Chemiluminescencja.

Chemiluminescencją nazywamy proces chemiczny podczas przebiegu którego następuje wydzielenie energii na sposób światła, a nie ciepła jak to jest zazwyczaj. Faktem jest, że i tak jest to tylko niewielki procent, albowiem już 0,001% energii tak wydzielonej już jest stosunkowo silnie widziana, reszta może być oddawana przez ciepło lub pracę.
Zjawiskiem świecenia żywych organizmów, próchniejącego drewna lub fosforu od zarania dziejów ludzkości fascynowały swym pięknem i tajemniczością. W najstarszych systemach filozoficznych i legendach uważano światło za prapierwiastek wszechświata i życia. Jeden z największych opisów samoistnego „zimnego świecenia” głębokowodnych zwierząt, owocujący grzybów i nocnych świetlików znajdujemy już u Arystotelesa (IV w p.n.e.).

Pierwszym badaczem zjawiska chemiluminescencji był Fritz Haber (1869-1934), urodzony we Wrocławiu (wtedy to były Niemcy), mieszkający i pracujący w Niemczech późniejszy laureat Nagrody Nobla. W 1895 roku ten 27 letni wówczas naukowiec zbadał światło uzyskane podczas reakcji jako formę energii i na tej podstawie udało mu się przeanalizować przebieg reakcji chemicznej. Stwierdził on, że w wyniku reakcji chemicznej powstaje produkt (atom, światło) w stanie wzbudzonym. Ma on wówczas wartość obserwacyjną – obrazuje przebieg reakcji. Średni czas „życia” wzbudzonego atomu wynosi 10 – 100 nanosekund, potem następuje zaburzenie atomu (lub światła), który traci wówczas swoją wartość obserwacyjną. Zaburzenie atomu zachodzi z reguły w wyniku zderzeni z innym atomem – tzw. secondary collision.
Dzięki potraktowaniu światła jako formy energii, na podstawie barwy światła ustalić możemy wartość energetyczną reakcji. I tak, wzbudzeniu atomu sodu towarzyszy żółty promień, syntezie wodoru i chloru towarzyszy światło widoczne tylko w podczerwieni – jest tu więc niewielka ilość energii, a procesowi zerwania wiązań chemicznych (np. otwarcie koperty) towarzyszy niebieskie światło z czego wynika, iż jest to reakcja przy, której wydziela się dosyć duża ilość energii.

Aktualna wiedza naukowa podaje, że w procesach chemicznych i biochemicznych możliwe jest przekształcenie części energii chemicznej w energię promieniowania elektromagnetycznego. Spontaniczna emisja światła podczas reakcji wymaga spełnienia kilku warunków.

WARUNKI POWSTAWANIA CHEMILIMINESCENCJI

Kiedy reakcja chemiczna może być źródłem światła? Rozpatrzmy hipotetyczną reakcję:

A + B --> P* + C

gdzie A, B to substraty reakcji, P i C to produkty, z których P jest w stanie elektronowo wzbudzonym.
Wzbudzenie produktu P następuje wówczas, gdy zostaje mu przekazana pewna część entalpii reakcji (ΔH) . Istotą procesu wzbudzenia jest, aby był spełniony warunek:

Ehv < ΔH + ΔH*

gdzie Ehv jest energią emitowanego kwantu a ΔH entalpią aktywacji.
Następnym stadium jest dezaktywacja wzbudzonego produktu P (emisja fotonu) i przejście produktu reakcji do stanu podstawowego:

P* --> P + hv

Większość reakcji chemiluminogennych generuje fotony w zakresie 400-750 nm (od fioletu do czerwieni), tak więc energia potrzebna do powstania świecenia powinna wynosić 155 – 297 kJ/ mol (37 – 71 kcal/ mol). Możliwość wystąpienia chemiluminescencji nie jest jednak jednoznacznie związana z egzotermicznością reakcji. Znane są przykłady reakcji andotermicznych, którym towarzyszy świecenie. Z drugiej strony, reakcjom silnie egzotermicznym często nie towarzyszy żadna emisja lub jest ona bardzo słaba.

Można ogólnie powiedzieć, że niezbędna jest obecność cząsteczek – akceptorów zdolnych akumulować energię reakcji w formie wzbudzenia elektronowego. Takie akceptory energii mają z reguły nisko leżące wzbudzone stany energetyczne, gdyż sprzyja to zwiększeniu wydajności wzbudzenia. Kryterium to wyjaśnia, dlaczego w większości silne „świecących” reakcji chemiluminescencyjnych uczestniczą względnie duże cząsteczki organiczne, które mogą wykazywać taką właśnie charakterystykę stanów (poziomów) elektronowych.

Aby porównać wydajność przekształcenia energii reakcji na promieniowanie świetlne wygodnie jest posłużyć się wielkością określona jako kwadratowa wydajność chemiluminescencji Ф :

Ф = Nhv
Np= Nhv/Np

czyli stosunek liczby wzbudzonych cząsteczek produktu emitujących foton (Nhv) do całkowitej liczby cząsteczek tego produktu.

