Quimioluminiscencia - Chemiluminescence

Una reacción quimioluminiscente en un matraz Erlenmeyer

La quimioluminiscencia (también quimioluminiscencia ) es la emisión de luz ( luminiscencia ) como resultado de una reacción química. También puede haber una emisión limitada de calor. Dados los reactivos A y B , con un intermedio excitado ,

[ A ] + [ B ] → [ ] → [ Productos ] + luz

Por ejemplo, si [A] es luminol y [B] es peróxido de hidrógeno en presencia de un catalizador adecuado, tenemos:

dónde:

Descripción general

La desintegración de este estado excitado [ ] a un nivel de energía más bajo provoca la emisión de luz. En teoría, debería emitirse un fotón de luz por cada molécula de reactivo . Esto es equivalente al número de fotones de Avogadro por mol de reactivo. En la práctica real, las reacciones no enzimáticas rara vez superan el 1% de Q C , eficiencia cuántica .

En una reacción química , los reactivos chocan para formar un estado de transición , el máximo entálpico en un diagrama de coordenadas de reacción, que procede al producto. Normalmente, los reactivos forman productos de menor energía química. La diferencia de energía entre reactivos y productos, representada como , se convierte en calor, materializado físicamente como excitaciones en el estado vibratorio de los modos normales del producto. Dado que la energía vibracional es generalmente mucho mayor que la agitación térmica, se dispersa rápidamente en el solvente a través de la rotación molecular. Así es como las reacciones exotérmicas calientan sus soluciones. En una reacción quimioluminiscente, el producto directo de la reacción es un estado electrónico excitado . Este estado luego decae a un estado fundamental electrónico y emite luz a través de una transición permitida (análoga a la fluorescencia ) o una transición prohibida (análoga a la fosforescencia ), dependiendo en parte del estado de giro del estado excitado electrónico formado.

La quimioluminiscencia se diferencia de la fluorescencia o fosforescencia en que el estado de excitación electrónica es el producto de una reacción química y no de la absorción de un fotón . Es la antítesis de una reacción fotoquímica , en la que la luz se utiliza para impulsar una reacción química endotérmica. Aquí, la luz se genera a partir de una reacción químicamente exotérmica. La quimioluminiscencia también puede ser inducida por un estímulo electroquímico, en este caso se llama electroquimioluminiscencia .

Bioluminiscencia en la naturaleza: Un macho de luciérnaga que se aparea con una hembra de la especie Lampyris noctiluca .

El primer compuesto quimioluminiscente que se descubrió fue el 2,4,5-trifenilimidazol (lofina), del que se informó, en 1877, que emitía luz cuando se mezclaba con hidróxido de potasio en etanol acuoso en presencia de aire. Un ejemplo estándar de quimioluminiscencia en el laboratorio es la prueba de luminol . Aquí, la sangre está indicada por luminiscencia al entrar en contacto con el hierro en la hemoglobina . Cuando la quimioluminiscencia tiene lugar en organismos vivos, el fenómeno se llama bioluminiscencia . Una barra de luz emite luz por quimioluminiscencia.

Reacciones en fase líquida

La quimioluminiscencia en el sistema acuoso es causada principalmente por reacciones redox.

Quimioluminiscencia después de una reacción de peróxido de hidrógeno y luminol

Reacciones en fase gaseosa

Palos luminosos verdes y azules
  • Una de las reacciones quimioluminiscentes más antiguas conocidas es la del fósforo blanco elemental que se oxida en el aire húmedo y produce un brillo verde. Esta es una reacción en fase gaseosa de vapor de fósforo, por encima del sólido, con oxígeno produciendo los estados excitados (PO) 2 y HPO.
  • Otra reacción en fase gaseosa es la base de la detección de óxido nítrico en instrumentos analíticos comerciales aplicados a las pruebas de calidad del aire ambiental. El ozono se combina con óxido nítrico para formar dióxido de nitrógeno en estado activado.
NO + O 3 → NO 2 [ ] + O 2
El NO 2 [ ] activado ilumina la banda ancha visible a la luz infrarroja a medida que vuelve a un estado de menor energía. Un fotomultiplicador y la electrónica asociada cuentan los fotones que son proporcionales a la cantidad de NO presente. Para determinar la cantidad de dióxido de nitrógeno , NO 2 , en una muestra (que no contiene NO), primero debe convertirse en óxido nítrico, NO, pasando la muestra a través de un convertidor antes de aplicar la reacción de activación de ozono anterior. La reacción de ozono produce un recuento de fotones proporcional al NO que es proporcional al NO 2 antes de que se convirtiera en NO. En el caso de una muestra mixta que contiene NO y NO 2 , la reacción anterior produce la cantidad de NO y NO 2 combinados en la muestra de aire, asumiendo que la muestra pasa a través del convertidor. Si la muestra mezclada no pasa a través del convertidor, la reacción de ozono produce NO 2 activado [ ] solo en proporción al NO en la muestra. El NO 2 en la muestra no es activado por la reacción del ozono. Aunque NO 2 inactivado está presente con el NO 2 activado [ ], los fotones son emitidos solo por las especies activadas que es proporcional al NO original. Paso final: reste NO de (NO + NO 2 ) para obtener NO 2

Quimioluminiscencia infrarroja

En cinética química , la quimioluminiscencia infrarroja (IRCL) se refiere a la emisión de fotones infrarrojos de moléculas de producto excitadas por vibración inmediatamente después de su formación. Las intensidades de las líneas de emisión de infrarrojos de moléculas excitadas por vibración se utilizan para medir las poblaciones de estados vibratorios de las moléculas del producto.

