Quimioluminescencia

Unha reacción quimioluminescente nun matraz Erlenmeyer.

A quimioluminescencia é a emisión de luz (luminescencia) como resultado dunha reacción química, é dicir, unha reacción química que ten como resultado a emisión dunha escintilación de luz ou resplandor. Un exemplo clásico de quimioluminescencia en instalacións de laboratorio é o test do luminol. Nel a presenza de sangue é indicada pola luminescencia creada polo contacto do luminiol co ferro da hemoglobina. Cando a quimioluminescencia ten lugar en orgaismos vivos, o fenómeno chámase bioluminescencia. Unha barra luminosa emite luz por quimioluminescencia.

Descrición física

Igual que en moitas reaccións químicas, a quimioluminescencia empeza coa combinación de dous compostos, que chamaremos A e B, para dar o produto C. A diferenza de moitas reaccións químicas, o produto C convértese noutro produto, que se produce nun estado excitado electronicamente, a miúdo indicado cun asterisco (D*):

A + B → C

C → D*

D* despois emite un fotón (hν), orixinándose o estado fundamental de D:

D* → D + hν

En teoría, debería de emitirse un fotón de luz de cada molécula de reactante. Na práctica, o rendemento ("eficiencia cuántica") é a miúdo debido a reaccións laterais.

Por exemplo, A podería ser o luminol e [B] o peróxido de hidróxeno. D sería o 3-APA (3-aminoftalato).

A quimioluminescencia difire da fluorescencia ou a fosforescencia en que o estado electrónico excitado é o produto dunha reacción química en vez da absorción dun fotón. É a antítese dunha reacción fotoquímica, na cal se usa a luz para impulsar unha reacción química endotérmica. Aquí, a luz xérase por unha reacción química exotérmica. A quimioluminescencia podería tamén ser inducida por un estímulo electroquímico e nese caso denomínase electroquimioluminescencia.

Bioluminescencia na natureza: un vagalume macho apareándose cunha femia da especie Lampyris noctiluca.

Reaccións en fase líquida

A quimioluminescencia foi obervada por prmeira vez na lofina (trifenilimidazol). Cando está nunha solución básica este composto convértese en imidazolato, que reacciona co oxíxeno para dar finalmente un dioxetano. Unha fragmentación do dioxetano dá lugar a un estado excitado dunha diamida aniónica.

Pasos que dan lugar á luminescencia da lofina.

A quimioluminescencia nun sistema acuoso está causada principalmente por reaccións redox.

Quimiolminescencia producida pola reacción do peróxido de hidróxeno co luminol.

• O luminol nunha solución alcalina con peróxido de hidróxeno en presenza de ferro ou cobre, ou un oxidante auxiliar, produce 3-aminoftalato nun estado excitado que presenta quimioluminescencia. A reacción do luminol (Modelo:Chem) é

$\text{C8H7N3O2}+\text{H2O2}⟶3\text{-}\mathrm{A}\mathrm{P}\mathrm{A}[◊]⟶\text{3-APA}+\mathrm{l}\mathrm{u}\mathrm{z}$

Reaccións en fase de gas

Barras luminosas verdes e azuis.

• Unha das reaccións quimioluminescentes máis antigas coñecidas é a do fósforo elemental branco oxidado en aire húmido, que produce un resplandor verde. Esta é unha reacción en fase de gas do vapor de fósforo sobre o sólido co oxíxeno, producindo estados excitados de Modelo:Chem2 e HPO.
• Outra reacción en fase de gas é a na que se basea a detección do óxido nítrico en instrumentos analíticos comerciais aplicados a test de calidade do aire ambiental. O ozono (Modelo:Chem2) combínase co óxido nítrico (NO) para formar dióxido de nitróxeno (Modelo:Chem2) nun estado activado [◊]:

$\mathrm{N}\mathrm{O}+\mathrm{O}{\phantom{A}}_3⟶\mathrm{N}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2[◊]+\mathrm{O}{\phantom{A}}_2$

