生物系统的发光原理及其应用

　　前言

　　生物发光(bioluminescence)是光生物物理学的主要问题之一，是广泛存在于自然界的一种自然现象。生物体不停地与外界进行物质、能量和信息的交换，其中光的吸收和发射是重要的交换方式。在提出“生物发光”概念后将近一百年的时间里，人们对它进行了深入细致的研究，取得了很大进展。现在，生物发光已经被应用于医学、药理学、农业、环境科学等领域，具有广阔的发展前景。

　　1 生物发光分类

　　尽管自然界中的生物体普遍存在发光现象，它们的发光机理、强度和光谱范围存在着很大差异。目前，国际上根据发光的机理不同将生物发光分为：受激荧光，发光生物发光，化学发光和生物的超微弱发光(如表1所示)。不同发光过程的发光强度对比情况如图1 所示。

　　2 不同生物发光的原理及其应用

　　2.1 受激荧光

　　受激荧光是指生物体在受到外界光辐射的作用时，体内固有的荧光物质或吸收的荧光标记物发光的现象。在生物医学领域中，由于分析物质荧光的方法敏感性极高，而且几乎所有的有机分子都能直接或经过适当的化学处理后发生荧光，故很早就受到重视，并逐渐发展成为生物学和医学中的荧光分析。

　　在受激荧光中固有荧光物质发光主要是由于生物体内部存在可以受激产生荧光的物质，用紫外光激发可产生自体荧光，对分析生物体的生理状态有重要作用。但是，在科学研究的实践中，荧光标记物产生的荧光因其灵敏性高，方法设计灵活而倍受青睐。随着近年来荧光标记物研究的深入，人工合成大量适用于不同研究对象的荧光染料，促进了荧光分析的发展。一种化合物是否发射荧光及荧光强弱，除主要决定于分子结构外，还与分子所处的环境及其状态密切相关，如pH值，温度，激发光能量等，利用这些特点可将荧光标记物作为周围环境的指示剂，分析各种环境因素的变化，这就是荧光分析的依据。

　　在生物医学领域应用荧光分析最多的是荧光显微技术，基本工具为荧光显微镜，观察到的荧光图像主要以两个指标判断结果：形态学特征和荧光的亮度。其基本特点首先是选用的荧光标记物与生物样品中某些结构或物质特异性结合，可观察到样本的彩色图像，发现目标快，鉴别比较容易，而且眼睛不易疲劳;其次在暗背景下观察彩色图像，具有良好的对比度，因而观察更为细微，敏感度高;再有，荧光标记物只需极低的浓度便能发出荧光，一般对机体是无毒的，可作活体观察，提供了广泛的适用性;最后，荧光标记物染色法非常简单，需时短，标本制作容易，特别适合快速工作。一般的荧光显微镜的主要缺点是某些情况下荧光的亮度不足，使观察困难;而且使用荧光显微镜的过程中，经验对实验结果的好坏会有影响。随着光电技术和计算机技术的进步，已经发展出各种不同型号，性能各异的新型荧光显微镜，操作更加方便，实验可重复性提高，使受激荧光的应用更加广泛。