Χημειοφωταύγεια

Η χημειοφωταύγεια (Chemiluminescence ή chemoluminescence) είναι η εκπομπή φωτός (φωταύγεια) ως αποτέλεσμα μιας χημικής αντίδρασης, δηλαδή μια χημική αντίδραση έχει ως αποτέλεσμα μια αναλαμπή ή λάμψη φωτός. Ένα τυπικό παράδειγμα χημειοφωταύγειας σε εργαστηριακό περιβάλλον είναι η δοκιμή λουμινόλης. Εδώ, αίμα υποδεικνύεται από φωταύγεια κατά την επαφή με σίδηρο στην αιμοσφαιρίνη. Όταν η χημειοφωταύγεια λαμβάνει χώρα σε ζωντανούς οργανισμούς, το φαινόμενο ονομάζεται βιοφωταύγεια. Μία ράβδος χημικού φωτός εκπέμπει φως μέσω χημειοφωταύγειας.

 Φυσική περιγραφή 
Όπως σε πολλές χημικές αντιδράσεις, η χημειοφωταύγεια ξεκινά με τον συνδυασμό δύο ενώσεων, ας πούμε Α και Β, για να δώσει ένα προϊόν C. Σε αντίθεση με τις περισσότερες χημικές αντιδράσεις, το προϊόν C μετατρέπεται σε ένα περαιτέρω προϊόν, το οποίο παράγεται σε ηλεκτρονικά διεγερμένη κατάσταση που συχνά υποδεικνύεται με αστερίσκο:
 A + B  →  C
 C →  D*
Το D* εκπέμπει στη συνέχεια ένα φωτόνιο (hν), για να δώσει την θεμελιώδη κατάσταση του D: 
 D*  →  D  +  hν
Θεωρητικά, ένα φωτόνιο φωτός θα πρέπει να εκπέμπεται για κάθε μόριο του αντιδρώντος. Στην πράξη, η απόδοση ("κβαντική απόδοση") είναι συχνά χαμηλή λόγω παράπλευρων αντιδράσεων.

Παραδείγματος χάρη, το Α θα μπορούσε να είναι λουμινόλη και το Β θα μπορούσε να είναι υπεροξείδιο του υδρογόνου. Το D θα ήταν 3-APA (3-αμινοφθαλικό).

Η χημειοφωταύγεια διαφέρει από τον φθορισμό ή τον φωσφορισμό στο ότι η ηλεκτρονική διεγερμένη κατάσταση είναι το προϊόν μιας χημικής αντίδρασης και όχι της απορρόφησης ενός φωτονίου. Είναι το αντίθετο μιας φωτοχημικής αντίδρασης, στην οποία το φως χρησιμοποιείται για να προκαλέσει μια ενδόθερμη χημική αντίδραση. Εδώ, το φως παράγεται από μια χημικά εξώθερμη αντίδραση. Η χημειοφωταύγεια μπορεί επίσης να προκληθεί από ένα ηλεκτροχημικό ερέθισμα, σε αυτήν την περίπτωση ονομάζεται ηλεκτροχημειοφωταύγεια (electrochemiluminescence).


 Αντιδράσεις υγρής φάσης 
Η χημειοφωταύγεια παρατηρήθηκε για πρώτη φορά με λοφίνη (τριφαινυλιμιδαζόλη). Όταν βρίσκεται σε βασικό διάλυμα, αυτή η ένωση μετατρέπεται στο ιμιδαζολικό άλας, το οποίο αντιδρά με το οξυγόνο και τελικά δίνει ένα διοξετάνιο. Ο θρυμματισμός του διοξετανίου δίνει τη διεγερμένη κατάσταση ενός ανιονικού διαμιδίου.


Η χημειοφωταύγεια στο υδατικό σύστημα προκαλείται κυρίως από οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις.
 Η λουμινόλη σε αλκαλικό διάλυμα με υπεροξείδιο του υδρογόνου παρουσία σιδήρου ή χαλκού, ή ενός βοηθητικού οξειδωτικού σώματος, παράγει 3-αμινοφθαλικό σε διεγερμένη κατάσταση, το οποίο εμφανίζει χημειοφωταύγεια. Η αντίδραση λουμινόλης είναι

