Хемилюминесценция

Излучение света в результате химической реакции

Хемилюминесцентная реакция в колбе Эрленмейера

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 производится 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.

Например, A может быть люминолом , а [B] — перекисью водорода . D будет 3-APA ( 3-аминофталатом ).

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 .

Биолюминесценция в природе: самец светлячка спаривается с самкой вида Lampyris noctiluca .

Реакции в жидкой фазе

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]

Шаги, ведущие к хемилюминесценции лофина.

Хемилюминесценция в водной системе в основном вызвана окислительно-восстановительными реакциями. ^[4]

Хемилюминесценция после реакции перекиси водорода и люминола

• 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

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

Газофазные реакции

Зеленые и синие светящиеся палочки

• Одной из старейших известных хемилюминесцентных реакций является реакция окисления элементарного белого фосфора во влажном воздухе, 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 [ ◊ ]:

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

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 необходимо сначала 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 потенциальной энергетической поверхности 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 потенциальной энергетической поверхностью 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]} 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 в последнее время используются 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
• Секвенирование ДНК с использованием пиросеквенирования
• Освещение объектов. Воздушные змеи с хемилюминесценцией , ^[17] аварийное освещение, светящиеся палочки ^[18] (украшения для вечеринок).
• 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]
• Детские игрушки.
• Светящиеся палочки .

Биологическое применение

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.

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

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]}

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

Смотрите также

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

Ссылки

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». Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft (на немецком языке). 10 (1): 70–75. дои : 10.1002/cber.18770100122.
3. Накашима, Кеничиро (2003). «Производные лофина как универсальные аналитические инструменты». Биомедицинская хроматография . 17 (2–3): 83–95. doi :10.1002/bmc.226. PMID  12717796.
4. 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.
5. "Демонстрация лабораторной химии люминола" . Получено 29.03.2006 .
6. "Investigating luminol" (PDF) . Salters Advanced Chemistry . Архивировано из оригинала (PDF) 20 сентября 2004 г. . Получено 29.03.2006 .
7. 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 
8. Air Zoom | Glowing with Pride Архивировано 12 июня 2014 г. на Wayback Machine . Fannation.com. Получено 22 ноября 2011 г.
9. Аткинс П. и де Паула Дж. Физическая химия (8-е изд., WHFreeman 2006) стр.886 ISBN 0-7167-8759-8 
10. Steinfeld JI, Francisco JS и Hase WL Химическая кинетика и динамика (2-е изд., Prentice-Hall 1998) стр.263 ISBN 0-13-737123-3 
11. Аткинс П. и де Паула Дж. стр. 889-890
12. Расширенный обзор CL. Biocompare.com (2007-06-04). Получено 2011-11-22.
13. Субстрат для высокоинтенсивного HRP-хемилюминесценции ELISA Архивировано 08.04.2016 на Wayback Machine . Haemoscan.com (11.02.2016). Получено 29.03.2016.
14. "Analyzer Ecophysics CLD790SR2 NO/NO2" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2016-03-04 . Получено 2015-04-30 .
15. 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.
16. 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]
17. Кинн, Джон Дж. «Хемилюминесцентный воздушный змей» Патент США 4,715,564, выдан 29.12.1987
18. 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.
19. Хемилюминесценция как метод диагностики горения. Архивировано 2 марта 2011 г. в Wayback Machine. Венката Нори и Джерри Сейцман - AIAA - 2008 г.
20. "Устойчивый свет, достигнутый в живых растениях". phys.org . Получено 18 мая 2020 г. .
21. "Ученые используют ДНК грибов для создания постоянно светящихся растений". Новый Атлас . 28 апреля 2020 г. Получено 18 мая 2020 г.
22. «Ученые создают светящиеся растения, используя гены грибов». The Guardian . 27 апреля 2020 г. Получено 18 мая 2020 г.
23. 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.