Kemiluminiscenca (kemoluminiscenca) — definicija, mehanizem in primeri

Kemiluminiscenca: mehanizem, primeri in bioluminiscenca — kako kemične reakcije proizvajajo svetlobo.

Avtor: Leandro Alegsa

Kemiluminiscenca (ali kemoluminiscenca) je vrsta luminiscence. Gre za proces, pri katerem svetloba nastane s kemično reakcijo. Kemiluminiscenca v bioloških sistemih se imenuje bioluminiscenca.

Svetloba pri kemiluminiscenci ni neposredno povezana s toploto. Preprost dvostopenjski primer reakcije A in B, pri kateri nastanejo C, D in svetloba.

[A] + [B] → [C*] + [D]

[C*] → [C] + Svetloba

C* je vzbujeno stanje C.

Ta reakcija je preprostejša od večine kemiluminiscenčnih reakcij. Vzbujeno stanje nastane, ko energija kemijske reakcije elektrone potisne v višjo orbito. Vzbujeno stanje je manj stabilno kot osnovno stanje. Elektroni v vzbujenem stanju padejo v osnovno stanje (z nižjo energijo) in oddajajo svetlobo.

Količina izmerljive svetlobe se imenuje sevalna jakost: ICL (oddani fotoni na sekundo).

Mehanizem kemiluminiscence — razčlenitev korakov

Osnovni mehanizem lahko razdelimo na več pomembnih faz:

  • Kemijska sinteza vzbujenega stanja: v prvi fazi poteka reakcija (oksidacija ali razgradnja), pri kateri nastane molekula v vzbujenem elektronskem stanju (C* v zgornjem primeru).
  • Relaxacija z izsevanjem: vzbujena molekula se vrne v osnovno stanje in pri tem odda foton — to je opazna svetloba.
  • Konkurenca procesov: del energije se lahko izgubi tudi z ne-žariščnimi procesi (notranja konverzija, infrardeče oddajanje ali kolizije), kar zmanjša svetlobni izkoristek.

Vrste in značilnosti

  • Bioluminiscenca: kemiluminiscenca v živih organizmih — primer so svetleči hrošči (ognjeni hrošči), nekatere morske ribe in meduze. Tukaj sodelujejo specifični substrati (npr. luciferin) in encimi (npr. luciferaza).
  • Analitska kemiluminiscenca: v laboratorijih se kemiluminiscenca uporablja za občutne detekcije v diagnostiki (kemiluminiscenčni imunoeseji), biokemiji in forenziki.
  • Potrošniški primeri: osvetljene paličice (glow sticks) uporabljajo peroksidno/oksalatne sisteme in barvne fluorescenčne barve za daljše trajanje svetlobe.

Primeri reakcij in aplikacije

  • Luminol: klasičen primer v forenziki — v prisotnosti oksidanta in katalizatorja (npr. železove soli iz krvi) luminol odda modrikasto svetlobo in se uporablja za odkrivanje sledov krvi.
  • Luciferin–luciferaza: bioluminiscentni sistem v žuželkah in nekaterih organizmih; zelo specifičen in učinkovit mehanizem, ki se uporablja tudi v molekularnih bioloških poskusih kot reporter za spremljanje izražanja genov.
  • Peroxyoxalate: kemični sistem, uporabljen v svetlobnih paličkah; reakcija oksidata z oksalatom tvori energije bogato vmesno spojino, ki prenese energijo fluorescenčnemu barvilu, ki nato seva vidno svetlobo.
  • Kemiluminiscenčni imunooji: zelo občutne analize za merjenje hormonov, protiteles ali drugih molekul v klinični diagnostiki (CLIA).

Merjenje in učinkovitost

Pomembni parametri so:

  • Sevalna jakost (ICL): število oddanih fotonov na sekundo; višje število pomeni močnejšo opazno svetlobo.
  • Kvantilna učinkovitost (kvantni izkoristek): razmerje med številom izsevanih fotonov in številom nastalih vzbujenih dogodkov. Odraža, koliko energije reakcije dejansko preide v vidno/sevalno svetlobo.
  • Trajanje in kinetika: nekateri sistemi sevajo kratko in intenzivno, drugi dalj časa z nižjo intenziteto — to vpliva na izbor metode za aplikacijo.

Dejavniki, ki vplivajo na kemiluminiscenco

  • Topilo in pH: polarnost topila in kislinsko-bazično okolje lahko bistveno spreminjata hitrost reakcije in svetilnost.
  • Katalizatorji in encimi: prisotnost kovinskih ionov ali encimov (npr. peroksidaze) lahko pospeši oksidacijo in poveča intenziteto svetlobe.
  • Temperatura: viša temperatura običajno pospeši reakcijo, hkrati pa poveča tudi ne-žariščne izgube energije.
  • Prisotnost dodatnih barvil ali senzorjev: v peroxyoxalate sistemih se energija prenese na barvilo, ki spremeni valovno dolžino izsevanega svetlobnega signala.

