Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Не следует путать с флуоресценцией .

Хемолюминесцентная реакция в колбе Эрленмейера

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

[ A ] + [ B ] → [ ◊ ] → [ Товары ] + свет

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

куда:

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

Общее описание [ править ]

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

В химической реакции реагенты сталкиваются, образуя переходное состояние , энтальпийный максимум на диаграмме координат реакции, которое 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 возбуждение в колебательном состоянии нормальных мод продукта. Поскольку энергия колебаний обычно намного больше, чем тепловое перемешивание, она быстро рассеивается в растворителе за счет вращения молекул. Вот как экзотермическийреакции делают их 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 сформированного электронного возбужденного состояния.

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 образуется в результате химически экзотермической реакции. Хемилюминесценция также может быть вызвана электрохимическим стимулом, в этом случае это называется электрохемилюминесценцией .

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

Первым обнаруженным 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 отображается люминесценцией при контакте с железом в гемоглобине . Когда в живых организмах происходит хемилюминесценция, это явление называется биолюминесценцией . А свет Stick излучает свет с помощью хемилюминесценции.

Жидкофазные реакции [ править ]

Хемилюминесценция в водной системе в основном вызвана окислительно-восстановительными реакциями. [3]

Хемилюминесценция после реакции пероксида водорода и люминола
  • Люминол в щелочном растворе с перекисью водорода в присутствии железа или меди, [4] или вспомогательном окислителе , [5] производит хемилюминесценцию. Реакция люминола

Газофазные реакции [ править ]

Зеленые и синие светящиеся палочки
  • Одна из самых старых известных хемилюминесцентных реакций - это реакция окисления элементарного белого фосфора во влажном воздухе с образованием зеленого свечения. Это газофазная реакция пара фосфора над твердым телом с кислородом, образующим возбужденные состояния (PO) 2 и HPO. [6]
  • Другая газофазная реакция является основой обнаружения оксида азота в коммерческих аналитических приборах, применяемых для проверки качества воздуха в окружающей среде. Озон соединяется с оксидом азота с образованием диоксида азота в активированном состоянии.
NO + O 3 → NO 2 [ ◊ ] + O 2
Активированный NO 2 [ ◊ ] излучает широкополосный видимый и инфракрасный свет, возвращаясь в более низкое энергетическое состояние. ИЙ и связанная с ним электроника подсчитывают фотоны, которые пропорциональны количеству NO настоящего. Для определения количества диоксида азота NO 2 в образце (не содержащем NO) его необходимо сначала преобразовать в оксид азота, NO, пропуская образец через конвертер, прежде чем будет применена вышеуказанная реакция активации озона. Реакция с озоном производит количество фотонов, пропорциональное NO, которое пропорционально NO 2, прежде чем оно будет преобразовано в NO. В случае смешанного образца, содержащего как NO, так и NO 2вышеупомянутая реакция дает количество NO и NO 2, объединенных в пробе воздуха, при условии, что проба проходит через конвертер. Если смешанный образец не проходит через конвертер, озоновая реакция производит активированный NO 2 [ ◊ ] только пропорционально 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, что пропорционально исходному NO. Последний шаг: вычтите NO из (NO + NO 2 ), чтобы получить NO 2 [7]

Инфракрасная хемилюминесценция [ править ]

В химической кинетике , инфракрасная chemiluminiscence (IrCl) относится к излучению инфракрасных фотонов из колебательно - возбужденных молекул продукта сразу после их образования. Интенсивности инфракрасных эмиссионных линий колебательно-возбужденных молекул используются для измерения населенностей колебательных состояний молекул-продуктов. [8] [9]

Наблюдение IrCl было разработано в качестве кинетического метода с помощью Джона Полани , который использовал его для изучения привлекательной или отталкивающей природы от 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 поверхностью потенциальной энергии отталкивания приводят к небольшому IRCL, указывая на то, что энергия в основном вкладывается в виде поступательной энергии. [10]

Усиленная хемилюминесценция [ править ]

Усиленная хемилюминесценция - распространенный метод для множества анализов обнаружения в биологии. Пероксидаза хрена фермента (HRP) , привязан к антителу , которое специфически распознает интерес молекулы. Этот фермент комплекса затем катализирует превращение расширенной подложки хемилюминесцентной в сенсибилизированный реагент в непосредственной близости от молекулы , представляющего интереса, который при дальнейшем окислении с помощью перекиси водорода , производит триплет (возбужденный) карбонил , который излучает свет , когда он распадается на синглет карбонил. Усиленная хемилюминесценция позволяет обнаруживать мельчайшие количества биомолекул. Белки могут быть обнаружены вплоть до фемтомолей, [11] [12] значительно ниже предела обнаружения для большинства систем анализа.

