Ķīmiskā luminiscence — definīcija, mehānisms un piemēri
Uzzini ķīmiskās luminiscences definīciju, darbības mehānismu un praktiskus piemērus — no reakciju soļiem līdz bioluminiscencei un gaismas mērījumiem.
Ķīmiskā luminiscence (bieži saukta arī par ķīmiluminiscenci) ir luminiscences veids, kur gaisma rodas tieši no gaismas radīšanas procesa, kas notiek ķīmiskas reakcijas rezultātā. Ja šāds process notiek bioloģiskās sistēmās, to parasti sauc par bioluminiscenci. Ķīmiskā luminiscence ir svarīga gan dabā (piem., jūrasorganismi), gan tehnoloģiskās un analītiskās lietojumprogrammās (piem., ķīmiskā analīze, forensika, diagnostika).
Mehānisms — kā rodas gaisma
Vienkāršākais ķīmiluminiscences modelis ir divpakāpju reakcija, kur sākotnējās molekulas A un B reaģē un veido uzbudinātu starpproduktu C* un blakusproduktu D. Šo uzbūvi var attēlot šādi:
[A] + [B] → [C*] + [D]
[C*] → [C] + Gaisma
C* apzīmē uzbudinātu C stāvokli — molekulu ar papildu enerģiju. Parasti uzbudinājums rodas tāpēc, ka ķīmiskās reakcijas ķīmiskā enerģija tiek pārnesta uz molekulas elektronisko stāvokli: reakcijas enerģija spiež elektronus uz augstāku orbitāli. Uzbudinātais stāvoklis ir mazāk stabils nekā pamatstāvoklis, un, kad elektroni atgriežas zemākā enerģijas līmenī, pārsnieguma enerģija tiek atbrīvota kā fotons — tātad gaisma. Šī emisija notiek bez ievērojama siltuma veidošanās, tāpēc ķīmiskā luminiscence atšķiras no termiskas (siltuma) izstarošanas.
Mērījumi un intensitāte
Izmērāmās gaismas daudzumu bieži apzīmē kā starojuma intensitāti. To var izteikt ar fotonu plūsmu uz laiku. Parasti izmanto rādītājus, kas atspoguļo izstaroto fotonu skaitu sekundē vai citās laika vienībās. Tekstā tiek lietots apzīmējums: ICL —
Izmēramā starojuma intensitāte: ICL (izstarotie fotoni sekundē).
Vēl viens svarīgs parametrs ir kvantu raža (quantum yield) — frakcija no ķīmiskajām reakcijām, kuru laikā tiek izstarots fotons. Lielāka kvantu raža nozīmē efektīvāku gaismas ražošanu.
Piemēri un lietojumi
- Luminola reakcija: ķīmisks reaģents luminols reaģē oksidējošā vidē (piem., ar ūdeņraža peroksīdu un kā katalizatoru izmantojot Fe vai Cu sāļus), izstaro zilu gaismu — tiek lietots forensikā asins pēdu atklāšanai.
- Gaismas nūjiņas (glow sticks): komerciālie piemēri, kur divas šķidruma fāzes tiek sapludinātas, un ķīmiskā reakcija rada krāsainu gaismu.
- Bioluminiscence: daudzi jūras organismi, kukaiņi (piem., sēngrauzis) un mikroorganismi izmanto bioluminiscenci signālu sūtīšanai, piesaistīšanai vai aizsardzībai.
- Analītiskā ķīmija un diagnostika: ķīmiskā luminiscence tiek izmantota kā jutīga detektēšanas metode imunoeseju, molekulārajā diagnostikā un bioķīmiskajos testos, jo fona (parastais) starojums ir zems, ļaujot noteikt ļoti mazus analītu daudzumus.
Faktori, kas ietekmē ķīmiskās luminiscences intensitāti
- Reaktantu koncentrācija: daudziem procesiem pastāv optimālas koncentrācijas; pārāk liela vai pārāk zema koncentrācija var samazināt efektivitāti.
- pH un šķīdinātājs: reakcijas vide ietekmē reakcijas ceļu un uzbudināto stāvokļu stabilitāti.
- Temperatūra: parasti augmentē reakcijas ātrumu, taču pārlieku augsta temperatūra var palielināt neelektromagnētisku enerģijas zudumu (termiskas deeksitācijas) un samazināt gaismas efektivitāti.
- Katalizatori un sensori: metālu joni vai fermenti (bioluminiscencē) var palielināt reakcijas ātrumu un gaismas izstarošanu.