Uporaba v forenziki in analitiki

Kemiluminiscenca je zelo uporabna zaradi visoke občutljivosti in nizkega ozadja (manj motenj od toplotnega sevanja). Pogoste uporabe vključujejo:

  • odkrivanje sledov krvi z luminolom,
  • kemiluminiscenčne imunodiagnostične teste za klinične parametre,
  • bioluminiscenčne reporterje v molekularnih študijah (npr. merjenje aktivnosti promoterjev ali celic-viva).

Razlike med kemiluminiscenco in sorodnimi pojavi

  • Fotoluminiscenca (fluorescenca/fosforescenca): pri fotoluminiscenci je vir vzbujanja foton (svetloba), pri kemiluminiscenci pa energijo zagotavlja kemijska reakcija.
  • Elektrokemiluminiscenca (ECL): elektromotorna izvedba, kjer se vzbujena stanja ustvarijo z elektrokemijskimi procesi — uporablja se v nekaterih sofisticiranih analizah.

Varnost in okoljski vidiki

Večina kemiluminiscenčnih eksperimentov je varna, vendar je treba upoštevati standardne kemijske varnostne ukrepe — pravilno ravnanje z oksidanti, topili in toksinimi katalizatorji. Pri potrošniških izdelkih (glow sticks) se izogibajte stiku z očmi in neposrednemu uživanju vsebine. Nekateri kemični produkte je treba odlagati po smernicah za nevarne odpadke.

Povzetek

Kemiluminiscenca je proces pretvorbe kemijske energije neposredno v svetlobo brez posredne toplotne emisije. Ker omogoča zelo občutljivo zaznavanje in širok nabor praktičnih aplikacij — od forenzike do biomedicinskih testov — ostaja pomembno orodje v znanosti in tehnologiji. Razumevanje osnovnega mehanizma, dejavnikov, ki vplivajo na izkoristek, in primerov uporabe pomaga izbrati ustrezen kemiluminiscenčni sistem za določeno nalogo.

Kemoluminiscenčna reakcija v Erlenmeyerjevi bučki proizvede veliko količino svetlobeZoom
Kemoluminiscenčna reakcija v Erlenmeyerjevi bučki proizvede veliko količino svetlobe

Analitične aplikacije

Naprava za merjenje svetlobe je preprosta. Potrebuje nekaj, v kar se lahko namesti vzorec, in fotopomnoževalno cevko. Pri kemijskih meritvah se lahko uporablja na tri načine.

  1. včasih iskani izdelek v reakciji z drugo spojino povzroči svetlobo,
  2. pri drugi vrsti se količina proizvedene svetlobe zmanjša, ko se doda želeni izdelek,
  3. včasih želeni produkt, ki se doda kemiluminiscenčni reakciji, povzroči več svetlobe (katalitična reakcija).

Analiza plinov

Metoda meri majhne količine onesnaževal v zraku. Običajna metoda meri količino dušikovega monoksida z reakcijo z ozonom. Svetloba, ki se uporablja, ima valovno dolžino od 600 do 2800 nm.

Analiza tekočin

Luminol je najbolj znana vrsta spojine, ki se uporablja za kemiluminiscenco v tekočinah.

Analiza celičnih organelov

Ca2+ (kalcij) v različnih delih celic, na primer v mitohondrijih, lahko povzroči svetlobo, ko reagira z beljakovino iz meduze, imenovano aequorin. Dušikov oksid (NO) je v celicah in je način, kako se celice pogovarjajo med seboj; to lahko izmerimo s spojino luminol.

Drugi primeri

  • Primer kemiluminiscenčnih molekul v naravi je luciferin svetlika.
  • Ta postopek se uporablja za izdelavo svetlečih palic.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je kemiluminiscenca?


O: Kemiluminiscenca je vrsta luminiscence, ki vključuje ustvarjanje svetlobe s kemično reakcijo.

V: Kaj je bioluminiscenca?


O: Bioluminiscenca se nanaša na kemiluminiscenco, ki se pojavlja v bioloških sistemih.

V: Ali je svetloba, ki nastane pri kemiluminiscenci, povezana s toploto?


O: Ne, svetloba, ki nastane pri kemiluminiscenci, ni povezana s toploto.

V: Ali lahko navedete primer kemiluminiscenčne reakcije?


O: Preprost primer kemiluminiscenčne reakcije je reakcija med A in B, pri kateri nastanejo C, D in svetloba.

V: Kaj je C* v kemiluminiscenčni reakciji?


O: C* je vzbujeno stanje C, ki nastane, ko energija kemijske reakcije elektrone potisne v višjo orbito.

V: Kako vzbujeno stanje C oddaja svetlobo?


O: Vzbujeno stanje je manj stabilno kot osnovno stanje, zato elektroni v vzbujenem stanju padejo v osnovno stanje in oddajajo svetlobo.

V: Kaj je intenzivnost sevanja?


O: Sevalna intenzivnost je količina merljive svetlobe, ki nastane pri kemiluminiscenčni reakciji, izražena kot ICL (emitirani fotoni na sekundo).


Iskati
AlegsaOnline.com - 2020 / 2025 - License CC3