UDZIAŁ TLENU W REAKCJACH GENERUJĄCYCH ŚWIATŁO

Dawno już zauważono, a wynika to z tego, że chemiluminescencja występuje prawie wyłącznie w reakcjach utleniania za pomocą tlenu lub związków zawierających tlen.
Okres intensywnych badań, mający na celu wyjaśnienie szczególnej roli tlenu w chemiluminescencji, rozpoczął się od roku 1960, tj. odkrycia przez Salingera czerwonego świecenia towarzyszącego reakcji utleniania chloranów(I):

NaClO + H2O2 --> NaCl + O2 + H2O

Późniejsze badania wielu innych reakcji z udziałem bardzo różnych związków nieorganicznych i organicznych wykazały, że emiterami promieniowania są wzbudzone diamery (O2)2
Sumaryczny spin elektronów cząsteczki tlenu w stanie podstawowym wynosi S=1, co wynika z równoległego ustawienia spinów 2 elektronów walencyjnych i odpowiada krotności stanów 2S +1 =3 (stąd nazwa: tlen trypletowy). Wzbudzenie elektronów walencyjnych powoduje antyrównoległe ustawienie spinów, a więc sumaryczny spin osiągnie wartość S=0, a krotność stanów 2S+1=1 (stąd nazwa tlen singletowy). Luminescencja towarzyszy przejściu cząsteczki tlenu ze stanu singletowego do trypletowego, który to proces, jako teoretycznie silnie silnie wzbroniony ze względów kwantowych, w praktyce przebiega z niską wydajnością kwantową promieniowania.
Jedną ze szczególnych cech cząsteczki tlenu singletowego jest skłonność do występowania w formie krótko żyjących, wspomnianych wyżej diamerów (O2)2 , które w układach chemiluminescencyjnych pełnią rolę cząsteczek emitujących światło. Dokładne badania wykazały, że powstawanie tlenu singletowego jest bardzo prawdopodobne w procesach dysproporcjonowania rodników nadtlenkowych lub w reakcjach rozpadu heterolitycznego , tzn. w elementarnych procesach z udziałem pary elektronów, np. we wspomnianej reakcji H2O2 z podchlorynami:

O – O – H + -O – Cl --> O = O* + H – O- + Cl-

i w reakcjach H2O2 z halogenami:

O – O – H + Br – Br --> O = O* + H – Br - + Br -

Bardzo słaba emisję tlenu singletowego można zwiększyć dodając do reagującej mieszaniny odpowiedniego związku – akceptora energii np. fluorosceiny, rodaminy, rubrenu. Wówczas, w wyniku przeniesienia energii z powstającego w reakcji tlenu singletowego do akceptora ma miejsce silna emisja wzbudzonych cząsteczek organicznych, które świecą charakterystyczna dla siebie barwą.

ZASTOSOWANIE CHEMILUMINESCENCJI

Najbardziej znane a zarazem najbardziej efektowne zastosowanie znajduje chemiluminescencja tam, gdzie potrzebne jest niezawodne, niezależne od źródeł energii światło. Wytwarzane są już obecnie spławiki dla wędkarzy oraz elastyczne lampy alarmowe w kształcie rurki. Poprzez silne zgięcie takiej lampy dochodzi do połączenia się dwóch reagujących roztworów, a emitowane światło (białe, zielono-niebieskie lub czerwone) jest doskonale widoczne w ciemności i na tyle silne, że umożliwia czytanie w ciemnym pokoju. Jest niewrażliwe na warunki atmosferyczne, świeci nawet pod wodą (rurki są hermetyczne) przez okres kilku godzin. Ma jedna wadę: nie daje się wyłączyć...
O wiele większe zastosowanie mają reakcje, w których wydajność chemiluminescencji jest bardzo mała, a świecenie nie dostrzegalne gołym okiem [4,5]. Należą do nich między innymi: utlenianie lipidów w błonach komórkowych, utlenianie kwasów tłuszczowych, reakcje, w których jony metali, występujące na niższych stopniach utlenienia, są utleniane nadtlenkiem wodoru lub nadtlenodisiarczanem sodu. Często natężenie świecenia jest proporcjonalne do stężenia utlenianej substancji, co pozwala wykorzystać to zjawisko do jej ilościowego oznaczenia.
Tak niskie wydajności kwantowe chemiluminescencji ( Ø < 10-10) wymagają użycia specjalnych detektorów światła. Są nimi specjalne lampy elektronowe, tzw. fotopowielacze pracujące metodą zliczeń pojedynczych fotonów SPC (Single Photon Counting) na zasadzie efektu fotoelektrycznego. W lampach tych, najogólniej rzecz biorąc, foton padający na kolejne elektrody zwane dynodami, wywołuje lawinową emisję kolejnych elektronów, czyli słaby prąd elektryczny, który jest odpowiednio wzmacniany i poddawany obróbce elektronicznej w celu uzyskania czytelnego sygnału.
Wspomnieć jednak należy, że silnemu świeceniu towarzyszącemu reakcjom oksydacyjno-redukcyjnym z udziałem wielu biologicznie ważnych związków, np. chlorofilu, aminokwasów i białka. Mechanizm świecenia tych grup związków jest obecnie przedmiotem intensywnych badań ze względu na możliwość wykorzystania chemiluminescencji do badania energetyki żywych organizmów.
Największe wrażenie jednak robią te reakcje, którym towarzyszy widzialne promieniowanie, emitowane w całej objętości roztworu .