Hemiluminiscencija

(Preusmjereno sa Hemoluminiscencija)

Hemiluminiscencija (također hemoluminiscencija) je emisija svjetlosti (luminiscencija) kao rezultat određene emijske reakcije. Također može postojati ograničena emisija toplote. S obzirom na reaktante A i B, s pobuđenim međuproduktom ,

Hemoluminiscentna reakcija u Erlenmeyerovoj tikvici
[A] + [B] → [] → produkti + svjetlost

Naprimjer, ako je [A] luminol, a [B] vodik-peroksid u prisustvu odgovarajućeg katalizatora imamo:

gdje:

  • 3-APA = 3-aminoftalat
  • 3-APA[] = vibronski pobuđeno stanje koje fluorescira dok se raspada na niži energetski nivo.

Opći opisUredi

Raspad ovog pobuđenog stanja[] na niži energetski nivo uzrokuje emisiju svjetlosti.[1] U teoriji, jedan foton svjetlosti bi trebao biti ispušten za svaku molekulu reaktanta. Ovo je ekvivalentno Avogadrovom broju fotona po molu reaktanta. U stvarnoj praksi, neenzimske reakcije rijetko prelaze 1% QC kvantne efikasnosti.

U hemijskoj reakciji, reaktanti se sudaraju da bi formirali prijelazno stanje, entalpik, maksimum u dijagramu koordinata reakcije, koji nastavlja do proizvoda. Normalno, reaktanti formiraju proizvode manje hemijske energije. Razlika u energiji između reaktanata i proizvoda, predstavljena kao   pretvara se u toplotu, fizički se realizuje kao pobuda u vibraciono stanje normalnih modova proizvoda. Pošto je energija vibracije općenito mnogo veća od termičke agitacije, ona se brzo raspršuje u rastvaraču putem molekulske rotacije. Ovako egzotermne reakcije čine svoje rastvore toplijim. U hemiluminiscentnoj reakciji, direktni proizvod reakcije je pobuđeno elektronsko stanje. Ovo stanje se zatim raspada u elektronsko osnovno stanje i emituje svjetlost ili kroz dozvoljeni prijelaz (analogno fluorescenciji) ili zabranjeni prijelaz (analogno fosforescenciji), djelimično u zavisnosti od spinskog stanja formiranog elektronskog pobuđenog stanja.

Hemiluminiscencija se razlikuje od fluorescencije ili fosforescencije po tome što je elektronsko pobuđeno stanje proizvod hemijske reakcije, a ne apsorpcije fotona. To je antiteza fotohemijske reakcije, u kojoj se svjetlost koristi za pokretanje endotermne hemijske reakcije. Ovdje se svjetlost „generira“ iz hemijske egzotermne reakcije. Hemiluminiscencija može biti izazvana i elektrohemijskim stimulusom, kada se naziva elektrohemiluminiscencija.

 
Bioluminescencija u prirodi: mužjak krijesnice (svjetlaca) koji se pari sa ženkom vrste Lampyris noctiluca.

Prvi hemiluminiscentni spoj koji je otkriven 1877. bio je 2,4,5-trifenilimidazol (lofin), za koji je objavljeno da emituje svetlost kada se pomiješa sa kalij-hidroksidom u vodenom etanolu u prisustvu zraka.[2] Standardni primjer hemiluminiscencije u laboratorijskim uvjetima je luminolski test. Ovdje je krv označena luminiscencijom nakon kontakta sa gvožđem u hemoglobinu. Kada se hemiluminiscencija odvija u živim organizmima, taj se fenomen naziva bioluminiscencija. Svjetlosni štap emituje svetlost hemiluminiscencijom.

Reakcije tečne fazeUredi

Hemiluminiscencija u vodenom sistemu uglavnom je uzrokovana redoks reakcijama.[3]

