Хемилюминесценция

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:

А + Б → С

С → Д*

Затем D* испускает фотон ( h ν), образуя основное состояние D: ^[1] я

Д* → Д + h ν

Теоретически один фотон должен испускаться на каждую молекулу реагента света . На практике выход (« квантовая эффективность ») часто оказывается низким из-за побочных реакций.

Например, A может быть люминолом , а [B] перекисью водорода . D будет 3-АПА ( 3-аминофталат ).

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]

Этапы, ведущие к хемилюминесценции лофина.

Хемилюминесценция в водной системе обусловлена главным образом 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 вспомогательный окислитель , ^[6] образует 3-аминофталат в возбужденном состоянии, проявляющий хемилюминесценцию. Люминольная реакция – это

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

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, образующим возбужденные состояния. (РО) ₂ и ГПО. ^[7]
Другая газофазная реакция лежит в основе обнаружения оксида азота в коммерческих аналитических приборах, применяемых для тестирования качества воздуха в окружающей среде. Озон ( O ₃ ) соединяется с оксидом азота (NO) с образованием диоксида азота ( НЕТ ₂ ) в активированном состоянии [ ◊ ]:

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

Активированный NO ₂ [ ◊ ] люминесцирует в широкополосном диапазоне, видимом в инфракрасном свете, когда он возвращается в более низкое энергетическое 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) сначала должен быть преобразован в оксид азота NO путем пропускания образца через преобразователь, прежде чем будет применена описанная выше реакция 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, содержащей как NO, так и NO ₂ , указанная выше реакция дает количество NO и NO ₂ смешивается с пробой воздуха, при условии, что проба проходит через преобразователь. Если смешанный образец не пропускается через конвертер, реакция озона приводит к образованию активированного NO ₂ [ ◊ ] только пропорционально количеству NO в образце. NO ₂ в образце не активируется озоновой реакцией. Хоть и неактивирован NO ₂ присутствует при активированном NO ₂ [ ◊ ] фотоны испускаются только активированными частицами, что пропорционально исходному NO. Последний шаг: вычтите НЕТ из ( НЕТ + НЕТ ₂ ) для выхода НЕТ 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 аналитических систем.

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
Обнаружение и анализ биомолекул в таких системах, как ELISA и вестерн-блоттинг.
Секвенирование ДНК с использованием пиросеквенирования
Освещение объектов. Хемилюминесцентные воздушные змеи , ^[17] аварийное освещение, светящиеся палочки ^[18] (праздничные украшения).
Анализ горения: некоторые виды свободных радикалов (например, ^•СН и ^•OH) испускают излучение определенных длин волн. Скорость выделения тепла рассчитывается путем измерения количества света, излучаемого пламенем на этих длинах волн. ^[19]
Детские игрушки.
Светящиеся палочки .

Биологические применения

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, в том числе для повышения эффективности лекарств от рака, которые перекрывают кровоснабжение опухоли. ^{[ нужна ссылка ]}. 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.

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

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]

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

См. также

Ссылки

^ 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 .
^ Радзишевский, Б.Р. (1877). «Исследования гидробензамида, амарина и лофина» . Отчеты Немецкого химического общества (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. дои : 10.1002/bmc.226 . ПМИД 12717796 .
^ 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. дои : 10.1016/j.cis.2017.01.003 . ПМИД 28139217 .
^ «Лабораторная демонстрация химии 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/NO ₂ 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, дои : 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 : 2012ЖЧЭд..89..910К . 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.
^ Mitiouchkina, Tatiana; Mishin, Alexander S.; Somermeyer, Louisa Gonzalez; Markina, Nadezhda M.; Chepurnyh, Tatiana V.; Guglya, Elena B.; Karataeva, Tatiana A.; Palkina, Kseniia A.; Shakhova, Ekaterina S.; Fakhranurova, Liliia I.; Chekova, Sofia V.; Tsarkova, Aleksandra S.; Golubev, Yaroslav V.; Negrebetsky, Vadim V.; Dolgushin, Sergey A.; Shalaev, Pavel V.; Shlykov, Dmitry; Melnik, Olesya A.; Shipunova, Victoria O.; Deyev, Sergey M.; Bubyrev, Andrey I.; Pushin, Alexander S.; Choob, Vladimir V.; Dolgov, Sergey V.; Kondrashov, Fyodor A.; Yampolsky, Ilia V.; Sarkisyan, Karen S. (27 April 2020). "Plants with genetically encoded autoluminescence" . Nature Biotechnology . 38 (8): 944–946. doi : 10.1038/s41587-020-0500-9 . ISSN 1546-1696 . PMC 7610436 . PMID 32341562 . S2CID 216559981 .