O Modelo:Chem2 activado emite luminescencia de banda ancha desde a luz visible á infravermella cando se reverte a un estado de menor enerxía. Un fotomultiplicador e a electrónica asociada conta os fotóns que son proporcionais á cantidade de NO presente. Para determinar a cantidade de dióxido de nitróxeno (Modelo:Chem2) nunha mostra (que non contén NO) debe primeiro ser convertido en óxido nítrico (NO) ao pasar a mostra a través dun convertedor antes de que se aplique a reacción da activación do ozono (O₃) de arriba. A reacción do ozono produce unha conta de fotóns proporcional ao NO que é proporcional ao Modelo:Chem2 antes de que fose convertido en NO. No caso dunha mostra mixta que contén tanto NO coma Modelo:Chem2, a reacción de arriba rende a cantidade de NO e Modelo:Chem2 combinados na mostra de aire, supoñendo que a mostra se pasa polo convertedor. Se a mostra mixta non se pasa polo convertedor, a reacción do ozono produce Modelo:Chem2 activado soamente en proporción ao NO que hai na mostra. O Modelo:Chem2 na mostra non é activado pola reacción do ozono. Aínda que o Modelo:Chem2 inactivado está presente xunto co Modelo:Chem2 activado, só emiten electróns as especies activadas, o que é proporcional ao NO orixinal. O paso final: substráese NO do (Modelo:Chem2) para render Modelo:Chem2

Quimioluminescencia infravermella

En cinética química a quimioluminescencia infravermella (IRCL) refírese á emisión de fotóns infravermellos de moléculas de produto excitadas vibracionalmente inmediatamente despois da súa formación. As intensidades das liñas de emisión infravermellas das moléculas excitadas vibracionalmente son utilizadas para medir as poboacións de estados vibracionis de moléculas de produto.

A observación da quimioluminescencia infravermella desenvolveuna John Polanyi como unha técnica cinética, que utilizou para estudar a natureza atractiva ou repulsiva da superficie de enerxía potencial para as reaccións de fase de gas. En xeral a quimioluminescencia infravermella é moito máis intensa para reaccións cunha superficie atractiva, o que indica que este tipo de superficie provoca a deposición de enerxía en excitación vibracional. En contraste con isto, as reaccións con superficie de enerxía potencial repulsiva crean pouca quimioluminescencia infravermella, o que indica que a enerxía se deposita principalmente como enerxía translacional.

Quimioluminescencia potenciada

A quimioluminescencia potenciada ou ECL (do inglés enhanced chemiluminescence) é unha técnica común para diversos ensaios de detección en bioloxía. Nesta técnica, un encima peroxidase do ravo picante (HRP) é ligado a un anticorpo que recoñece especificamente a molécula de interese. Este complexo do encima cataliza entón a conversión do substrato quimioluminescente potenciado a un reactivo sensibilizado na veciñanza da molécula de interese, que nunha posterior oxidación polo peróxido de hidróxeno, produce un triplete (excitado) carbonilo, que emite luz cando decae a un carbonilo singulete. A quimioluminescencia potenciada permite a detección de cantidades diminutas dunha biomolécla. As proteínas poden ser detectadas en cantidades de ata femtomoles, bastante por debaixo do límite de detección para a maioría dos sistemas de ensaio.

Aplicacións

• Análise de gases: para determinar pequenas cantidades de impurezas ou velenos no aire. Outros compostos poden tamén determinarse por este método (ozono, óxidos de nitróxeno, compostos de xofre). Un exemplo típico é a deteminación de NO con límites de detección de ata 1 ppb. Detectores de quimioluminescencia moi especializados téñense usado recentemente para determinar concentracións e fluxos de NO_x con límites de detección de ata 5 ppt.
• Análise de especies inorgánicas en fase líquida.
• Análise de especies orgánicas: útil con encimas, nos que o substrato non está directamente implicado na reacciónn de quimiolminescencia, pero o produto si.
• Detección e ensaios de biomoléculas en sistemas como ELISA e Western blots.
• Secuenciación do ADN usando pirosecueciación.
• Obxectos luminosos. cometas quimioluminescentes, luces de emerxencia, barras luminosas (decoracións de festas).
• Análises de combustión: certas especies de radicais libres (como ^•CH e ^•OH) desprenden radiación a lonxitudes de onda específicas. A liberación de calor calcúlase medindo a cantidade de luz radiada por unha labarada a esas lonxitudes de onda.
• Xoguetes de nenos.
• Barras luminosas.