 
Hemiluminiscencija nakon reakcije vodik-peroksida i luminola
 

Plinska faza reakcijaUredi

 
Zeleni i plavi svjetleći štapići
  • Jedna od najstarijih poznatih hemiluminiscentnih reakcija je reakcija elementarnog bijelog fosfora koji oksidira u vlažnom zraku, stvarajući zeleni sjaj. Ovo je reakcija u gasnoj fazi fosforne pare, iznad čvrste materije, sa kisikom koji proizvodi pobuđena stanja (PO)2 i HPO.[6]
  • Druga reakcija u plinskoj fazi je osnova detekcije dušik-oksida u komercijalnim analitičkim instrumentima koji se primenjuju na ispitivanje kvaliteta zraka u životnoj sredini. Ozon se kombinuje sa dušik-oksidom da bi se formirao dušik-dioksid u aktiviranom stanju.
NO+O3 → NO2[]+ O2
Aktivirani NO2[] luminescira širokopojasno vidljivi infracrvenu svjetlost dok se vraća u stanje niže energije. Fotomultiplikator i povezana elektronika broje fotone koji su proporcionalni količini prisutnog NO. Da bi se odredila količina dušik-dioksida, NO2, u uzorku (koji ne sadrži NO) mora se prvo pretvoriti u dušik-oksid, NO, propuštanjem uzorka kroz pretvarač prije reakcije iznad primjenjuje se reakcija aktivacije ozona. Reakcija ozona proizvodi broj fotona proporcionalan NO koji je proporcionalan NO2 prije nego što je pretvoren u NO. U slučaju miješanog uzorka koji sadrži i NO i NO2, gornja reakcija daje količinu NO i NO2 kombinovane u uzorku zraka, pod pretpostavkom da je uzorak prolazi kroz pretvarač. Ako se miješani uzorak ne prođe kroz konvertor, reakcija ozona proizvodi aktivirani NO2[] samo proporcionalno NO u uzorku. NO2 u uzorku nije aktiviran reakcijom ozona. Iako je neaktivirani NO2 prisutan sa aktiviranim NO2[], fotone emituju samo aktivirane vrste koje su proporcionalne originalnom NO. Završni korak: Oduzme se NE od (NO + NO2) da se dobije NO2[7]

Infracrvena hemiluminiscencijaUredi

U hemijskoj kinetici, infracrvena hemiluminiscencija (IRCL) odnosi se na emisiju infracrvenih fotona iz vibraciono pobuđenih molekula proizvoda, neposredno nakon njihovog formiranja. Intenzitet infracrvenih emisijskih linija iz vibracijski pobuđenih molekula koristi se za mjerenje populacija vibracijskih stanja molekula proizvoda.[8][9]

Promatranje IRCL-a je kao kinetičku tehniku razvio John Polanyi, koji ju je koristio za proučavanje privlačne ili odbojne prirode površine potencijalne energije za reakcije u plinskoj fazi. Općenito, IRCL je mnogo intenzivniji za reakcije s atraktivnom površinom, što ukazuje da ova vrsta površine dovodi do taloženja energije u vibracijskoj pobudi. Suprotno tome, reakcije sa odbojnom površinom potencijalne energije dovode do malog IRCL-a, što ukazuje da se energija prvenstveno deponuje kao translacijska energija.[10]

Pojačana hemiluminiscencijaUredi

Pojačana hemiluminiscencija (ECL) je uobičajena tehnika za različite testove detekcije u biologiji. Enzim hrenska peroksidaza (HRP) vezan je za antitijelo koje specifično prepoznaje molekule od interesa. Ovaj enzimski kompleks zatim katalizira konverziju poboljšanog hemiluminiscentnog supstrata u senzibilizirani reagens u blizini molekula od interesa, koji na daljoj oksidaciji pomoću vodik-peroksida, proizvodi tripletno (pobuđen) karbonil, koji emituje svjetlost kada se raspadne na singlet karbonil. Poboljšana hemiluminiscencija omogućava detekciju sitnih količina biomolekula. Proteini se mogu otkriti do femtomol količina,[11][12] znatno ispod granice detekcije za većinu sistema za analizu.

