La quimioluminiscencia (también quimioluminiscencia ) es la emisión de luz ( luminiscencia ) como resultado de una reacción química , es decir, una reacción química da como resultado un destello o resplandor de luz. Un ejemplo estándar de quimioluminiscencia en el laboratorio es la prueba del luminol . Aquí, la sangre está indicada por la luminiscencia al entrar en contacto con el hierro en la hemoglobina . Cuando la quimioluminiscencia tiene lugar en organismos vivos, el fenómeno se denomina bioluminiscencia . Una barra luminosa emite luz por quimioluminiscencia.
Descripción física
Como ocurre en muchas reacciones químicas, la quimioluminiscencia comienza con la combinación de dos compuestos, digamos A y B, para dar un producto C. A diferencia de la mayoría de las reacciones químicas, el producto C se convierte en otro producto, que se produce en un estado excitado electrónicamente, que a menudo se indica con un asterisco:
A + B → C
C → D*
D* luego emite un fotón ( h ν), para dar el estado fundamental de D: [1] I
La quimioluminiscencia se diferencia de la fluorescencia o la fosforescencia en que el estado excitado electrónico es el producto de una reacción química más que 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 podría ser inducida por un estímulo electroquímico, en este caso se llama electroquimioluminiscencia .
La quimioluminiscencia se observó por primera vez con lofina (trifenilimidazol). [2] Cuando está en solución básica, este compuesto se convierte en imidazolato, que reacciona con el oxígeno para eventualmente dar un dioxetano . La fragmentación del dioxetano da el estado excitado de una diamida aniónica. [3]
Pasos previos a la quimioluminiscencia de la lofina.
La quimioluminiscencia en sistemas acuosos es causada principalmente por reacciones redox. [4]
Una de las reacciones quimioluminiscentes más antiguas conocidas es la de la oxidación del fósforo blanco elemental en aire húmedo, produciendo un brillo verde. Esta es una reacción en fase gaseosa del vapor de fósforo, por encima del sólido, con oxígeno que produce estados excitados de (PO) 2 y HPO. [7]
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 ( O 3 ) se combina con óxido nítrico (NO) para formar dióxido de nitrógeno ( NO 2 ) en estado activado [ ◊ ]:
El NO 2 [ ◊ ] activado emite luminiscencia en 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 se debe convertir en óxido nítrico, NO, haciendo pasar la muestra a través de un convertidor antes de aplicar la reacción de activación de ozono anterior. La reacción del ozono produce un recuento de fotones proporcional al NO que es proporcional al NO 2 antes de que se convierta 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, suponiendo que la muestra pasa a través del convertidor. Si la muestra mezclada no pasa a través del convertidor, la reacción del ozono produce NO 2 activado [ ◊ ] sólo en proporción al NO en la muestra. El NO 2 de la muestra no se activa mediante la reacción del ozono. Aunque el NO 2 inactivo está presente con el NO 2 activado [ ◊ ] , los fotones son emitidos sólo por la especie activada que es proporcional al NO original. Paso final: Reste NO de ( NO + NO 2 ) para obtener NO 2 [8]
Quimioluminiscencia infrarroja
En cinética química , la quimioluminiscencia infrarroja (IRCL) se refiere a la emisión de fotones infrarrojos de moléculas de productos excitadas por vibración inmediatamente después de su formación. Las intensidades de las líneas de emisión infrarroja de moléculas excitadas por vibración se utilizan para medir las poblaciones de estados vibratorios de moléculas de productos. [9] [10]
La observación de IRCL fue desarrollada como 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 poco IRCL, lo que indica que la energía se deposita principalmente como energía de traslación. [11]
Quimioluminiscencia mejorada
La quimioluminiscencia mejorada (ECL) 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 las proximidades de la molécula de interés, que tras una mayor oxidación por peróxido de hidrógeno , produce un carbonilo triplete (excitado) , que emite luz cuando se desintegra al singlete. carbonilo. La quimioluminiscencia mejorada permite la detección de cantidades mínimas de una biomolécula. Las proteínas se pueden detectar en cantidades de hasta femtomol, [12] [13] muy por debajo del límite de detección para la mayoría de los sistemas de ensayo.
Aplicaciones
Análisis de gases: para determinar pequeñas cantidades de impurezas o venenos en el aire. Con este método también se pueden determinar otros compuestos ( ozono , N -óxidos, S -compuestos). 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. [14] [15] [16]
Análisis de especies inorgánicas en fase líquida.
Análisis de especies orgánicas: útil con enzimas , donde el sustrato no participa directamente en la reacción de quimioluminiscencia, pero el producto sí.
Objetos de iluminación. Cometas de quimioluminiscencia , [17] iluminación de emergencia, barras luminosas [18] (decoraciones para fiestas).
Análisis de combustión: ciertas especies 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. [19]
Los científicos forenses han aplicado la quimioluminiscencia para resolver crímenes. 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 sólo se requiere una pequeña cantidad de hierro para la quimioluminiscencia, son suficientes trazas 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 utiliza en muchas aplicaciones, incluida la eficacia de los medicamentos contra el cáncer que cortan el suministro de sangre de un tumor [ cita requerida ] . Esta forma de imágenes de bioluminiscencia permite a los científicos probar medicamentos en las etapas preclínicas de forma económica. Otra proteína, la equorina , que se encuentra en determinadas medusas, produce luz azul en presencia de calcio. Puede utilizarse 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 la luminiscencia es diferente para cada especie, reciben 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 cae del estado excitado al estado fundamental. Los organismos de las profundidades marinas han evolucionado para producir luz con el fin de atraer y atrapar a sus presas, como camuflaje o para atraer a otros. Algunas bacterias incluso utilizan la bioluminiscencia para comunicarse. Los colores comunes de la luz emitida por estos animales son el azul y el verde porque tienen longitudes de onda más cortas que el rojo y pueden transmitirse más fácilmente en el agua.
En abril de 2020, los investigadores informaron que plantas genéticamente modificadas brillaban mucho más de lo que antes era posible mediante la inserción de genes del hongo bioluminiscente Neonothopanus nambi . El brillo es autosostenible, funciona convirtiendo el ácido cafeico de las plantas en luciferina y, a diferencia de los genes de bioluminiscencia bacteriana utilizados anteriormente, tiene una emisión de luz relativamente alta que es visible a simple vista. [20] [21] [22] [23]
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![{\displaystyle {\ce {{\underset {luminol}{C8H7N3O2}}+{\underset {peróxido\ de hidrógeno}{H2O2}}->3-APA[\pastilla ]->{3-APA}+luz}} }](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/e4cbbb6ca43888cca92605acd2bb5c8db9e2ee3d)
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