Хемилюминесценция

Излучение света в результате химической реакции

Хемолюминесцентная реакция в колбе Эрленмейера.

Хемилюминесценция (также хемолюминесценция ) — излучение света ( люминесценция ) в результате химической реакции . Также может быть ограничено выделение тепла. Учитывая реагенты A и B с возбужденным промежуточным продуктом ◊ ,

${\displaystyle {\ce {[A]{}+[B]->{}[\lozenge ]{}->{}[products]{}+light}}}$

Например, если [A] представляет собой люминол , а [B] представляет собой перекись водорода , в присутствии подходящего катализатора мы имеем:

${\displaystyle {\ce {{\underset {luminol}{C8H7N3O2}}+{\underset {hydrogen\ peroxide}{H2O2}}->3-APA[\lozenge ]->{3-APA}+light}}}$

где:

• 3-АПА представляет собой 3-аминофталат.
• 3-APA[ ◊ ] представляет собой вибронное возбужденное состояние, флуоресцирующее при распаде на более низкий энергетический уровень.

Общее описание

Распад этого возбужденного состояния [ ◊ ] на более низкий энергетический уровень вызывает излучение света. ^[1] Теоретически на каждую молекулу реагента должен испускаться один фотон света . Это эквивалентно числу фотонов Авогадро на моль реагента. На практике неферментативные реакции редко превышают 1% QC _, квантовую эффективность .

В химической реакции реагенты сталкиваются, образуя переходное состояние — энтальпийный максимум на диаграмме координат реакции, который переходит к продукту. Обычно реагенты образуют продукты с меньшей химической энергией. Разница в энергии между реагентами и продуктами, представленная как , превращается в тепло, физически реализуемое как возбуждения в колебательном состоянии нормальных мод продукта. Поскольку энергия колебаний обычно намного превышает энергию термического перемешивания, она быстро рассеивается в растворителе за счет вращения молекул. Вот как экзотермические реакции делают растворы более горячими. В хемилюминесцентной реакции прямым продуктом реакции является возбужденное электронное состояние . Затем это состояние распадается на основное электронное состояние и излучает свет либо через разрешенный переход (аналог флуоресценции ), либо через запрещенный переход (аналог фосфоресценции ), частично в зависимости от спинового состояния образованного электронного возбужденного состояния. ${\displaystyle \Delta H_{rxn}}$

Хемилюминесценция отличается от флуоресценции или фосфоресценции тем, что электронное возбужденное состояние является продуктом химической реакции, а не поглощения фотона . Это полная противоположность фотохимической реакции , в которой свет используется для запуска эндотермической химической реакции. Здесь свет генерируется в результате химически экзотермической реакции. Хемилюминесценция также может быть вызвана электрохимическим стимулом, в этом случае ее называют электрохемилюминесценцией .

Биолюминесценция в природе: спаривание самца светлячка с самкой вида Lampyris noctiluca .

Первым открытым хемилюминесцентным соединением был 2,4,5-трифенилимидазол (лофин), о котором в 1877 году сообщалось, что он излучает свет при смешивании с гидроксидом калия в водном этаноле в присутствии воздуха. ^[2] Стандартным примером хемилюминесценции в лабораторных условиях является люминоловый тест. Здесь кровь обозначается свечением при контакте с железом в гемоглобине . Когда хемилюминесценция происходит в живых организмах, это явление называется биолюминесценцией . Световая палочка излучает свет за счет хемилюминесценции.

Жидкофазные реакции

Хемилюминесценция в водной системе обусловлена ​​главным образом окислительно-восстановительными реакциями. ^[3]

Хемилюминесценция после реакции перекиси водорода и люминола

• Люминол в щелочном растворе с перекисью водорода в присутствии железа или меди ^[4] или вспомогательного окислителя ^[5] дает хемилюминесценцию. Люминольная реакция – это

${\displaystyle {\ce {{\underset {luminol}{C8H7N3O2}}+{\underset {hydrogen\ peroxide}{H2O2}}->3-APA[\lozenge ]->{3-APA}+light}}}$

Газофазные реакции

Зеленые и синие светящиеся палочки

• Одной из старейших известных хемилюминесцентных реакций является реакция окисления элементарного белого фосфора во влажном воздухе, вызывающего зеленое свечение. Это газофазная реакция паров фосфора над твердым телом с кислородом, образующая возбужденные состояния (PO) ₂ и HPO. ^[6]
• Другая газофазная реакция лежит в основе обнаружения оксида азота в коммерческих аналитических приборах, применяемых для тестирования качества воздуха в окружающей среде. Озон ( O ₃ ) соединяется с оксидом азота (NO) с образованием диоксида азота ( NO ₂ ) в активированном состоянии [ ◊ ]:

${\displaystyle {\ce {NO{}+O3->NO2[\lozenge ]{}+O2}}}$

Активированный NO ₂ [ ◊ ] люминесцирует в широкополосном диапазоне, видимом в инфракрасном свете, когда он возвращается в более низкоэнергетическое состояние. Фотоумножитель и связанная с ним электроника подсчитывают фотоны, пропорциональные количеству присутствующего NO. Чтобы определить количество диоксида азота NO ₂ в образце (не содержащем NO) , его необходимо сначала преобразовать в оксид азота NO, пропуская образец через преобразователь, прежде чем применять описанную выше реакцию активации озона. Реакция озона производит количество фотонов, пропорциональное NO, которое пропорционально NO ₂ до того, как он был преобразован в NO. В случае смешанной пробы, которая содержит как NO, так и NO ₂ , указанная выше реакция дает количество NO и NO ₂ , объединенных в пробе воздуха, при условии, что проба проходит через преобразователь. Если смешанный образец не пропускают через конвертер, в результате озоновой реакции образуется активированный NO ₂ [ ◊ ] только пропорционально количеству NO в образце. NO 2 в образце не активируется реакцией с озоном _. Хотя неактивированный NO ₂ присутствует вместе с активированным NO ₂ [ ◊ ] , фотоны испускаются только активированными частицами, которые пропорциональны исходному NO. Последний шаг: вычтите NO из ( NO + NO ₂ ), чтобы получить NO ₂ ^[7]

Инфракрасная хемилюминесценция

В химической кинетике инфракрасная хемилюминесценция (IRCL) относится к излучению инфракрасных фотонов из колебательно-возбужденных молекул продуктов сразу после их образования. Интенсивности инфракрасных линий излучения колебательно-возбужденных молекул используются для измерения населенностей колебательных состояний молекул-продуктов. ^{[8] [9]}

Наблюдение IRCL было разработано как кинетический метод Джоном Поланьи , который использовал его для изучения притягивающей или отталкивающей природы поверхности потенциальной энергии для газофазных реакций. В целом IRCL гораздо более интенсивен для реакций с притягивающей поверхностью, что указывает на то, что этот тип поверхности приводит к выделению энергии при колебательном возбуждении. Напротив, реакции с отталкивающей поверхностью потенциальной энергии приводят к небольшому IRCL, что указывает на то, что энергия в основном выделяется в виде поступательной энергии. ^[10]

Улучшенная хемилюминесценция

Усиленная хемилюминесценция (ECL) является распространенным методом для различных анализов обнаружения в биологии. Фермент пероксидаза хрена (HRP) связан с антителом, которое специфически распознает интересующую молекулу. Затем этот ферментный комплекс катализирует превращение усиленного хемилюминесцентного субстрата в сенсибилизированный реагент вблизи интересующей молекулы, который при дальнейшем окислении перекисью водорода образует триплетный (возбужденный) карбонил , который излучает свет при распаде на синглет. карбонил. Повышенная хемилюминесценция позволяет обнаруживать мельчайшие количества биомолекул. Белки могут быть обнаружены вплоть до фемтомольных количеств, ^{[11] [12]} значительно ниже предела обнаружения для большинства систем анализа.

Приложения

• Газовый анализ: для определения небольших количеств примесей или ядов в воздухе. Этим методом можно определить и другие соединения ( озон , N -оксиды, S -соединения). Типичным примером является определение NO с пределами обнаружения до 1 ppb. В последнее время для определения концентраций и потоков NO x используются узкоспециализированные хемилюминесцентные детекторы с пределами обнаружения всего 5 ppt. ^{[13] [14] [15]}
• Анализ неорганических частиц в жидкой фазе
• Анализ органических веществ: полезен для ферментов , где субстрат не участвует непосредственно в реакции хемилюминесценции, но продукт
• Обнаружение и анализ биомолекул в таких системах, как ELISA и вестерн-блоттинг.
• Секвенирование ДНК с использованием пиросеквенирования
• Освещение объектов. Хемилюминесцентные воздушные змеи , ^[16] аварийное освещение, светящиеся палочки ^[17] (декорации для вечеринок).
• Анализ горения: некоторые виды радикалов (такие как CH* и OH*) испускают излучение определенных длин волн. Скорость выделения тепла рассчитывается путем измерения количества света, излучаемого пламенем на этих длинах волн. ^[18]
• Детские игрушки.
• Светящиеся палочки .

