Хемилюминесценция (также хемолюминесценция ) — это излучение света ( люминесценция ) в результате химической реакции , т. е. химическая реакция приводит к вспышке или свечению света. Стандартным примером хемилюминесценции в лабораторных условиях является тест с люминолом . Здесь кровь обозначается люминесценцией при контакте с железом в гемоглобине . Когда хемилюминесценция происходит в живых организмах, это явление называется биолюминесценцией . Светящаяся палочка излучает свет посредством хемилюминесценции.
Физическое описание
Как и во многих химических реакциях, хемилюминесценция начинается с объединения двух соединений, скажем, A и B, с образованием продукта C. В отличие от большинства химических реакций, продукт C превращается в другой продукт, который образуется в электронно- возбужденном состоянии, часто обозначаемом звездочкой:
А + Б → В
С → Д*
Затем D* испускает фотон ( h ν), чтобы получить основное состояние D: [1] I
D * → D + hν
Теоретически, на каждую молекулу реагента должен выделяться один фотон света . На практике выход (« квантовая эффективность ») часто низок из-за побочных реакций.
Хемилюминесценция отличается от флуоресценции или фосфоресценции тем, что электронное возбужденное состояние является продуктом химической реакции, а не поглощения фотона . Это антитеза фотохимической реакции, в которой свет используется для запуска эндотермической химической реакции. Здесь свет генерируется из химически экзотермической реакции. Хемилюминесценция также может быть вызвана электрохимическим стимулом, в этом случае она называется электрохемилюминесценцией .
Хемилюминесценция впервые была обнаружена с лофином (трифенилимидазолом). [2] В основном растворе это соединение превращается в имидазолят, который реагирует с кислородом, в конечном итоге давая диоксетан . Фрагментация диоксетана дает возбужденное состояние анионного диамида. [3]
Этапы, ведущие к хемилюминесценции лофина.
Хемилюминесценция в водной системе в основном вызвана окислительно-восстановительными реакциями. [4]
Люминол в щелочном растворе с перекисью водорода в присутствии железа или меди, [5] или вспомогательного окислителя , [6] производит 3-аминофталат в возбужденном состоянии, который проявляет хемилюминесценцию. Реакция люминола
Одной из старейших известных хемилюминесцентных реакций является реакция окисления элементарного белого фосфора во влажном воздухе, дающая зеленое свечение. Это газофазная реакция фосфорного пара, над твердым телом, с кислородом, дающая возбужденные состояния (PO) 2 и HPO. [7]
Другая реакция в газовой фазе лежит в основе обнаружения оксида азота в коммерческих аналитических приборах, применяемых для проверки качества окружающего воздуха. Озон ( O 3 ) соединяется с оксидом азота (NO) с образованием диоксида азота ( NO 2 ) в активированном состоянии [ ◊ ]:
Активированный NO 2 [ ◊ ] люминесцирует в широком диапазоне видимого инфракрасного света, когда он возвращается в состояние с более низкой энергией. Фотоумножитель и связанная с ним электроника подсчитывают фотоны, которые пропорциональны количеству присутствующего NO. Чтобы определить количество диоксида азота , NO 2 , в образце (не содержащем NO), его сначала необходимо преобразовать в оксид азота, NO, пропустив образец через преобразователь, прежде чем будет применена вышеуказанная реакция активации озона. Реакция озона производит количество фотонов, пропорциональное NO, которое пропорционально NO 2 до того, как оно было преобразовано в NO. В случае смешанного образца, содержащего как NO, так и NO 2 , вышеуказанная реакция дает количество NO и NO 2 , объединенных в образце воздуха, предполагая, что образец пропускается через преобразователь. Если смешанный образец не пропускается через преобразователь, реакция озона производит активированный NO 2 [ ◊ ] только пропорционально количеству NO в образце. NO 2 в образце не активируется реакцией озона. Хотя неактивированный NO 2 присутствует вместе с активированным NO 2 [ ◊ ] , фотоны испускаются только активированным видом, который пропорционален исходному NO. Последний шаг: вычесть NO из ( NO + NO 2 ), чтобы получить NO 2 [8]
Инфракрасная хемилюминесценция
В химической кинетике инфракрасная хемилюминесценция (IRCL) относится к излучению инфракрасных фотонов колебательно-возбужденными молекулами продуктов сразу после их образования. Интенсивности линий инфракрасного излучения колебательно-возбужденных молекул используются для измерения популяций колебательных состояний молекул продуктов. [9] [10]
Наблюдение IRCL было разработано как кинетическая техника Джоном Полани , который использовал его для изучения притягивающей или отталкивающей природы поверхности потенциальной энергии для реакций в газовой фазе. 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 первую очередь выделяется в виде поступательной энергии. [11]
Усиленная хемилюминесценция
Усиленная хемилюминесценция (ECL) является распространенной техникой для различных анализов обнаружения в биологии. Фермент пероксидаза хрена (HRP) привязан к антителу, 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 производит триплетный (возбужденный) карбонил , который испускает свет, когда распадается на синглетный карбонил. Усиленная хемилюминесценция позволяет обнаруживать мельчайшие количества биомолекулы. Белки могут быть обнаружены вплоть до фемтомольных количеств, [12] [13] что значительно ниже предела обнаружения для большинства аналитических систем.