AplikacijeUredi

  • Analiza plina: za određivanje malih količina nečistoća ili otrova u zraku. Ovim metodom mogu se odrediti i drugi spojevi (ozon, N-oksidi, S-jedinjenja). Tipski primjer je određivanje NO sa granicama detekcije do 1 ppb. Visokospecijalizirani detektori hemiluminiscencije nedavno su korišteni za određivanje koncentracija kao i fluksova NOx s granicama detekcije od čak 5 ppt.[13][14][15]
  • Analiza neorganskih vrsta u tečnoj fazi
  • Analiza organskih vrsta: korisna sa enzimima, gde supstrat nije direktno uključen u reakciju hemiluminiscencije, ali je proizvod
  • Detekcija i analiza biomolekula u sistemima kao što su ELISA i Western blotovi
  • DNK sekvenciranje korištenjem pirosekvenci
  • Rasvjetni objekti. Hemiluminiscencijski zmajevi,[16] emergency lighting, glow sticks[17] (dekoracije za zabavu).
  • Analiza sagorijevanja: Određene radikalne vrste (kao što su CH* i OH*) emituju zračenje na određenim talasnim dužinama. Brzina oslobađanja toplote izračunava se mjerenjem količine svjetlosti koja zrači iz plamena na tim talasnim dužinama.[18]
  • Dječije igračke.
  • Svjetleći štapići.

Biološke primjeneUredi

Forenzičari su primijenili hemiluminiscenciju za rješavanje zločina. U ovom slučaju koriste luminol i vodik-peroksid. Gvožđe iz krvi deluje kao katalizator i reaguje sa luminolom i vodik-peroksidom i proizvodi plavo svetlo u trajanju od oko 30 sekundi. Budući da je za hemiluminiscenciju potrebna samo mala količina gvožđa, dovoljne su količine krvi u tragovima.

U biomedicinskim istraživanjima, protein koji svjetlacima daje njihov sjaj i njegov kofaktor, luciferin, koriste se za proizvodnju crvene svjetlosti kroz potrošnju ATP-a. Ova reakcija koristi se u mnogim aplikacijama, uključujući efikasnost lijekova protiv raka koji guše dotok krvi tumora. Ovaj oblik bioluminiscencije snimanja omogućava da jeftino testiranje lijekova u pretkliničkim fazama. Drugi protein, ekvorin, koji se nalazi u određenim meduzama, proizvodi plavo svjetlo u prisustvu [[kalcij]a. Može se koristiti u molekulskoj biologiji za procjenu nivoa kalcija u ćelijama. Ono što je zajedničko ovim biološkim reakcijama je njihova upotreba adenozin-trifosfata (ATP) kao izvora energije. Iako je struktura molekula koje proizvode luminescenciju različita za svaku vrstu, oni su dobili generički naziv luciferin. Luciferin svjetlaca može se oksidirati kako bi se dobio pobuđeni kompleks. Jednom kada se vrati u osnovno stanje, oslobađa se foton. Vrlo je slična reakciji s luminolom.

 

Mnogi organizmi su evoluirali da proizvode svjetlost u nizu boja. Na molekulskom nivou, razlika u boji proizlazi iz stepena konjugacije molekula, kada elektron padne iz pobuđenog u osnovno stanje. Dubokomorski organizmi su evoluirali da proizvode svjetlost kako bi namamili i uhvatili plijen, kao kamuflažu ili privukli druge. Neke bakterije čak koriste bioluminiscenciju za komunikaciju. Uobičajene boje za svjetlost koju emituju ove životinje su plava i zelena, jer imaju kraću talasnu dužinu od crvene i lakše se prenose u vodi.

U aprilu 2020., istraživači su izvijestili da su genetički modificirane biljke sjajile mnogo svjetlije nego što je ranije bilo moguće umetanjem gena bioluminiscentne gljive vrste Neonothopanus nambi . Sjaj je samoodrživ, djeluje tako što pretvara biljnu kafeinsku kiselinu u luciferin i, za razliku od ranije korištenih gena za bioluminiscenciju bakterija, ima relativno visok izlaz svjetlosti koji je vidljiv golim okom.[19][20][21][22]

Hemiluminiscencija se razlikuje od fluorescencije. Stoga primjena fluorescentnih proteina kao što je zeleni fluorescentni protein nije biološka primjena hemiluminiscencije.