Приложения [ править ]

  • Анализ газов: для определения небольших количеств примесей или ядов в воздухе. Этим методом можно определять и другие соединения ( озон , N-оксиды, S-соединения). Типичный пример - определение NO с пределами обнаружения до 1 ppb. В последнее время используются высокоспециализированные хемилюминесцентные детекторы для определения концентраций, а также потоков NOx с пределом обнаружения всего 5 ppt. [13] [14] [15]
  • Анализ неорганических веществ в жидкой фазе
  • Анализ органических веществ: полезен с ферментами , когда 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. Хемилюминесценции змеев , [16] аварийное освещение, светящиеся палочки [17] (партия украшения).
  • Анализ горения: некоторые радикальные частицы (такие как CH * и OH *) испускают излучение с определенной длиной волны. Скорость тепловыделения рассчитывается путем измерения количества света, излучаемого пламенем на этих длинах волн. [18]
  • Детские игрушки.
  • Светящиеся палочки .

Биологические приложения [ править ]

Хемилюминесценция применялась судебными экспертами для раскрытия преступлений. В этом случае используют люминол и перекись водорода. Железо из крови действует как катализатор и реагирует с люминолом и перекисью водорода с образованием синего света в течение примерно 30 секунд. Поскольку для хемилюминесценции требуется лишь небольшое количество железа, достаточно крови.

В биомедицинских исследованиях белок, придающий светлячкам свечение, и его кофактор, люциферин , используются для получения красного света за счет потребления АТФ. Эта реакция используется во многих приложениях, включая эффективность противораковых лекарств, которые перекрывают кровоснабжение опухоли [ необходима ссылка ] . Эта форма биолюминесцентной визуализации позволяет ученым дешево тестировать лекарства на доклинических стадиях. Другой белок, эккорин , содержащийся 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) как источник энергии. Хотя структура молекул, производящих люминесценцию, различна для каждого вида, им дано общее название люциферин. Люциферин светлячка может окисляться с образованием возбужденного комплекса. Когда он возвращается в основное состояние, фотон высвобождается. Это очень похоже 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 опускается из возбужденного состояния в основное. Глубоководные организмы эволюционировали, чтобы производить свет для приманки и ловли добычи, в качестве маскировки или для привлечения других. Некоторые бактерии даже используют биолюминесценцию для общения. Обычные цвета излучаемого этими животными света - синий и зеленый, потому что они имеют более короткую длину волны, чем красный, и легче передаются в воде.

В апреле 2020 года исследователи сообщили, что генетически модифицированные растения светятся намного ярче, чем это было возможно ранее, благодаря вставке генов биолюминесцентного гриба Neonothopanus nambi . Свечение является самоподдерживающимся, работает путем преобразования кофейной кислоты растений в люциферин и, в отличие от ранее использовавшихся генов бактериальной биолюминесценции, имеет относительно высокий световой поток, видимый невооруженным глазом. [19] [20] [21] [22]

Хемилюминесценция отличается от флуоресценции . Следовательно, применение флуоресцентных белков, таких как зеленый флуоресцентный белок , не является биологическим применением хемилюминесценции.

См. Также [ править ]

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

Ссылки [ править ]