Приложения
Газовый анализ: для определения небольших количеств примесей или ядов в воздухе. Другие соединения также могут быть определены этим методом ( озон , N -оксиды, S -соединения). Типичным примером является определение NO с пределами обнаружения до 1 ppb. Высокоспециализированные хемилюминесцентные детекторы недавно использовались для определения концентраций, а также потоков NO x с пределами обнаружения до 5 ppt. [14] [15] [16]
Анализ неорганических веществ в жидкой фазе
Анализ органических соединений: полезен для ферментов , где субстрат не участвует напрямую в реакции хемилюминесценции, но продукт участвует
Обнаружение и анализ биомолекул в таких системах, как ИФА и вестерн-блоттинг
Анализ горения: Определенные виды свободных радикалов (такие как • CH и • OH) испускают излучение на определенных длинах волн. Скорость выделения тепла рассчитывается путем измерения количества света, излучаемого пламенем на этих длинах волн. [19]
Хемилюминесценция применялась судебными экспертами для раскрытия преступлений. В этом случае они использовали люминол и перекись водорода. Железо из крови действует как катализатор и реагирует с люминолом и перекисью водорода, производя синий свет в течение примерно 30 секунд. Поскольку для хемилюминесценции требуется лишь небольшое количество железа, достаточно следовых количеств крови.
В биомедицинских исследованиях белок, который дает светлячкам их свечение, и его кофактор, люциферин , используются для получения красного света посредством потребления АТФ. Эта реакция используется во многих приложениях, включая эффективность противораковых препаратов, которые перекрывают кровоснабжение опухоли [ требуется ссылка ] . Эта форма биолюминесцентной визуализации позволяет ученым дешево тестировать лекарства на доклинических стадиях. Другой белок, экворин , обнаруженный у некоторых медуз, производит синий свет в присутствии кальция. Его можно использовать в молекулярной биологии для оценки уровня кальция в клетках. Общим у этих биологических реакций является использование ими аденозинтрифосфата (АТФ) в качестве источника энергии. Хотя структура молекул, которые производят люминесценцию, различна для каждого вида, им дано общее название люциферин. Люциферин светлячка может быть окислен с образованием возбужденного комплекса. Как только он возвращается в основное состояние, высвобождается фотон. Это очень похоже на реакцию с люминолом.
Многие организмы эволюционировали, чтобы производить свет в диапазоне цветов. На молекулярном уровне разница в цвете возникает из-за степени сопряжения молекулы, когда электрон падает из возбужденного состояния в основное состояние. Глубоководные организмы эволюционировали, чтобы производить свет, чтобы заманивать и ловить добычу, в качестве маскировки или привлекать других. Некоторые бактерии даже используют биолюминесценцию для общения. Распространенные цвета для света, излучаемого этими животными, — синий и зеленый, потому что они имеют более короткие длины волн, чем красный, и могут легче передаваться в воде.
В апреле 2020 года исследователи сообщили, что генетически модифицированные растения светятся намного ярче, чем это было возможно ранее, путем вставки генов биолюминесцентного гриба Neonothopanus nambi . Свечение является самоподдерживающимся, работает путем преобразования кофейной кислоты растений в люциферин и, в отличие от генов бактериальной биолюминесценции, используемых ранее, имеет относительно высокий световой выход, который виден невооруженным глазом. [20] [21] [22] [23]
^ Радзишевский, БР (1877). «Untersuchungen über HydroBenzamid, Amarin und Lophin». Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft (на немецком языке). 10 (1): 70–75. дои : 10.1002/cber.18770100122.
