）“代谢发光机制”：“代谢发光”机制以光生物化学为基础，把生物超微弱发光与

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有机体内的代谢过程联系起来，认为这种发光主要来源于氧化还原等代谢反应。

（2）“相干辐射”机制：以德国生物物理学家Popp为代表的小组从超弱发光的物理机制出发，研究了生物超弱发光的光谱、光相于性、光子计数统计和光照诱导延迟发光的衰减动力学以及生物超弱发光与生物体的生理和病理过程的相关性和对生物体温度的依赖关系，提出如下假说：一部分自发的和光诱导的生物超弱发光的光子(叫“生物光子”，简称PE)，起源于生物系统内一个高度相干的电磁场，这种相干电磁场很可能是活组织内通讯联络的基础。这就是生物光子的“相干辐射”机制”(又称“相干理论”)。

在把生物光子和激光的特性作了比较后，顾樵认为，生物系统和激光器都是非线性的非平衡的开放系统，都具有产生相干辐射的激活物质、泵浦源和谐振腔。由光或代谢过程激发的DNA分子的碱基所形成的激发体具有良好的激光物质特性，在生物系统中维持生物分子处于稳定非平衡态的能源是新陈代谢中的生化能；生物细胞相当于一个小小的球状谐振腔，球状腔内具有很高的光场，可以引发各种非线性效应，产生相干辐射。

相干理论提出的理由有：光子发射基本不依赖于波长(其相应激发态的布居几率不服从玻尔兹曼分布)；光子发射有非线性效应；延迟发光按双曲线规律衰减；光子计数统计接近于泊松分布。所以，生物系统的超弱发光具备相干场的充要条件。

综上所述，“代谢发光”机制和“相干辐射”机制都只能解释部分超弱发光现象，刘颂豪等研究者利用量子化学和辐射与物质相互作用的时间量子理论研究了生物光子的全同粒子模型，对“代谢发光”机制和“相干辐射”机制的统一性进行了有益的探讨。

PE的全同粒子模型认为PE的光子源是由波色子组成的，DNA和单线态氧都是波色子，自由基是费米子，单是自由基不能产生PE，当自由基复合时，由两个费米子变为一个波色子，从而成为PE的光子源。以上讨论说明，相干理论和自由基理论并没有根本的矛盾。恰恰相反，它们是相互补充的。

检测手段：生物超弱发光的强度极其微弱，发光微弱到10。6w以下口鄂，故必须使用背景噪声极低和探测灵敏度很高的光电探测仪器才能进行有效的探测。按照探测仪器的结构和性能可以分为两大类：一类是以光电倍增管(Photomultiplier Tube简称PMT)为主的单光子计数探测系统，可提供生物超弱发光总强度的时域信息；另一类是以微通道板像增强器(MCP)为主的超弱发光图像探测系统，具有二维光子计数成像功能，可同时获得有机体超弱发光强度的时间和空间信息。

（1）单光子计数探测系统(以光电倍增管为主)图1是同步单光子计数探测系统结构简图1。生物样品放在样品池中，小盒放在暗室里，彩色滤光片用来选择性地让生物发射的某

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些光通过，斩波器(遮光片)用来分隔由光电倍增管本底噪声引起的暗计数率和由信号引起的真实计数率，以便实现噪声自动扣除，这样可大大提高测量系统的信噪比和灵敏度。由光电倍增管输出的脉冲经三级快脉冲放大器放大，用恒比定时甄别器将小于单光子脉冲的噪声小脉冲过滤掉，再送入计算机进行数据分析和记录。用光电倍增管进行光电探测的方法主要有：1)测量输出光电流的Dc方法；2)测量输出光电流中交流成份的AC法；3)单光子计数(SPC)法；4)同步单光子计数(SSPO法。在弱光下，它们的信噪比性能排列为：DC

图1 同步单光子计数探测系统结构简图

图2是超弱发光图象探测系统结构简图。该系统由样品盒池、变焦物镜、微通道板像增强器、中继镜、背向照明致冷CCD探测系统、监控器、计算机及打印机等部分组成。光电探测系统是以微通道板像增强器为核心的超高灵敏度成像系统。生物样品经变焦物镜成象在微通道板像增强器的光阴极上，光阴极的光敏波长在350—850响范围内，透过输入窗口到光阴极上的光子由于光电效应转换成电子图象，电子透镜将电子图象耦合到微通道板上，在微通道板的各微通道内，电子经过加速并不断和通道壁撞击，每个入射电子便会产生102—106个次级电子，并保持图象的空间分布信息，从微通道板出射的电子撞击荧光屏，重新激发出光子图象，再经中继镜投射到致冷CCD的成像平面上，数据经控制器采集到计算机里，配合信号图象增益修正和背景噪声扣除等技术，由计算机对图象进行显示并结合图象处理技术提高测量系统的成象质量。

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