 +  → 3-APA[◇] → 3-APA +φως

 Αντιδράσεις αέριας φάσης 
 Μία από τις παλαιότερες γνωστές αντιδράσεις χημειοφωταύγειας είναι αυτή της οξείδωσης του στοιχειακού λευκού φωσφόρου σε υγρό αέρα, παράγοντας μια πράσινη λάμψη. Πρόκειται για μια αντίδραση αέριας φάσης ατμών φωσφόρου, πάνω από το στερεό, με οξυγόνο να παράγει διεγερμένες καταστάσεις  και HPO.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. 
 Μια άλλη αντίδραση αέριας φάσης αποτελεί τη βάση της ανίχνευσης του μονοξειδίου του αζώτου σε εμπορικά αναλυτικά όργανα που εφαρμόζονται σε δοκιμές ποιότητας του αέρα στο περιβάλλον. Το όζον () συνδυάζεται με μονοξείδιο του αζώτου (NO) για να σχηματίσει διοξείδιο του αζώτου () σε ενεργοποιημένη κατάσταση [◊]:

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

 Το ενεργοποιημένο  φωταυγάζει σε ευρεία περιοχή, ορατό στο υπέρυθρο φως, καθώς επιστρέφει σε χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση. Ένας φωτοπολλαπλασιαστής (photomultiplier) και τα σχετικά ηλεκτρονικά μετρούν τα φωτόνια που είναι ανάλογα με την ποσότητα του υπάρχοντος NO. Για να προσδιοριστεί η ποσότητα του διοξειδίου του αζώτου, , σε ένα δείγμα (που δεν περιέχει NO), πρέπει πρώτα να μετατραπεί σε μονοξείδιο του αζώτου, NO, περνώντας το δείγμα μέσω ενός μετατροπέα πριν εφαρμοστεί η παραπάνω αντίδραση ενεργοποίησης του όζοντος. Η αντίδραση του όζοντος παράγει έναν αριθμό φωτονίων ανάλογο με το NO, ο οποίος είναι ανάλογος με το  πριν μετατραπεί σε NO. Στην περίπτωση ενός μεικτού δείγματος που περιέχει τόσο NO όσο και , η παραπάνω αντίδραση αποδίδει την ποσότητα NO και  που συνδυάζονται στο δείγμα αέρα, υποθέτοντας ότι το δείγμα διέρχεται μέσω του μετατροπέα. Εάν το μεικτό δείγμα δεν διέλθει από τον μετατροπέα, η αντίδραση του όζοντος παράγει ενεργοποιημένο  μόνο σε αναλογία με το NO στο δείγμα. Το  στο δείγμα δεν ενεργοποιείται από την αντίδραση του όζοντος. Αν και το μη ενεργοποιημένο  υπάρχει με το ενεργοποιημένο , εκπέμπονται φωτόνια μόνο από το ενεργοποιημένο είδος που είναι ανάλογο με το αρχικό NO. Τελευταίο βήμα: Αφαιρέστε το NO από το () για να πάρετε το Air Zoom |Glowing with Pride . Fannation.com. Retrieved on 2011-11-22.

 Υπέρυθρη χημειοφωταύγεια 
Στη χημική κινητική, η υπέρυθρη χημειοφωταύγεια (IRCL) αναφέρεται στην εκπομπή υπέρυθρων φωτονίων από δονητικά διεγερμένα μόρια προϊόντων αμέσως μετά τον σχηματισμό τους. Οι εντάσεις των γραμμών εκπομπής υπέρυθρης ακτινοβολίας από δονητικά διεγερμένα μόρια χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση των πληθυσμών των δονητικών καταστάσεων των μορίων των προϊόντων.Atkins P. and de Paula J. Physical Chemistry (8th ed., W.H.Freeman 2006) p.886  Steinfeld J.I., Francisco J.S. and Hase W.L. Chemical Kinetics and Dynamics (2nd ed., Prentice-Hall 1998) p.263  

Η παρατήρηση του IRCL αναπτύχθηκε ως κινητική τεχνική από τον John Polanyi, ο οποίος το χρησιμοποίησε για να μελετήσει την ελκτική ή απωστική φύση της επιφάνειας δυναμικής ενέργειας για αντιδράσεις αέριας φάσης. Γενικά, το IRCL είναι πολύ πιο έντονο για αντιδράσεις με ελκτική επιφάνεια, υποδεικνύοντας ότι αυτός ο τύπος επιφάνειας οδηγεί σε εναπόθεση ενέργειας σε δονητική διέγερση. Αντίθετα, οι αντιδράσεις με επιφάνεια απωστικής δυναμικής ενέργειας οδηγούν σε μικρό IRCL, υποδεικνύοντας ότι η ενέργεια εναποτίθεται κυρίως ως μεταφορική ενέργεια.Atkins P. and de Paula J. p.889-890