La observación de IRCL fue desarrollada como una técnica cinética por John Polanyi , quien la utilizó para estudiar la naturaleza atractiva o repulsiva de la superficie de energía potencial para reacciones en fase gaseosa. En general, el IRCL es mucho más intenso para reacciones con una superficie atractiva, lo que indica que este tipo de superficie conduce a la deposición de energía en la excitación vibratoria. Por el contrario, las reacciones con una superficie de energía potencial repulsiva conducen a poca IRCL, lo que indica que la energía se deposita principalmente como energía de traslación.

Quimioluminiscencia mejorada

La quimioluminiscencia mejorada es una técnica común para una variedad de ensayos de detección en biología. Una enzima peroxidasa de rábano picante (HRP) está unida a un anticuerpo que reconoce específicamente la molécula de interés. Este complejo enzimático luego cataliza la conversión del sustrato quimioluminiscente mejorado en un reactivo sensibilizado en la vecindad de la molécula de interés, que en la oxidación adicional por peróxido de hidrógeno , produce un carbonilo triplete (excitado) , que emite luz cuando se desintegra en el singlete. carbonilo. La quimioluminiscencia mejorada permite la detección de cantidades diminutas de una biomolécula. Las proteínas se pueden detectar hasta en cantidades de femtomoles, muy por debajo del límite de detección para la mayoría de los sistemas de análisis.

Aplicaciones

  • Análisis de gases: para determinar pequeñas cantidades de impurezas o venenos en el aire. También se pueden determinar otros compuestos mediante este método ( ozono , N-óxidos, compuestos S). Un ejemplo típico es la determinación de NO con límites de detección de hasta 1 ppb. Recientemente se han utilizado detectores de quimioluminiscencia altamente especializados para determinar concentraciones y flujos de NOx con límites de detección tan bajos como 5 ppt.
  • Análisis de especies inorgánicas en fase líquida
  • Análisis de especies orgánicas: útil con enzimas , donde el sustrato no está directamente involucrado en la reacción de quimioluminiscencia, pero el producto es
  • Detección y ensayo de biomoléculas en sistemas como ELISA y Western blots
  • Secuenciación de ADN mediante pirosecuenciación
  • Objetos de iluminación. Cometas de quimioluminiscencia , iluminación de emergencia, barras luminosas (decoraciones para fiestas).
  • Análisis de combustión: Ciertas especies de radicales (como CH * y OH *) emiten radiación en longitudes de onda específicas. La tasa de liberación de calor se calcula midiendo la cantidad de luz irradiada por una llama en esas longitudes de onda.
  • Juguetes infantiles.
  • Palos luminosos .

Aplicaciones biologicas

Los científicos forenses han aplicado la quimioluminiscencia para resolver delitos. En este caso, utilizan luminol y peróxido de hidrógeno. El hierro de la sangre actúa como catalizador y reacciona con el luminol y el peróxido de hidrógeno para producir luz azul durante unos 30 segundos. Debido a que solo se requiere una pequeña cantidad de hierro para la quimioluminiscencia, son suficientes pequeñas cantidades de sangre.

En la investigación biomédica, la proteína que da brillo a las luciérnagas y su cofactor, la luciferina , se utilizan para producir luz roja mediante el consumo de ATP. Esta reacción se usa en muchas aplicaciones, incluida la eficacia de los medicamentos contra el cáncer que interrumpen el suministro de sangre de un tumor. Esta forma de imágenes de bioluminiscencia permite a los científicos probar medicamentos en las etapas preclínicas de forma económica. Otra proteína, la aequorina , que se encuentra en ciertas medusas, produce luz azul en presencia de calcio. Se puede utilizar en biología molecular para evaluar los niveles de calcio en las células. Lo que estas reacciones biológicas tienen en común es el uso de trifosfato de adenosina (ATP) como fuente de energía. Aunque la estructura de las moléculas que producen luminiscencia es diferente para cada especie, se les da el nombre genérico de luciferina. La luciferina de luciérnaga se puede oxidar para producir un complejo excitado. Una vez que vuelve a caer a un estado fundamental, se libera un fotón. Es muy similar a la reacción con luminol.

Muchos organismos han evolucionado para producir luz en una variedad de colores. A nivel molecular, la diferencia de color surge del grado de conjugación de la molécula, cuando un electrón desciende del estado excitado al estado fundamental. Los organismos de aguas profundas han evolucionado para producir luz para atraer y atrapar presas, como camuflaje o para atraer a otros. Algunas bacterias incluso utilizan la bioluminiscencia para comunicarse. Los colores comunes para la luz emitida por estos animales son el azul y el verde porque tienen una longitud de onda más corta que el rojo y pueden transmitir más fácilmente en el agua.

En abril de 2020, los investigadores informaron que tenían plantas modificadas genéticamente para brillar mucho más de lo que era posible anteriormente mediante la inserción de genes del hongo bioluminiscente Neonothopanus nambi . El brillo es autosostenido, funciona convirtiendo el ácido cafeico de las plantas en luciferina y, a diferencia de los genes de bioluminiscencia bacteriana utilizados anteriormente, tiene una salida de luz relativamente alta que es visible a simple vista.

La quimioluminiscencia es diferente de la fluorescencia . Por tanto, la aplicación de proteínas fluorescentes como la proteína verde fluorescente no es una aplicación biológica de quimioluminiscencia.

Ver también

Referencias