[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, Б.Р. (1877). «Исследования гидробензамида, амарина и лофина» . Отчеты Немецкого химического общества (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. дои : 10.1002/bmc.226 . ПМИД 12717796 .

[4] 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. дои : 10.1016/j.cis.2017.01.003 . ПМИД 28139217 .

[luminol1-5] «Лабораторная демонстрация химии люминола» . Проверено 29 марта 2006 г.

[luminol2-6] «Исследование люминола» (PDF) . Солтерс: Продвинутая химия . Архивировано из оригинала (PDF) 20 сентября 2004 г. Проверено 29 марта 2006 г.

[Rauhut-7] 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

[8] Воздушный зум | Светящиеся от гордости. Архивировано 12 июня 2014 г. в Wayback Machine . Fannation.com. Проверено 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] 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

[11] Аткинс П. и де Паула Дж. стр.889-890.

[12] Расширенный обзор CL . Biocompare.com (4 июня 2007 г.). Проверено 22 ноября 2011 г.

[13] 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.

[14] «Экофизический анализатор NO/NO ₂ CLD790SR2 » (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 4 марта 2016 г. Проверено 30 апреля 2015 г.

[15] 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, дои : 10.5194/bg-10-5997-2013 , 2013.

[16] 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]

[17] Кинн, Джон Дж. «Хемилюминесцентный воздушный змей», патент США 4 715 564, выданный 29 декабря 1987 г.

[18] 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 : 2012ЖЧЭд..89..910К . дои : 10.1021/ed200328d . ISSN 0021-9584 .

[19] Хемилюминесценция как средство диагностики горения. Архивировано 2 марта 2011 г. в Wayback Machine Венката Нори и Джерри Зейтцман - AIAA - 2008 г.

[20] «Устойчивый свет, достигнутый в живых растениях» . физ.орг . Проверено 18 мая 2020 г.

[21] «Ученые используют ДНК грибов для создания постоянно светящихся растений» . Новый Атлас . 28 апреля 2020 г. Проверено 18 мая 2020 г.

[22] «Ученые создают светящиеся растения, используя гены грибов» . Хранитель . 27 апреля 2020 г. Проверено 18 мая 2020 г.

[23] Mitiouchkina, Tatiana; Mishin, Alexander S.; Somermeyer, Louisa Gonzalez; Markina, Nadezhda M.; Chepurnyh, Tatiana V.; Guglya, Elena B.; Karataeva, Tatiana A.; Palkina, Kseniia A.; Shakhova, Ekaterina S.; Fakhranurova, Liliia I.; Chekova, Sofia V.; Tsarkova, Aleksandra S.; Golubev, Yaroslav V.; Negrebetsky, Vadim V.; Dolgushin, Sergey A.; Shalaev, Pavel V.; Shlykov, Dmitry; Melnik, Olesya A.; Shipunova, Victoria O.; Deyev, Sergey M.; Bubyrev, Andrey I.; Pushin, Alexander S.; Choob, Vladimir V.; Dolgov, Sergey V.; Kondrashov, Fyodor A.; Yampolsky, Ilia V.; Sarkisyan, Karen S. (27 April 2020). "Plants with genetically encoded autoluminescence" . Nature Biotechnology . 38 (8): 944–946. doi : 10.1038/s41587-020-0500-9 . ISSN 1546-1696 . PMC 7610436 . PMID 32341562 . S2CID 216559981 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]