Хемилуминесценция — как химичните реакции създават светлина

Открийте как хемилуминесценцията превръща химични реакции в светлина — механизъм, биолуминесценция, примери и приложения. Научете повече!

Хемилуминисценцията (или хемолуминесценността) е вид луминесценция. Това е процес на получаване на светлина в резултат на химична реакция. Хемилуминесценцията в биологичните системи се нарича биолуминесценция. За разлика от термичното излъчване (например при нагряване), при хемилуминесценцията отделяната светлина не е пряко свързана с голямо количество топлина и често протича при ниски температури.

Примерно механистично описание на проста двустепенна реакция, при която се образуват B, D и светлина, може да се даде така:

[A] + [B] → [C*] + [D]

[C*] → [C] + Светлина

C* е възбудено състояние на C.

Как възниква светлината

В много реакции възбуденото състояние се получава, когато електроните в молекулите се изтласкват на по-висока орбита от енергията, освободена при химичната трансформация. Това възбудено състояние (C*) е по-малко стабилно от основното състояние, затова електроните бързо „падат“ обратно в по-ниско енергийно състояние и излъчват фотон — видима или ултравиолетова/инфрачервена светлина. В много случаи преходът е специфичен за дадена молекула и определя дължината на вълната (цвят) на излъчваната светлина.

Често срещани примери

• Люминол — класически реагент за детекция на кръв при съдебна медицина: при окисление (напр. с водороден прекис) и в присъствието на катализатор (желязо в хемоглобина) се появява синьо светещ ефект.
• Луциферин–луцифераза — системата при светулки и други организми: ензим (луцифераза) катализира окислението на луциферин, при което се отделя светлина. Това е пример за биолуминесценция.
• Химикали в светлинните пръчици (glow sticks) — пероксидна реакция с пероксикарбонат (пероксидофосфатни смеси) в комбинация с флуорофор дава видима цветна светлина без външен източник на енергия.

Фактори, които влияят върху интензивността и цвета

Няколко общи фактора определят количеството и спектъра на излъчената светлина:

• Структурата на реагиращите молекули и наличието на специфични донори/акцептори на електрони;
• Кинетиката на реакцията — скоростта на образуване и разпадане на възбудените междинни продукти;
• Температура и рН — често променят ефективността и профила на реакцията;
• Разтворител и среда — полярност, наличие на кислород или други примеси може да гасят или да усилваем светене;
• Катализатори или ензими — при биологични системи ензими значително увеличават ефективността.

Ефективност и измерване

Ефективността на процеса се оценява чрез квантов добив (броя на излъчените фотони спрямо броя на преобразуваните молекули). Количеството измерима светлина се нарича интензитет на излъчване: _ICL (излъчени фотони за секунда). На практика се използват различни детектори:

• Фотомултипликатори (PMT) — много чувствителни към единични фотони;
• Луминометри — специализирани прибори за количествено измерване на хемилуминесценция в проби;
• CCD и CMOS камери — за пространствено и времево наблюдение (напр. при биолуминесцентни образи на клетки или организми).

Приложения

Хемилуминесценцията има широк спектър от приложения в наука и техника:

• Медицински и биологични анализи — чувствителни имуноензимни и други тестове (например ECL и хемилуминесцентни имуносорбентни тестове);
• Съдебна медицина — откриване на следи от кръв чрез люминолови реакции;
• Екологичен мониторинг — детекция на определени замърсители с помощта на биосензори;
• Научни изследвания — проследяване на клетъчни процеси, проследяване на реакционна кинетика и механизми;
• Комерсиални приложения — светлинни елементи за развлечения (светещи пръчици), индикатори за солно-кислородни процеси и др.

Сравнение с флуоресценцията и фосфоресценцията

Хемилуминесценцията се различава от флуоресценцията и фосфоресценцията по това, че енергията за възбуждане произлиза от химична реакция, а не от външен фотонен източник. При флуоресценцията възбуждането става чрез абсорбция на светлина; при фосфоресценцията възбудените състояния са с различна спиново-квантова природа и често имат дълги времена на живот.

Хемилуминесцентните методи са често предпочитани за висока чувствителност и нисък фон, тъй като липсата на външно осветление намалява фоновия сигнал.

В заключение, хемилуминесценцията е универсален и мощен инструмент както в природните, така и в приложните науки — от изучаване на биологични процеси до практически детекции в лабораторна и полева среда.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява химилуминисценцията?

В: Какво представлява биолуминесценцията?

Въпрос: Светлината, която се получава при хемилуминесценцията, свързана ли е с топлина?

В: Можете ли да дадете пример за химилуминисцентна реакция?

В: Какво е С* в химилуминисцентната реакция?

В: Как възбуденото състояние на С излъчва светлина?

В: Какво е интензитет на излъчване?

Търсене по буква