Биологические применения

Хемилюминесценция применялась судмедэкспертами для раскрытия преступлений. В этом случае используют люминол и перекись водорода. Железо из крови действует как катализатор и реагирует с люминолом и перекисью водорода, образуя синий свет в течение примерно 30 секунд. Поскольку для хемилюминесценции требуется лишь небольшое количество железа, достаточно следовых количеств крови.

В биомедицинских исследованиях белок, который придает светлячкам свечение, и его кофактор люциферин используются для производства красного света за счет потребления АТФ. Эта реакция используется во многих приложениях, включая эффективность лекарств от рака, которые ^{перекрывают кровоснабжение опухоли} . Эта форма биолюминесцентной визуализации позволяет ученым дешево тестировать лекарства на доклинических стадиях. Другой белок, экворин , обнаруженный в некоторых медузах, излучает синий свет в присутствии кальция. Его можно использовать в молекулярной биологии для оценки уровня кальция в клетках. Общим для этих биологических реакций является использование аденозинтрифосфата (АТФ) в качестве источника энергии. Хотя структура молекул, вызывающих люминесценцию, у каждого вида различна, им дано общее название люциферин. Люциферин светлячка может окисляться с образованием возбужденного комплекса. Как только он возвращается в основное состояние, высвобождается фотон. Она очень похожа на реакцию с люминолом.

${\displaystyle {\ce {Luciferin{}+O2{}+ATP->[{\text{Luciferase}}]Oxyluciferin{}+CO2{}+AMP{}+PPi{}+light}}}$

Многие организмы эволюционировали, чтобы производить свет различных цветов. На молекулярном уровне разница в цвете возникает из-за степени сопряжения молекулы, когда электрон переходит из возбужденного состояния в основное состояние. Глубоководные организмы эволюционировали, чтобы производить свет, чтобы заманивать и ловить добычу, в качестве маскировки или для привлечения других. Некоторые бактерии даже используют биолюминесценцию для общения. Обычными цветами света, излучаемого этими животными, являются синий и зеленый, поскольку они имеют более короткие длины волн, чем красный, и легче передаются в воде.

В апреле 2020 года исследователи сообщили, что генно-инженерные растения светятся намного ярче, чем это было возможно ранее, благодаря вставке генов биолюминесцентного гриба Neonothopanus nambi . Свечение является самоподдерживающимся, работает за счет преобразования кофейной кислоты растений в люциферин и, в отличие от генов бактериальной биолюминесценции, использовавшихся ранее, имеет относительно высокую светоотдачу, видимую невооруженным глазом. ^{[19] [20] [21] [22]}

Хемилюминесценция отличается от флуоресценции . Следовательно, флуоресцентные белки, такие как зеленый флуоресцентный белок, не являются хемилюминесцентными. Однако объединение GFP с люциферазами позволяет осуществлять резонансный перенос энергии биолюминесценции (BRET), что увеличивает квантовый выход света, излучаемого в этих системах.

Смотрите также

• Эклокс
• Электрохемилюминесценция
• Список источников света
• Лиолюминесценция
• Блуждающий огонь