  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; Baader, Wilhelm J .; Линд, Роланд (март 2018 г.). «Хеми- и биолюминесценция циклических пероксидов». Химические обзоры . 118 (15): 6927–6974. DOI : 10.1021 / acs.chemrev.7b00649 . PMID  29493234 .
  2. ^ Radziszewski, BR (1877). "Untersuchungen über Hydrobenzamid, Amarin und Lophin" . Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft (на немецком языке). 10 (1): 70–75. DOI : 10.1002 / cber.18770100122 .
  3. ↑ Шах, Сайед Ниаз Али; Линь, Цзинь-Мин (2017). «Последние достижения в области хемилюминесценции на основе углеродистых точек». Достижения в коллоидной и интерфейсной науке . 241 : 24–36. DOI : 10.1016 / j.cis.2017.01.003 . PMID 28139217 . 
  4. ^ "Демонстрация лаборатории химии люминола" . Проверено 29 марта 2006 .
  5. ^ "Изучение люминола" (PDF) . Продвинутая химия Солтерса . Архивировано из оригинального (PDF) 20 сентября 2004 года . Проверено 29 марта 2006 .
  6. ^ Рохат, Michael M. (1985), ХЛ. В Грейсоне, Мартин (Эд) (1985). Кирк-Отмер Краткая энциклопедия химической технологии (3-е изд), стр. 247, Джон Вили и сыновья. ISBN 0-471-51700-3 
  7. ^ Air Zoom | Glowing with Pride. Архивировано 12 июня 2014 г. в Wayback Machine . Fannation.com. Проверено 22 ноября 2011.
  8. ^ Аткинс П. и де Паула Дж. Физическая химия (8-е изд., WHFreeman 2006) стр.886 ISBN 0-7167-8759-8 
  9. ^ Steinfeld JI, Francisco JS и Hase WL 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 (04.06.2007). Проверено 22 ноября 2011.
  12. ^ Подложка High Intensity HRP-Chemiluminescence ELISA, заархивированная 8 апреля 2016 г. на Wayback Machine . Haemoscan.com (11 февраля 2016 г.). Проверено 29 марта 2016.
  13. ^ "Анализатор NO / NO2 ECOPHYSICS CLD790SR2" (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 04 марта 2016 года . Проверено 30 апреля 2015 .
  14. ^ Стелла, П., Кортнер, М., Амманн, К., Фокен, Т., Мейкснер, FX, и Требс, И.: Измерения потоков оксидов азота и озона с помощью вихревой ковариации на лугу: свидетельство наличия внутреннего листа устойчивость к NO2, Biogeosciences, 10, 5997-6017, DOI : 10.5194 / BG-10-5997-2013 , 2013.
  15. ^ Tsokankunku,любом месте: Флюсы от NO-O3-NO2 триады над пологом елового на юго-востоке Германии. Байройт, 2014. - XII, 184 P. (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 29.12.1987.
  17. ^ Кунцлеман, Томас Скотт; Рорер, Кристен; Шульц, Эмерик (2012-06-12). «Химия световых палочек: демонстрации для иллюстрации химических процессов». Журнал химического образования . 89 (7): 910–916. Bibcode : 2012JChEd..89..910K . DOI : 10.1021 / ed200328d . ISSN 0021-9584 . 
  18. ^ ХЛ как Combustion Диагностическое архивной 2011-03-02 в Вайбак машины Venkata Нори и Джерри Seitzman - АИАА - 2008
  19. ^ "Устойчивый свет, достигнутый в живых растениях" . Phys.org . Дата обращения 18 мая 2020 .
  20. ^ «Ученые используют ДНК грибов для создания постоянно светящихся растений» . Новый Атлас . 28 апреля 2020 . Дата обращения 18 мая 2020 .
  21. ^ «Ученые создают светящиеся растения, используя гены грибов» . Хранитель . 27 апреля 2020 . Дата обращения 18 мая 2020 .
  22. ^ Митючкина, Татьяна; Мишин, Александр С .; Сомермейер, Луиза Гонсалес; Маркина, Надежда М .; Чепурных, Татьяна В .; Гугля, Елена Б .; Каратаева, Татьяна А .; Палкина, Ксения А .; Шахова, Екатерина С .; Фахранурова, Лилия И .; Чекова, София В .; Царькова Александра С .; Голубев, Ярослав В .; Негребецкий, Вадим В .; Долгушин, Сергей А .; Шалаев, Павел В .; Шлыков Дмитрий; Мельник, Олеся А .; Шипунова Виктория Олеговна; Деев, Сергей М .; Бубырев, Андрей И .; Пушин, Александр С .; Чуб, Владимир В .; Долгов, Сергей В .; Кондрашов, Федор А .; Ямпольский, Илья В .; Саркисян, Карен С. (27 апреля 2020 г.). «Растения с генетически закодированной автолюминесценцией» . Природа Биотехнологии . 38 (8): 944–946. doi :10.1038 / s41587-020-0500-9 . ISSN  1546-1696 . PMID  32341562 . S2CID  216559981 . Дата обращения 18 мая 2020 .