 Ενισχυμένη χημειοφωταύγεια 
Η ενισχυμένη χημειοφωταύγεια (Enhanced chemiluminescence, ECL) είναι μια κοινή τεχνική για μια ποικιλία δοκιμασιών ανίχνευσης στη βιολογία. Ένα ένζυμο υπεροξειδάσης χρένου (horseradish peroxidase, HRP) συνδέεται με ένα αντίσωμα που αναγνωρίζει ειδικά το μόριο ενδιαφέροντος. Αυτό το σύμπλοκο ενζύμων καταλύει στη συνέχεια τη μετατροπή του ενισχυμένου χημειοφωταυγούς υποστρώματος σε ένα ευαισθητοποιημένο αντιδραστήριο κοντά στο μόριο ενδιαφέροντος, το οποίο με περαιτέρω οξείδωση από υπεροξείδιο του υδρογόνου, παράγει ένα τριπλό (διεγερμένο) καρβονύλιο, το οποίο εκπέμπει φως όταν διασπάται στο απλό καρβονύλιο. Η ενισχυμένη χημειοφωταύγεια επιτρέπει την ανίχνευση μικροσκοπικών ποσοτήτων ενός βιομορίου. Οι πρωτεΐνες μπορούν να ανιχνευθούν σε ποσότητες έως και femtomole,Enhanced CL review. Biocompare.com (2007-06-04). Retrieved on 2011-11-22.High Intensity HRP-Chemiluminescence ELISA Substrate . Haemoscan.com (2016-02-11). Retrieved on 2016-03-29. πολύ κάτω από το όριο ανίχνευσης για τα περισσότερα συστήματα ανάλυσης.

 Εφαρμογές 
 Ανάλυση αερίων: για τον προσδιορισμό μικρών ποσοτήτων ακαθαρσιών ή δηλητηρίων στον αέρα. Με αυτήν τη μέθοδο μπορούν επίσης να προσδιοριστούν και άλλες ενώσεις (όζον, N-οξείδια, S-ενώσεις). Ένα τυπικό παράδειγμα είναι ο προσδιορισμός NO με όρια ανίχνευσης έως και 1 ppb. Πρόσφατα έχουν χρησιμοποιηθεί εξαιρετικά εξειδικευμένοι ανιχνευτές χημειοφωταύγειας για τον προσδιορισμό συγκεντρώσεων καθώς και ροών NOx με όρια ανίχνευσης μόλις 5 ppt.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, , 2013.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) 
 Ανάλυση ανόργανων ειδών σε υγρή φάση
 Ανάλυση οργανικών ειδών: χρήσιμη με ένζυμα, όπου το υπόστρωμα δεν εμπλέκεται άμεσα στην αντίδραση χημειοφωταύγειας, αλλά το προϊόν εμπλέκεται
 Ανίχνευση και ανάλυση βιομορίων σε συστήματα όπως ELISA και στυπώματα Western
 Αλληλούχιση DNA χρησιμοποιώντας πυροαλληλούχιση
 Φωτισμός αντικειμένων. Χαρταετοί χημειοφωταύγειας,Kinn, John J "Chemiluminescent kite" issued 12/29/1987 φωτισμός έκτακτης ανάγκης, ράβδοι χημικού φωτός (διακοσμήσεις γιορτών).
 Ανάλυση καύσης: Ορισμένα είδη ελεύθερης ρίζας (όπως •CH και •OH) εκπέμπουν ακτινοβολία σε συγκεκριμένα μήκη κύματος. Ο ρυθμός απελευθέρωσης θερμότητας υπολογίζεται μετρώντας την ποσότητα φωτός που ακτινοβολείται από μια φλόγα σε αυτά τα μήκη κύματος.Chemiluminescence as a Combustion Diagnostic  Venkata Nori and Jerry Seitzman - AIAA - 2008
 Παιχνίδια παιδιών.

 Βιολογικές εφαρμογές 
Η χημειοφωταύγεια έχει εφαρμοστεί από εγκληματολόγους για την επίλυση εγκλημάτων. Σε αυτήν την περίπτωση, χρησιμοποιούν λουμινόλη και υπεροξείδιο του υδρογόνου. Ο σίδηρος από το αίμα δρα ως καταλύτης και αντιδρά με τη λουμινόλη και το υπεροξείδιο του υδρογόνου για να παράγει γαλάζιο φως για περίπου 30 δευτερόλεπτα. Επειδή απαιτείται μόνο μια μικρή ποσότητα σιδήρου για τη χημειοφωταύγεια, ίχνη αίματος είναι επαρκή.

