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 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.
Физическое описание
Как и во многих химических реакциях, хемилюминесценция начинается с объединения двух соединений, скажем, А и В, с образованием продукта С. В отличие от большинства химических реакций, продукт С превращается в другой продукт, который образуется в электронно- возбужденном состоянии , которое часто обозначается как со звездочкой:
Теоретически на каждую молекулу реагента должен испускаться один фотон света . На практике выход (« квантовая эффективность ») часто оказывается низким из-за побочных реакций.
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 .
Жидкофазные реакции
Впервые хемилюминесценция наблюдалась у лофина (трифенилимидазола). [2] В основном растворе это соединение превращается в имидазолат, который реагирует с кислородом, в конечном итоге образуя диоксетан . Фрагментация диоксетана приводит к возбужденному состоянию анионного диамида. [3]
Хемилюминесценция в водной системе обусловлена главным образом окислительно-восстановительными реакциями. [4]
Люминол в щелочном растворе с перекисью водорода в присутствии железа или меди [ 5] или вспомогательного окислителя [6] образует 3-аминофталат в возбужденном состоянии, проявляющий хемилюминесценцию. Люминольная реакция – это
Газофазные реакции
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. [7]
Другая газофазная реакция лежит в основе обнаружения оксида азота в коммерческих аналитических приборах, применяемых для тестирования качества воздуха в окружающей среде. Озон ( O3 ) соединяется с оксидом азота (NO) с образованием диоксида азота ( NO2 ) в активированном состоянии [ ◊ ]:
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 [8]
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. [9] [10]
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. [11]
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, [12] [13] 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. [14] [15] [16]
Анализ неорганических частиц в жидкой фазе
Анализ органических веществ: полезен с ферментами , где субстрат не участвует непосредственно в реакции хемилюминесценции, но продукт
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 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.
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. [20] [21] [22] [23]
^ Радзишевский, БР (1877). «Убер-гидробензамид, амарин и лофин». Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft (на немецком языке). 10 (1): 70–75. дои : 10.1002/cber.18770100122.
^ 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.
^ "Демонстрация химической лаборатории люминола" . Проверено 29 марта 2006 г.
^ «Исследование люминола» (PDF) . Солтерс: Продвинутая химия . Архивировано из оригинала (PDF) 20 сентября 2004 г. Проверено 29 марта 2006 г.
^ 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
^ Воздушный зум | Светящиеся от гордости. Архивировано 12 июня 2014 г. в Wayback Machine . Fannation.com. Проверено 22 ноября 2011 г.
^ Аткинс П. и де Паула Дж. Физическая химия (8-е изд., WHFreeman 2006), стр.886 ISBN 0-7167-8759-8
^ 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
^ Аткинс П. и де Паула Дж. стр.889-890.
^ Расширенный обзор CL. Biocompare.com (4 июня 2007 г.). Проверено 22 ноября 2011 г.
^ 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.
^ «Экофизический анализатор NO/NO2 CLD790SR2» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 4 марта 2016 г. Проверено 30 апреля 2015 г.
^ 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 NO 2 , Biogeosciences, 10, 5997-6017, doi :10.5194/bg-10-5997-2013, 2013.
^ Цоканкунку, Где угодно: Потоки триады NO-O 3 -NO 2 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]
↑ Кинн, Джон Дж. «Хемилюминесцентный воздушный змей», патент США 4 715 564, выданный 29 декабря 1987 г.
^ 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.
^ Хемилюминесценция как средство диагностики горения. Архивировано 2 марта 2011 г. в Wayback Machine Венката Нори и Джерри Зейтцман - AIAA - 2008 г.
^ «Устойчивый свет, достигнутый в живых растениях» . физ.орг . Проверено 18 мая 2020 г.
^ «Ученые используют ДНК грибов для создания постоянно светящихся растений» . Новый Атлас . 28 апреля 2020 г. Проверено 18 мая 2020 г.
^ «Ученые создают светящиеся растения, используя гены грибов» . хранитель . 27 апреля 2020 г. Проверено 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». Природная биотехнология . 38 (8): 944–946. дои : 10.1038/s41587-020-0500-9. ISSN 1546-1696. ПМЦ 7610436 . PMID 32341562. S2CID 216559981.