Aplicacións biolóxicas

A quimioluminescencia aplícase en ciencias forenses para resolver crimes. Neste caso, úsase o luminol e o peróxido de hidróxeno. O ferro contido no sangue actúa como catalizador e reacciona co luminol e o peróxido de hidróxeno para producir luz azul durante uns 30 segundos. Como só cómpre que exista unha pequena cantidade de ferro para a quimioluminescencia, unhas cantidades traza de sangue xa son suficientes.

En investigación biomédica, a proteína que lle dá o seu resplandor aos vagalume e o seu cofactor luciferina utilízanse para producir luz vermella con gasto de ATP. Esta reacción úsase en moitas aplicacións, como a efectividade dos fármacos cancerosos que cortan a subministración de sangue a tumoresModelo:Cómpre referencia. Esta forma de imaxes de bioluminescencia permite que os científicos testen fármacos nas fases preclínicas de forma barata. Outra proteína, a aequorina, atopada en certas augamares, produce luz azul en presenta de calcio. Pode usarse en bioloxía molecular para avaliar os niveis de calcio nas células. O que todas estas reaccións biolóxicas teñen en común é o seu uso de adenosín trifosfato (ATP) como fonte de enerxía. Aínda que a estrutura das moléculas que producen luminescencia é diferente para cada especie, dáselles o nome xenérico de luciferina. A luciferina dos vagalumes pode ser oxidada para producir un complexo excitado. Unha vez que regresa ao estado estacionario, libérase un fotón. É moi similar á reacción co luminol.

$\mathrm{L}\mathrm{u}\mathrm{c}\mathrm{i}\mathrm{f}\mathrm{e}\mathrm{r}\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{a}+\mathrm{O}{\phantom{A}}_2+\mathrm{A}\mathrm{T}\mathrm{P}\stackrel{\text{Luciferase}}{\to }\mathrm{O}\mathrm{x}\mathrm{i}\mathrm{l}\mathrm{u}\mathrm{c}\mathrm{i}\mathrm{f}\mathrm{e}\mathrm{r}\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{a}+\mathrm{C}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2+\mathrm{A}\mathrm{M}\mathrm{P}+\mathrm{P}\mathrm{P}\mathrm{i}+\mathrm{l}\mathrm{u}\mathrm{z}$

Moitos organismos evolucionaron para producir luz de diversas cores. A nivel molecular, a diferenza en cor orixínase do grao de conxugación da molécula, cando un electrón cae desde o estado excitado ao estado fundamental. Os organismos do mar profundo evolucionaron para producir luz para atraer e capturar presas, como camuflaxe, ou para atraer a outros da súa especie. Algunhas bacterias usan incluso a biolminescencia para comunicarse. As cores comúns da luz emitida por estes animais son a azul e a verde porque teñen lonxitudes de onda máis curtas que a vermella e poden transmitirse máis doadamente na auga.

En abril de 2020 os investigadores informaron da inserción en plantas por enxeñaría xenética dun xene que as facía resplandescer procedente do fungo bioluminescente Neonothopanus nambi. O resplandor autosusténtase, funciona convertendo o ácido cafeico das plantas en luciferina e, a diferenza dos xenes de bioluminscencia bacterianos que se usaran en experimentos anteriores, ten un rendemento luminoso relativamente alto que é visible a simple vista.

A quimiolminescencia é diferente da fluorescencia. Por tanto, as proteínas fluorescentes como a proteína fluorescente verde (GFP) non son quimioluminescentes. Porén, combinando a GFP con luciferases prodúcese transferencia de enerxía de resonancia de biolumnescencia, que incrementa o rendemento cuántico da luz emitida neses sistemas.

Véxase tamén

Outros artigos

• Eclox
• Electroquimioluminescencia
• Lyoluminescencia