Στη βιοϊατρική έρευνα, η πρωτεΐνη που δίνει στις πυγολαμπίδες τη λάμψη τους και ο συμπαράγοντας της, η λουκιφερίνη, χρησιμοποιούνται για την παραγωγή κόκκινου φωτός μέσω της κατανάλωσης ATP. Αυτή η αντίδραση χρησιμοποιείται σε πολλές εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένης της αποτελεσματικότητας των αντικαρκινικών φαρμάκων που πνίγουν την παροχή αίματος σε έναν όγκο. Αυτή η μορφή απεικόνισης με βιοφωταύγεια επιτρέπει στους επιστήμονες να δοκιμάζουν φάρμακα στα προκλινικά στάδια με χαμηλό κόστος.
Μια άλλη πρωτεΐνη, η αικουορίνη (aequorin), που βρίσκεται σε ορισμένες μέδουσες, παράγει γαλάζιο φως παρουσία ασβεστίου. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί στη μοριακή βιολογία για την αξιολόγηση των επιπέδων ασβεστίου στα κύτταρα. Αυτό που έχουν κοινό αυτές οι βιολογικές αντιδράσεις είναι η χρήση της τριφωσφορικής αδενοσίνης (ATP) ως πηγής ενέργειας. Αν και η δομή των μορίων που παράγουν φωταύγεια είναι διαφορετική για κάθε είδος, τους δίνεται η γενική ονομασία λουκιφερίνη (λουσιφερίνη). Η λουσιφερίνη της πυγολαμπίδας μπορεί να οξειδωθεί για να παράγει ένα διεγερμένο σύμπλοκο. Μόλις επανέλθει σε μια θεμελιώδη κατάσταση, απελευθερώνεται ένα φωτόνιο. Είναι πολύ παρόμοια με την αντίδραση με τη λουμινόλη.

Λουκιφερίνη + O2 + ATP → Λουκιφεράση oξυλουκιφερίνης  + CO2 + AMP + PPi + φως
Πολλοί οργανισμοί έχουν εξελιχθεί ώστε να παράγουν φως σε μια σειρά χρωμάτων. Σε μοριακό επίπεδο, η διαφορά στο χρώμα προκύπτει από τον βαθμό σύζευξης του μορίου, όταν ένα ηλεκτρόνιο κατεβαίνει από την διεγερμένη κατάσταση στην θεμελιώδη κατάσταση. Οι οργανισμοί των βαθέων υδάτων έχουν εξελιχθεί ώστε να παράγουν φως για να δελεάζουν και να πιάνουν θήραμα, ως παραλλαγή, ή για να προσελκύουν άλλα. Ορισμένα βακτήρια χρησιμοποιούν ακόμη και βιοφωταύγεια για να επικοινωνούν. Τα συνηθισμένα χρώματα για το φως που εκπέμπουν αυτά τα ζώα είναι το γαλάζιο και το πράσινο, επειδή έχουν μικρότερα μήκη κύματος από το κόκκινο και μπορούν να μεταδοθούν πιο εύκολα στο νερό.

Τον Απρίλιο του 2020, ερευνητές ανέφεραν ότι γενετικά τροποποιημένα φυτά λάμπουν πολύ πιο φωτεινά από ό,τι ήταν δυνατόν προηγουμένως, εισάγοντας γονίδια της βιοφωταύγειας μανιταριού Neonothopanus nambi. Η λάμψη είναι αυτοσυντηρούμενη, λειτουργεί μετατρέποντας το καφεϊκό οξύ των φυτών σε λουκιφερίνη και, σε αντίθεση με τα βακτηριακά γονίδια βιοφωταύγειας που χρησιμοποιήθηκαν νωρίτερα, έχει σχετικά υψηλή φωτεινή απόδοση που είναι ορατή με γυμνό μάτι.

Η χημειοφωταύγεια διαφέρει από τον φθορισμό. Επομένως, οι φθορίζουσες πρωτεΐνες όπως η πράσινη φθορίζουσα πρωτεΐνη δεν είναι χημειοφωταυγείς. Ωστόσο, ο συνδυασμός της GFP (Green fluorescent protein) με τις λουκιφεράσες επιτρέπει τη μεταφορά ενέργειας συντονισμού βιοφωταύγειας (bioluminescence resonance energy transfer, BRET), η οποία αυξάνει την κβαντική απόδοση του φωτός που εκπέμπεται σε αυτά τα συστήματα.

 Παραπομπές 

 Εξωτερικοί σύνδεσμοι 




Κατηγορία:Φωταύγεια
Κατηγορία:Φασματοσκοπία εκπομπής