Рекомендации

1. Вашер, Морган; Фдез. Гальван, Игнасио; Дин, Бо-Вэнь; Шрамм, Стефан; Берро-Паш, Ромен; Наумов, Панче; Ферре, Николя; Лю, Я-Цзюнь; Навизет, Изабель; Рока-Санхуан, Даниэль; Баадер, Вильгельм Дж.; Линд, Роланд (март 2018 г.). «Хеми- и биолюминесценция циклических пероксидов». Химические обзоры . 118 (15): 6927–6974. doi : 10.1021/acs.chemrev.7b00649. ПМИД  29493234.
2. Радзишевский, БР (1877). «Untersuchungen über HydroBenzamid, Amarin und Lophin» (PDF) . Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft (на немецком языке). 10 (1): 70–75. дои : 10.1002/cber.18770100122.
3. Шах, Сайед Нияз Али; Линь, Цзинь-Мин (2017). «Последние достижения в области хемилюминесценции на основе углеродистых точек». Достижения в области коллоидной и интерфейсной науки . 241 : 24–36. doi :10.1016/j.cis.2017.01.003. ПМИД  28139217.
4. "Демонстрация химической лаборатории люминола" . Проверено 29 марта 2006 г.
5. «Исследование люминола» (PDF) . Солтерс: Продвинутая химия . Архивировано из оригинала (PDF) 20 сентября 2004 г. Проверено 29 марта 2006 г.
6. Раухут, Майкл М. (1985), Хемилюминесценция. Грейсон, Мартин (Эд) (1985). Краткая энциклопедия химической технологии Кирка-Отмера (3-е изд.), стр. 247 John Wiley and Sons. ISBN 0-471-51700-3 
7. Воздушный зум | Светящиеся от гордости. Архивировано 12 июня 2014 г. в Wayback Machine . Fannation.com. Проверено 22 ноября 2011 г.
8. Аткинс П. и де Паула Дж. Физическая химия (8-е изд., WHFreeman 2006), стр.886 ISBN 0-7167-8759-8 
9. Стейнфельд Дж.И., Франциско Дж.С. и Хазе В.Л. Химическая кинетика и динамика (2-е изд., Prentice-Hall 1998), стр.263 ISBN 0-13-737123-3 
10. Аткинс П. и де Паула Дж. стр.889-890.
11. Расширенный обзор CL. Biocompare.com (4 июня 2007 г.). Проверено 22 ноября 2011 г.
12. Субстрат для высокоинтенсивного HRP-хемилюминесценции для ИФА. Архивировано 8 апреля 2016 г. в Wayback Machine . Haemoscan.com (11 февраля 2016 г.). Проверено 29 марта 2016 г.
13. «Анализатор NO/NO2 ECOPHYSICS CLD790SR2» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 4 марта 2016 г. Проверено 30 апреля 2015 г.
14. Стелла П., Кортнер М., Амманн К., Фокен Т., Мейкснер Ф.С. и Требс И.: Измерения потоков оксидов азота и озона с помощью вихревой ковариации на лугу: свидетельства наличия внутреннего листа устойчивость к NO2, Biogeosciences, 10, 5997-6017, doi :10.5194/bg-10-5997-2013, 2013.
15. Цоканкунку, Где угодно: Потоки триады NO-O3-NO2 над пологом елового леса на юго-востоке Германии. Байройт, 2014 г. - XII, 184 с. (Докторская диссертация, 2014, Байройтский университет, факультет биологии, химии и наук о Земле) [1]
16. Кинн, Джон Дж. «Хемилюминесцентный воздушный змей», патент США 4 715 564 , выданный 29 декабря 1987 г.
17. Кунцлеман, Томас Скотт; Рорер, Кристен; Шульц, Эмерик (12 июня 2012 г.). «Химия лайтстиков: демонстрации для иллюстрации химических процессов». Журнал химического образования . 89 (7): 910–916. Бибкод :2012JChEd..89..910K. дои : 10.1021/ed200328d. ISSN  0021-9584.
18. Хемилюминесценция как средство диагностики горения. Архивировано 2 марта 2011 г. в Wayback Machine Венката Нори и Джерри Зейцман - AIAA - 2008 г.
19. «Устойчивый свет, достигнутый в живых растениях» . физ.орг . Проверено 18 мая 2020 г.
20. «Ученые используют ДНК грибов для создания постоянно светящихся растений» . Новый Атлас . 28 апреля 2020 г. Проверено 18 мая 2020 г.
21. «Ученые создают светящиеся растения, используя гены грибов» . хранитель . 27 апреля 2020 г. Проверено 18 мая 2020 г.
22. Митюшкина, Татьяна; Мишин Александр С.; Сомермейер, Луиза Гонсалес; Маркина Надежда М.; Чепурных Татьяна Владимировна; Гугля, Елена Борисовна; Каратаева Татьяна А.; Палкина Ксения А.; Шахова Екатерина С.; Фахранурова Лилия И.; Чекова, София Владимировна; Царькова Александра С.; Голубев Ярослав Васильевич; Негребецкий Вадим Владимирович; Долгушин Сергей А.; Шалаев Павел Владимирович; Шлыков Дмитрий; Мельник Олеся А.; Шипунова Виктория О.; Деев, Сергей М.; Бубырев Андрей Иванович; Пушин, Александр С.; Чуб Владимир Владимирович; Долгов Сергей В.; Кондрашов Федор А.; Ямпольский Илья Владимирович; Саркисян, Карен С. (27 апреля 2020 г.). «Растения с генетически закодированной автолюминесценцией». Природная биотехнология . 38 (8): 944–946. дои : 10.1038/s41587-020-0500-9. ISSN  1546-1696. ПМК 7610436 . PMID  32341562. S2CID  216559981.