Хемилюминесценция - Chemiluminescence

Не путать с Флуоресценция.

Хемолюминесцентная реакция в колба Эрленмейера

Хемилюминесценция (также хемолюминесценция) - это излучение света (свечение ), в результате химической реакции. Также может быть ограниченное выделение тепла. Данный реагенты А и B, с возбужденным средний ◊,

[А] + [B] → [◊] → [Товары] + свет

Например, если [A] равно люминол и [B] - это пероксид водорода при наличии подходящего катализатора имеем:

куда:

  • 3-APA - это 3-аминофталат
  • 3-АПА [◊] это вибронный возбужденное состояние флуоресцирует, когда оно распадается на более низкий энергетический уровень.

Общее описание

Распад этого возбужденного состояния [◊] на более низкий уровень энергии вызывает излучение света.[1] Теоретически один фотон света должно испускаться для каждой молекулы реагент. Это эквивалентно Число Авогадро фотонов на моль реагента. На практике неферментативные реакции редко превышают 1% QC, квантовая эффективность.

В химическая реакция, реагенты сталкиваются с образованием переходное состояние, то энтальпийный максимум на диаграмме координат реакции, идущей 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 возбуждения в колебательное состояние нормальных режимов работы продукта. Поскольку энергия колебаний обычно намного больше, чем тепловое перемешивание, она быстро рассеивается в растворителе за счет вращения молекул. Вот как экзотермический реакции делают их растворы более горячими. В хемилюминесцентной реакции прямым продуктом реакции является возбужденный электронное состояние. Затем это состояние распадается на электронный основное состояние и излучает свет через разрешенный переход (аналогично флуоресценция ) или запрещенный переход (аналог фосфоресценция ), частично в зависимости от состояние вращения электронного возбужденного состояния.

Хемилюминесценция отличается от флуоресценция или же фосфоресценция в том, что электронное возбужденное состояние является продуктом химической реакции, а не поглощение фотона. Это антитеза фотохимический реакция, в которой свет используется для запуска эндотермической химической реакции. Здесь свет генерируется от химически экзотермической реакции. Хемилюминесценция также может быть вызвана электрохимическим стимулом, в этом случае это называется электрохемилюминесценция.

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

Стандартным примером хемилюминесценции в лабораторных условиях является люминол тест. Здесь, кровь обозначается свечение при контакте с утюг в гемоглобин. Когда в живых организмах происходит хемилюминесценция, это явление называется биолюминесценция. А светящийся жезл излучает свет за счет хемилюминесценции.

Жидкофазные реакции

Хемилюминесценция в водной системе в основном вызвана окислительно-восстановительными реакциями.[2]

Хемилюминесценция после реакции пероксид водорода и люминол

Газофазные реакции

Зеленый и синий светящиеся палочки
  • Одна из старейших известных хемилюминесцентных реакций - это реакция элементарного белого фосфор окисление во влажном воздухе с зеленым свечением. Это газофазная реакция пара фосфора над твердым телом с кислородом, создающим возбужденные состояния (PO).2 и HPO.[5]
  • Другая газофазная реакция лежит в основе оксид азота обнаружение в коммерческих аналитических приборах, применяемых для проверки качества воздуха в окружающей среде. Озон сочетается с оксид азота формировать диоксид азота в активированном состоянии.
НЕТ + О3 → НЕТ2[◊] + O2
Активированный NO2[◊] излучает широкополосный видимый для инфракрасного света свет, возвращаясь в более низкое энергетическое состояние. А фотоумножитель и соответствующая электроника считает фотоны, которые пропорциональны количеству присутствующего NO. Для определения количества диоксид азота, НЕТ2в образце (не содержащем NO) его необходимо сначала преобразовать в оксид азота, NO, пропуская образец через конвертер, прежде чем будет применена вышеуказанная реакция активации озоном. Реакция озона производит количество фотонов, пропорциональное NO, которое пропорционально NO.2 до того, как он был преобразован в NO. В случае смешанного образца, содержащего как NO, так и NO2, вышеуказанная реакция дает количество NO и NO2 смешивают с пробой воздуха, предполагая, что проба проходит через конвертер. Если смешанный образец не проходит через конвертер, в результате реакции озона образуется активированный NO.2[◊] только пропорционально NO в образце. Нет2 в образце не активируется озоновой реакцией. Хотя неактивировано НЕТ2 присутствует при активированном NO2[◊], фотоны испускаются только активированными частицами, что пропорционально исходному NO. Последний шаг: вычтите НЕТ из (НЕТ + НЕТ2), чтобы получить NO2[6]

Инфракрасная хемилюминесценция

В химическая кинетика, инфракрасная хемилюминесценция (IRCL) относится к испусканию 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.[7][8]

Наблюдение IRCL было разработано как кинетический метод Джон Полани, который использовал его для изучения привлекательная или отталкивающая природа из поверхность потенциальной энергии для газофазных реакций. В целом IRCL намного 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.[9]

Повышенная хемилюминесценция

Усиленная хемилюминесценция - распространенный метод для множества анализов обнаружения в биологии. А пероксидаза хрена Фермент (HRP) связан с антителом, которое специфически распознает интересующую молекулу. Затем этот ферментный комплекс катализирует превращение усиленного хемилюминесцентного субстрата в сенсибилизированный реагент вблизи интересующей молекулы, которая в дальнейшем окисление к пероксид водорода, производит триплет (возбужден) карбонил, который излучает свет при распаде на синглетный карбонил. Усиленная хемилюминесценция позволяет обнаруживать мельчайшие количества биомолекул. Белки могут быть обнаружены вплоть до фемтомолей,[10][11] значительно ниже предела обнаружения для большинства систем анализа.

