Chemiluminiscencia – definícia, mechanizmus a bioluminiscencia
Chemiluminiscencia a bioluminiscencia: definícia, mechanizmus, príklady a aplikácie – ako chemické reakcie vytvárajú svetlo a ako sa meria intenzita žiarenia.
Chemiluminiscencia (alebo chemoluminiscencia) je druh luminiscencie. Je to proces vzniku svetla z chemickej reakcie. Chemiluminiscencia v biologických systémoch sa nazýva bioluminiscencia.
Svetlo, ktoré vzniká pri chemiluminiscencii, nie je priamo spojené s teplom. Jednoduchý dvojstupňový príklad reakcie A a B, pri ktorej vznikajú C, D a svetlo.
[A] + [B] → [C*] + [D]
[C*] → [C] + svetlo
C* je excitovaný stav C.
Táto reakcia je jednoduchšia ako väčšina chemiluminiscenčných reakcií. K excitovanému stavu dochádza, keď sú elektróny vytlačené na vyššiu obežnú dráhu energiou chemickej reakcie. Vzbudený stav je menej stabilný ako základný stav. Elektróny v excitovanom stave spadnú do základného stavu (s nižšou energiou) a vyžarujú svetlo.
Množstvo merateľného svetla sa nazýva intenzita žiarenia: ICL (fotóny vyžiarené za sekundu).
Mechanizmus podrobnejšie
Väčšina praktických chemiluminiscenčných reakcií prebieha cez rad medziproduktov a často zahŕňa tvorbu vysoko energetických organických medzištádií (napr. peroxidy, dioxetany alebo vysokoenergetické karbonylové zlúčeniny). Energia uvoľnená pri kemickej premene sa presunie do elektronického excitovaného stavu produktu (C*), ktorý potom prechádza do základného stavu vyžiarením fotónu.
Rozlišujeme, či je excitovaný produkt v singletovom alebo tripletovom stave. Emisia z singletového stavu zodpovedá fluorescencii (rýchla radiácia), emisia z tripletového stavu môže byť pomalšia a má často inú spektrálnu charakteristiku (pripomína fosforescenciu). V mnohých prípadoch je kvantová účinnosť (pomer počtu vyžiarených fotónov k počtu reakcií) relatívne nízka a závisí od chemickej štruktúry, rozpúšťadla, teploty, pH a prítomnosti katalyzátorov.
Bežné príklady a reakčné systémy
- Luminol: v prítomnosti oxidačného činidla (napr. H2O2) a katalyzátora (Fe2+, Cu2+ alebo enzým peroxidáza) vzniká modré svetlo. Luminol je známy v forenzike na detekciu stopiek krvi.
- Peroxyoxalát: používa sa v podobných systémoch ako v svetielkach (glowsticks). Reakcia medzi oxalátom a peroxidom vytvára excitovaný medzištát, ktorý prenesie energiu na fluorescenčné farbivo – výsledkom je farebné svetlo.
- Acridinium estery: používané v imunochemických testoch (chemiluminiscenčné imunotesty) pre vysokú citlivosť detekcie analyzovaných molekúl.
Faktory ovplyvňujúce intenzitu
Intenzita chemiluminiscencie závisí na dvoch hlavných faktoroch: rýchlosti chemickej reakcie (koľko molekúl za časový úsek prejde do excitovaného stavu) a kvantovej výťažnosti emisie (aké percento týchto excitovaných molekúl vyžiari fotón namiesto nežiareného rozptylu energie). Ďalšie dôležité faktory sú pH, teplota, rozpúšťadlo, prítomnosť quenchrov (látky, ktoré znižujú žiarenie) a katalyzátory či enzymatické aktivity.
Bioluminiscencia
Bioluminiscencia je biologická forma chemiluminiscencie, kde enzým (napr. luciferáza) katalyzuje oxidáciu substrátu (luciferínu), pričom sa uvoľní svetlo. Typické príklady sú svetlušky (lampyridae), morský planktón, niektoré ryby a huby. Rôzne biologické systémy používajú rozdielne luciferíny a mechanizmy, ktoré vedú k rôznym farbám a trvaniu svetla. V niektorých prípadoch dochádza k prenosu energie napr. na fluorescenčný protein (ako GFP), čím sa mení spektrálne vyžarovanie.