- Quenching un konkurējošas reakcijas: dažas molekulas var neizstarošanas ceļā "nogalināt" uzbudināto stāvokli, samazinot emisiju.
Tehniska un drošības piezīme
Lai gan ķīmiskās luminiscences reakcijas parasti izstaro nelielu siltumu un nerada ievērojamu ugunsrisku, daudzi izmantotie reaģenti (piem., oksidētāji, organiskie šķīdinātāji vai metālu katalizatori) var būt kaitīgi vai bīstami. Praktiskās lietošanas situācijās jāievēro drošības vadlīnijas, piemēram, izmantot aizsarglīdzekļus un darboties labi vēdināmā vidē. Bioloģiskās paraugapstrādes gadījumā jāievēro atbilstošas biohazarda vadlīnijas.
Ķīmiskā luminiscence ir plaši pielietota un fundamentāli interesanta parādība, kas sniedz gan ieskatu molekulārajās enerģijas pārnesēs, gan praktiskas iespējas jutīgai analīzei un vizualizācijai.
Ķīmoluminiscences reakcija Erlenmeijera kolbā rada lielu gaismas daudzumu.
Analītiskie lietojumi
Ierīce, kas nepieciešama, lai izmērītu radīto gaismu, ir vienkārša. Tai ir nepieciešams kaut kas, kas tur paraugu, un fotomultiplikatora caurulīte. Ir trīs veidi, kā to izmantot ķīmiskos mērījumos.
- dažreiz meklētais produkts, reaģējot ar citu savienojumu, izstaro gaismu,
- cita veida gaismas daudzums samazinās, kad tiek pievienots vēlamais produkts,
- dažreiz vēlamais produkts, pievienojot to ķīmiskai luminiscences reakcijai, rada vairāk gaismas (katalītiska reakcija).
Gāzu analīze
Ar šo metodi mēra nelielus atmosfēras piesārņotāju daudzumus. Ar izplatītu metodi mēra slāpekļa monoksīda daudzumu, reaģējot ar ozonu. Izmantotās gaismas viļņu garums ir no 600 līdz 2800 nm.
Šķidrumu analīze
Luminols ir vispazīstamākais savienojuma veids, ko izmanto šķidrumu ķīmiskai luminiscencei.
Šūnu organellu analīze
Ca2+ (kalcijs) dažādās šūnu daļās, piemēram, mitohondrijos, var radīt gaismu, kad tas reaģē ar medūzas olbaltumvielu aekorīnu. Slāpekļa oksīds (NO) ir šūnās un ir veids, kā šūnas sazinās cita ar citu, un to var izmērīt ar luminola savienojumu.
Citi piemēri
- Dabā sastopamo ķīmiluminiscences molekulu piemērs ir ugunspuldzes luciferīns.
- Šo procesu izmanto, lai izgatavotu spīdošās nūjiņas.
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir ķīmiskā luminiscence?
A: Ķīmiskā luminiscence ir luminiscences veids, kas ietver gaismas veidošanos ķīmiskas reakcijas rezultātā.
J: Kas ir bioluminiscence?
A: Bioluminiscence ir ķīmiskā luminiscence, kas rodas bioloģiskajās sistēmās.
J: Vai ķīmiluminiscences radītā gaisma ir saistīta ar siltumu?
A: Nē, ķīmiluminiscences radītā gaisma nav saistīta ar siltumu.
J: Vai varat minēt ķīmiluminiscences reakcijas piemēru?
A: Vienkāršs ķīmiluminiscences reakcijas piemērs ir reakcija starp A un B, kuras rezultātā rodas C, D un gaisma.
J: Kas ir C* ķīmiluminiscences reakcijā?
A: C* ir C uzbudināts stāvoklis, kas rodas, kad ķīmiskās reakcijas enerģija elektronus izstumj augstākā orbītā.
J: Kā C uzbudinātais stāvoklis izstaro gaismu?
A: C C uzbudinātais stāvoklis ir mazāk stabils nekā pamatstāvoklis, tāpēc elektroni uzbudinātajā stāvoklī nokrīt uz pamatstāvokli, izstarojot gaismu.
J: Kas ir starojuma intensitāte?
A: Starojuma intensitāte ir izmērāms gaismas daudzums, kas rodas ķīmiluminiscences reakcijā un ko izsaka kā ICL (izstarotie fotoni sekundē).
Meklēt