Također pogledajteUredi

ReferenceUredi

  1. ^ Vacher, Morgane; Fdez. Galván, Ignacio; Ding, Bo-Wen; Schramm, Stefan; Berraud-Pache, Romain; Naumov, Panče; Ferré, Nicolas; Liu, Ya-Jun; Navizet, Isabelle; Roca-Sanjuán, Daniel; Baader, Wilhelm J.; Lindh, Roland (March 2018). "Chemi- and Bioluminescence of Cyclic Peroxides". Chemical Reviews. 118 (15): 6927–6974. doi:10.1021/acs.chemrev.7b00649. PMID 29493234.
  2. ^ Radziszewski, B. R. (1877). "Untersuchungen über Hydrobenzamid, Amarin und Lophin". Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft (jezik: njemački). 10 (1): 70–75. doi:10.1002/cber.18770100122.
  3. ^ Shah, Syed Niaz Ali; Lin, Jin-Ming (2017). "Recent advances in chemiluminescence based on carbonaceous dots". Advances in Colloid and Interface Science. 241: 24–36. doi:10.1016/j.cis.2017.01.003. PMID 28139217.
  4. ^ "Luminol chemistry laboratory demonstration". Pristupljeno 2006-03-29.
  5. ^ "Investigating luminol" (PDF). Salters Advanced Chemistry. Arhivirano s originala (PDF), September 20, 2004. Pristupljeno 2006-03-29.
  6. ^ Rauhut, Michael M. (1985), Chemiluminescence. In Grayson, Martin (Ed) (1985). Kirk-Othmer Concise Encyclopedia of Chemical Technology (3rd ed), pp 247 John Wiley and Sons. ISBN 0-471-51700-3
  7. ^ Air Zoom | Glowing with Pride Archived 2014-06-12 na Wayback Machine. Fannation.com. Retrieved on 2011-11-22.
  8. ^ Atkins P. and de Paula J. Physical Chemistry (8th ed., W.H.Freeman 2006) p.886 ISBN 0-7167-8759-8
  9. ^ Steinfeld J.I., Francisco J.S. and Hase W.L. Chemical Kinetics and Dynamics (2nd ed., Prentice-Hall 1998) p.263 ISBN 0-13-737123-3
  10. ^ Atkins P. and de Paula J. p.889-890
  11. ^ Enhanced CL review. Biocompare.com (2007-06-04). Retrieved on 2011-11-22.
  12. ^ High Intensity HRP-Chemiluminescence ELISA Substrate Archived 2016-04-08 na Wayback Machine. Haemoscan.com (2016-02-11). Retrieved on 2016-03-29.
  13. ^ "ECOPHYSICS CLD790SR2 NO/NO2 analyser" (PDF). Arhivirano s originala (PDF), 2016-03-04. Pristupljeno 2015-04-30.
  14. ^ Stella, P., Kortner, M., Ammann, C., Foken, T., Meixner, F. X., and Trebs, I.: Measurements of nitrogen oxides and ozone fluxes by eddy covariance at a meadow: evidence for an internal leaf resistance to NO2, Biogeosciences, 10, 5997-6017, doi:10.5194/bg-10-5997-2013, 2013.
  15. ^ Tsokankunku, Anywhere: Fluxes of the NO-O3-NO2 triad above a spruce forest canopy in south-eastern Germany. Bayreuth, 2014 . - XII, 184 P. ( Doctoral thesis, 2014, University of Bayreuth, Faculty of Biology, Chemistry and Earth Sciences) [1]
  16. ^ Kinn, John J "Chemiluminescent kite" U.S. Patent 4.715.564issued 12/29/1987
  17. ^ Kuntzleman, Thomas Scott; Rohrer, Kristen; Schultz, Emeric (2012-06-12). "The Chemistry of Lightsticks: Demonstrations To Illustrate Chemical Processes". Journal of Chemical Education. 89 (7): 910–916. Bibcode:2012JChEd..89..910K. doi:10.1021/ed200328d. ISSN 0021-9584.
  18. ^ Chemiluminescence as a Combustion Diagnostic Archived 2011-03-02 na Wayback Machine Venkata Nori and Jerry Seitzman - AIAA - 2008
  19. ^ "Sustainable light achieved in living plants". phys.org (jezik: engleski). Pristupljeno 18 May 2020.
  20. ^ "Scientists use mushroom DNA to produce permanently-glowing plants". New Atlas. 28 April 2020. Pristupljeno 18 May 2020.
  21. ^ "Scientists create glowing plants using mushroom genes". the Guardian (jezik: engleski). 27 April 2020. Pristupljeno 18 May 2020.
  22. ^ 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 (jezik: engleski). 38 (8): 944–946. doi:10.1038/s41587-020-0500-9. ISSN 1546-1696. PMC 7610436. PMID 32341562. S2CID 216559981.

Vanjski linkoviUredi

Šablon:Izvori vještačke svjetlosti