Приложения

  • Анализ газов: для определения небольших количеств примесей или ядов в воздухе. Другие соединения также могут быть определены этим методом (озон, N-оксиды, S-соединения). Типичный пример - определение NO с пределами обнаружения до 1 ppb. В последнее время высокоспециализированные хемилюминесцентные детекторы используются для определения концентраций, а также потоков NOx с пределом обнаружения всего 5 ppt.[12][13][14]
  • Анализ неорганических веществ в жидкой фазе
  • Анализ органических видов: полезно с ферменты, где субстрат не принимает непосредственного участия в реакции хемилюминесценции, но продукт
  • Обнаружение и анализ биомолекул в таких системах, как ELISA и Вестерн-блоттинг
  • Секвенирование ДНК с помощью пиросеквенирование
  • Освещение объектов. Хемилюминесцентные воздушные змеи,[15] аварийное освещение, светящиеся палочки[16] (праздничные 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.[17]
  • Детские игрушки.
  • Светящиеся палочки.

Биологические приложения

Хемилюминесценция применялась судебно-медицинские эксперты раскрывать преступления. 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, который дает светлячки их свечение и его сопутствующий фактор, люциферин, используются для получения красного света за счет потребления АТФ. Эта реакция используется во многих приложениях, включая эффективность противораковых препаратов, которые перекрывают кровоснабжение опухоли.[нужна цитата ]. Эта форма биолюминесценция Визуализация позволяет ученым дешево тестировать лекарства на доклинических стадиях. экуорин, обнаруженный в некоторых медузах, излучает синий свет в присутствии кальция. Его можно использовать в молекулярной биологии для оценки уровня кальция в клетках. Что общего у этих биологических реакций, так это то, что они используют аденозинтрифосфат (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 генно-инженерный растения будут светиться намного ярче, чем это было возможно ранее, за счет внедрения генов биолюминесцентный гриб Neonothopanus nambi. Свечение является самоподдерживающимся, работает за счет преобразования растений. кофейная кислота в люциферин и, в отличие от ранее использовавшихся генов бактериальной биолюминесценции, имеет относительно высокий световой поток, видимый невооруженным глазом.[18][19][20][21]

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

Смотрите также

Рекомендации

  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. Дои:10.1021 / acs.chemrev.7b00649. PMID  29493234.
  2. ^ Шах, Сайед Ниаз Али; Линь, Цзинь-Мин (2017). «Последние достижения в области хемилюминесценции на основе углеродистых точек». Достижения в области коллоидов и интерфейсной науки. 241: 24–36. Дои:10.1016 / j.cis.2017.01.003. PMID  28139217.
  3. ^ «Демонстрация лаборатории химии люминола». Получено 2006-03-29.
  4. ^ «Исследование люминола» (PDF). Продвинутая химия Солтерса. Архивировано из оригинал (PDF) 20 сентября 2004 г.. Получено 2006-03-29.
  5. ^ Раухут, Майкл М. (1985), Хемилюминесценция. В Грейсоне, Мартин (Эд) (1985). Кирк-Отмер Краткая энциклопедия химической технологии (3-е изд), стр. 247 John Wiley and Sons. ISBN  0-471-51700-3
  6. ^ Air Zoom | Сияние гордости В архиве 2014-06-12 в Wayback Machine. Fannation.com. Проверено 22 ноября 2011.
  7. ^ Аткинс П. и де Паула Дж. Физическая химия (8-е изд., У. Х. Фриман, 2006) с.886 ISBN  0-7167-8759-8
  8. ^ Стейнфельд Дж. И., Франсиско Дж. С. и Hase W.L. Химическая кинетика и динамика (2-е изд., Prentice-Hall 1998) с.263. ISBN  0-13-737123-3
  9. ^ Аткинс П. и де Паула Дж. Стр.889-890
  10. ^ Расширенный обзор CL. Biocompare.com (04.06.2007). Проверено 22 ноября 2011.
  11. ^ Субстрат для высокоинтенсивного HRP-хемилюминесценции для ELISA В архиве 2016-04-08 в Wayback Machine. Haemoscan.com (11 февраля 2016 г.). Проверено 29 марта 2016.
  12. ^ "ECOPHYSICS CLD790SR2 Анализатор NO / NO2" (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2016-03-04. Получено 2015-04-30.
  13. ^ 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: свидетельства внутренней устойчивости листьев к NO2, Biogeosciences, 10, 5997-6017, Дои:10.5194 / bg-10-5997-2013, 2013.
  14. ^ Tsokankunku, Anywhere: Потоки триады NO-O3-NO2 над пологом елового леса на юго-востоке Германии. Байройт, 2014. - XII, 184 P. (Докторская диссертация, 2014, Байройтский университет, факультет биологии, химии и наук о Земле) [1]
  15. ^ Кинн, Джон Дж. "Хемилюминесцентный змей" Патент США 4715564 выдан 29.12.1987
  16. ^ 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. Дои:10.1021 / ed200328d. ISSN  0021-9584.
  17. ^ Хемилюминесценция как диагностика горения В архиве 2011-03-02 в Wayback Machine Венката Нори и Джерри Зейтцман - AIAA - 2008
  18. ^ «Устойчивый свет, достигнутый в живых растениях». Phys.org. Получено 18 мая 2020.
  19. ^ «Ученые используют ДНК грибов для создания постоянно светящихся растений». Новый Атлас. 28 апреля 2020 г.. Получено 18 мая 2020.
  20. ^ «Ученые создают светящиеся растения, используя гены грибов». хранитель. 27 апреля 2020 г.. Получено 18 мая 2020.
  21. ^ 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. Дои:10.1038 / s41587-020-0500-9. ISSN  1546-1696. PMID  32341562. S2CID  216559981. Получено 18 мая 2020.