Aplikácie
- Analytická chémia a bioanalytika: chemiluminiscencia sa využíva v citlivých meraniach, vrátane ELISA a ďalších imunotestov, kde umožňuje detekciu veľmi nízkych koncentrácií analytov.
- Forenzika: luminol detekuje stopy krvi aj po ich čiastočnom odstránení.
- Osvetlenie a núdzové svetlá: základné princípy peroxyoxalátových a iných systémov sú využívané v svietiacich náplniach (glowsticks).
- Výskum a zobrazovanie: sledovanie biochemických procesov v živých bunkách, biologické markery a molekulárne reportéry.
Bezpečnosť a praktické poznámky
Niektoré činidlá používané pri chemiluminiscencii sú silné oxidanty alebo toxické organické zlúčeniny; treba dodržiavať bežné bezpečnostné zásady laboratória (ochrana rúk, očí, dobre vetrané priestory). Pri meraniach sa často používa tma a citlivé fotonásobičové detektory alebo CCD kamery pre zachytenie slabého svetla. Integrovaný signál (celkové vyžiarené fotóny počas celej reakcie) môže poskytnúť informáciu o počte reagujúcich molekúl, kým okamžitá intenzita odráža kinetiku reakcie.
Chemoluminiscenčná reakcia v Erlenmeyerovej banke produkuje veľké množstvo svetla
Analytické aplikácie
Zariadenie potrebné na meranie svetla je jednoduché. Potrebuje niečo na uchytenie vzorky a fotonásobič. Pri chemických meraniach sa dá použiť tromi spôsobmi.
- niekedy sa hľadaný produkt rozsvieti, keď reaguje s inou zlúčeninou,
- v inom type množstvo vyrobeného svetla klesá, keď sa pridá hľadaný produkt,
- niekedy sa hľadaný produkt po pridaní do chemiluminiscenčnej reakcie rozsvieti viac (katalytická reakcia).
Analýza plynov
Touto metódou sa merajú malé množstvá znečisťujúcich látok v ovzduší. Bežnou metódou sa meria množstvo oxidu dusnatého jeho reakciou s ozónom. Vyrobené svetlo má rozsah vlnových dĺžok 600 až 2800 nm.
Analýza kvapalín
Luminol je najznámejší typ zlúčeniny používanej na chemiluminiscenciu v kvapalinách.
Analýza bunkových organel
Ca2+ (vápnik) vo vnútri rôznych častí buniek, ako sú mitochondrie, môže vytvoriť svetlo, keď reaguje s proteínom z medúz s názvom aequorín. Oxid dusnatý (NO) sa nachádza v bunkách a je to spôsob, akým sa bunky medzi sebou dorozumievajú, čo sa dá merať pomocou zlúčeniny luminol.
Ďalšie príklady
Otázky a odpovede
Otázka: Čo je to chemiluminiscencia?
Odpoveď: Chemiluminiscencia je druh luminiscencie, ktorý zahŕňa tvorbu svetla prostredníctvom chemickej reakcie.
Otázka: Čo je bioluminiscencia?
Odpoveď: Bioluminiscencia sa vzťahuje na chemiluminiscenciu, ktorá sa vyskytuje v biologických systémoch.
Otázka: Je svetlo vznikajúce pri chemiluminiscencii spojené s teplom?
Odpoveď: Nie, svetlo vznikajúce pri chemiluminiscencii nesúvisí s teplom.
Otázka: Môžete uviesť príklad chemiluminiscenčnej reakcie?
Odpoveď: Jednoduchým príkladom chemiluminiscenčnej reakcie je reakcia medzi A a B, pri ktorej vznikajú C, D a svetlo.
Otázka: Čo je C* v chemiluminiscenčnej reakcii?
Odpoveď: C* je excitovaný stav C, ktorý vzniká, keď sú elektróny vytlačené na vyššiu obežnú dráhu energiou chemickej reakcie.
Otázka: Ako vyžaruje excitovaný stav C svetlo?
Odpoveď: Excitovaný stav je menej stabilný ako základný stav, takže elektróny v excitovanom stave padajú do základného stavu a emitujú svetlo.
Otázka: Čo je to intenzita žiarenia?
Odpoveď: Intenzita žiarenia je množstvo merateľného svetla, ktoré vzniká pri chemiluminiscenčnej reakcii, vyjadrené ako ICL (fotóny emitované za sekundu).
Prehľadať