^ Накашима, Кеничиро (2003). «Производные лофина как универсальные аналитические инструменты». Биомедицинская хроматография . 17 (2–3): 83–95. doi :10.1002/bmc.226. PMID 12717796.
^ Шах, Сайед Ниаз Али; Лин, Джин-Мин (2017). «Последние достижения в хемилюминесценции на основе углеродистых точек». Advances in Colloid and Interface Science . 241 : 24–36. doi :10.1016/j.cis.2017.01.003. PMID 28139217.
^ "Демонстрация лабораторной химии люминола" . Получено 29.03.2006 .
^ "Investigating luminol" (PDF) . Salters Advanced Chemistry . Архивировано из оригинала (PDF) 20 сентября 2004 г. . Получено 29.03.2006 .
^ Раухут, Майкл М. (1985), Хемилюминесценция. В Грейсон, Мартин (редактор) (1985). Краткая энциклопедия химической технологии Кирка-Отмера (3-е изд.), стр. 247 John Wiley and Sons. ISBN 0-471-51700-3
^ Air Zoom | Glowing with Pride Архивировано 12 июня 2014 г. на Wayback Machine . Fannation.com. Получено 22 ноября 2011 г.
^ Аткинс П. и де Паула Дж. Физическая химия (8-е изд., WHFreeman 2006) стр.886 ISBN 0-7167-8759-8
^ Steinfeld JI, Francisco JS и Hase WL Химическая кинетика и динамика (2-е изд., Prentice-Hall 1998) стр.263 ISBN 0-13-737123-3
^ Стелла, П., Кортнер, М., Амманн, К., Фокен, Т., Мейкснер, Ф.Х. и Требс, И.: Измерения потоков оксидов азота и озона методом вихревой ковариации на лугу: доказательства внутреннего сопротивления листьев NO 2 , Biogeosciences, 10, 5997-6017, doi :10.5194/bg-10-5997-2013, 2013.
^ Tsokankunku, Anywhere: Fluxes of the NO-O 3 -NO 2 triad over a elen forest canopy in the southeastern Germany. Bayreuth, 2014. - XII, 184 P. (Докторская диссертация, 2014, Университет Байройта, Факультет биологии, химии и наук о Земле) [1]
^ Кинн, Джон Дж. «Хемилюминесцентный воздушный змей» Патент США 4,715,564, выдан 29.12.1987
^ Кунцлеман, Томас Скотт; Рорер, Кристен; Шульц, Эмерик (2012-06-12). «Химия светящихся палочек: демонстрации для иллюстрации химических процессов». Журнал химического образования . 89 (7): 910–916. Bibcode : 2012JChEd..89..910K. doi : 10.1021/ed200328d. ISSN 0021-9584.
^ Хемилюминесценция как метод диагностики горения. Архивировано 2 марта 2011 г. в Wayback Machine. Венката Нори и Джерри Сейцман - AIAA - 2008 г.
^ "Устойчивый свет, достигнутый в живых растениях". phys.org . Получено 18 мая 2020 г. .
^ "Ученые используют ДНК грибов для создания постоянно светящихся растений". Новый Атлас . 28 апреля 2020 г. Получено 18 мая 2020 г.
^ «Ученые создают светящиеся растения, используя гены грибов». The Guardian . 27 апреля 2020 г. Получено 18 мая 2020 г.
^ 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». Nature Biotechnology . 38 (8): 944–946. doi :10.1038/s41587-020-0500-9. ISSN 1546-1696. PMC 7610436 . PMID 32341562. S2CID 216559981.
_mating.gif/1280px-Lampyris_Noctiluca_(firefly)_mating.gif)
![{\displaystyle {\ce {{\underset {люминол}{C8H7N3O2}}+{\underset {перекись\ водорода}{H2O2}}->3-APA[\lozenge ]->{3-APA}+light}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/e4cbbb6ca43888cca92605acd2bb5c8db9e2ee3d)
![{\displaystyle {\ce {NO{}+O3->NO2[\lozenge ]{}+O2}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/5be67449aaeb3531cb2031147c868edd2e9a7213)
![{\displaystyle {\ce {Люциферин{}+O2{}+АТФ->[{\text{Люцифераза}}]Оксилюциферин{}+CO2{}+AMP{}+PPi{}+свет}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/5cdc4625ec69c787aeb98a1208a52ded650cfe86)