Quimioluminiscencia

Emisión de luz como resultado de una reacción química.

Una reacción quimioluminiscente en un matraz Erlenmeyer

La quimioluminiscencia (también llamada 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 se indica por 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 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 electrónicamente excitado a menudo indicado con un asterisco:

A + B → C

C → D*

D* luego emite un fotón ( h ν), para dar el estado fundamental de D: ^[1] I

D* → D + h ν

En teoría, se debería emitir un fotón de luz por cada molécula de reactivo . En la práctica, el rendimiento (" eficiencia cuántica ") suele ser bajo debido a las reacciones secundarias.

Por ejemplo, A podría ser luminol y [B] peróxido de hidrógeno . D sería 3-APA ( 3-aminoftalato ).

La quimioluminiscencia se diferencia de la fluorescencia o la fosforescencia en que el estado electrónico excitado es el producto de una reacción química en lugar de la absorción de un fotón . Es la antítesis de una reacción fotoquímica , en la que se utiliza luz para impulsar una reacción química endotérmica. En este caso, la luz se genera a partir de una reacción química exotérmica. La quimioluminiscencia también puede ser inducida por un estímulo electroquímico, en este caso se denomina electroquimioluminiscencia .

Bioluminiscencia en la naturaleza: Una luciérnaga macho apareándose con una hembra de la especie Lampyris noctiluca .

Reacciones en fase líquida

La quimioluminiscencia se observó por primera vez con la lofina (trifenilimidazol). ^[2] Cuando está en solución básica, este compuesto se convierte en imidazolato, que reacciona con el oxígeno para finalmente dar un dioxetano . La fragmentación del dioxetano da el estado excitado de una diamida aniónica. ^[3]

Pasos que conducen a la quimioluminiscencia de la lofina.

La quimioluminiscencia en sistemas acuosos es causada principalmente por reacciones redox. ^[4]

Quimioluminiscencia después de una reacción de peróxido de hidrógeno y luminol.

• El luminol en una solución alcalina con peróxido de hidrógeno en presencia de hierro o cobre, ^[5] o un oxidante auxiliar , ^[6] produce 3-aminoftalato en un estado excitado, que exhibe quimioluminiscencia. La reacción del luminol es

${\displaystyle {\ce {{\underset {luminol}{C8H7N3O2}}+{\underset {hydrogen\ peroxide}{H2O2}}->3-APA[\lozenge ]->{3-APA}+light}}}$

Reacciones en fase gaseosa

Barras luminosas verdes y azules

• Una de las reacciones quimioluminiscentes más antiguas que se conocen es la oxidación del fósforo blanco elemental en aire húmedo, lo que produce un brillo verde. Se trata de una reacción en fase gaseosa del vapor de fósforo, por encima del sólido, con el oxígeno, lo 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 pruebas de calidad del aire ambiental. _El ozono ( O3 ) se combina con óxido nítrico (NO) para formar dióxido de nitrógeno ₍ NO2 ) en un estado activado [ ◊ ]:

${\displaystyle {\ce {NO{}+O3->NO2[\lozenge ]{}+O2}}}$

El NO ₂ [ ◊ ] activado emite luminiscencia de banda ancha visible a la luz infrarroja a medida que vuelve a un estado de energía más bajo. 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, 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, suponiendo que la muestra pasa a través del convertidor. Si la muestra mixta 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 se activa por la reacción de ozono. Aunque el NO ₂ no activado está presente junto con el NO ₂ activado [ ◊ ] , los fotones son emitidos únicamente por la especie activada que es proporcional al NO original. Paso final: Restar 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 vibracionalmente inmediatamente después de su formación. Las intensidades de las líneas de emisión infrarrojas de las moléculas excitadas vibracionalmente se utilizan para medir las poblaciones de estados vibracionales de las moléculas de productos. ^{[9] [10]}

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 vibracional. En contraste, las reacciones con una superficie de energía potencial repulsiva conducen a poco IRCL, lo que indica que la energía se deposita principalmente como energía traslacional. ^[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) se une a un anticuerpo que reconoce específicamente la molécula de interés. Este complejo enzimático cataliza luego la conversión del sustrato quimioluminiscente mejorado en un reactivo sensibilizado en las proximidades de la molécula de interés, que, al oxidarse aún más con peróxido de hidrógeno , produce un carbonilo triplete (excitado) , que emite luz cuando se desintegra en el carbonilo singlete. La quimioluminiscencia mejorada permite la detección de cantidades minúsculas de una biomolécula. Las proteínas se pueden detectar en cantidades de femtomoles, ^{[12] [13]} muy por debajo del límite de detección de la mayoría de los sistemas de ensayo.

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 , óxidos de nitrógeno , compuestos de azufre ). 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 NO x con límites de detección de hasta 5 ppt. ^{[14] [15] [16]}
• 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 sí lo está.
• Detección y análisis de biomoléculas en sistemas como ELISA y Western blots
• Secuenciación de ADN mediante pirosecuenciación
• Objetos de iluminación. Cometas de quimioluminiscencia , ^[17] iluminación de emergencia, barras luminosas ^[18] (decoraciones para fiestas).
• Análisis de combustión: ciertas especies de radicales libres (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]
• Juguetes de niños.
• Barras luminosas .

Aplicaciones biológicas

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. Como solo se necesita una pequeña cantidad de hierro para la quimioluminiscencia, bastan pequeñas cantidades de sangre.

En la investigación biomédica, la proteína que da a las luciérnagas su brillo 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 manera 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 un estado fundamental, se libera un fotón. Es muy similar a la reacción con luminol.

${\displaystyle {\ce {Luciferin{}+O2{}+ATP->[{\text{Luciferase}}]Oxyluciferin{}+CO2{}+AMP{}+PPi{}+light}}}$

Muchos organismos han evolucionado para producir luz en una gama de colores. A nivel molecular, la diferencia de color surge del grado de conjugación de la molécula, cuando un electrón pasa del estado excitado al estado fundamental. Los organismos de las profundidades marinas 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 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, unos investigadores informaron que habían logrado que plantas modificadas genéticamente brillaran mucho más de lo que era posible hasta ahora insertando 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 emisión de luz relativamente alta que es visible a simple vista. ^{[20] [21] [22] [23]}

La quimioluminiscencia es diferente de la fluorescencia . Por lo tanto, las proteínas fluorescentes como la proteína fluorescente verde no son quimioluminiscentes. Sin embargo, la combinación de GFP con luciferasas permite la transferencia de energía por resonancia de bioluminiscencia (BRET), lo que aumenta el rendimiento cuántico de la luz emitida en estos sistemas.

Véase también

• Eclox
• Electroquimioluminiscencia
• Lista de fuentes de luz
• Lioluminiscencia
• Fuego fatuo

Referencias

1. Vacher, Morgane; Fdez. Galván, Ignacio; Ding, Bo-Wen; Schramm, Stefan; Berraud-Pache, Romain; Naumov, Panče; Ferré, Nicolás; Liu, Ya-Jun; Navizet, Isabelle; Roca-Sanjuán, Daniel; Baader, Wilhelm J.; Lindh, Roland (marzo de 2018). "Quimio y bioluminiscencia de peróxidos cíclicos". Reseñas químicas . 118 (15): 6927–6974. doi : 10.1021/acs.chemrev.7b00649. PMID  29493234.
2. Radziszewski, BR (1877). "Untersuchungen über Hydrobenzamid, Amarin und Lophin". Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft (en alemán). 10 (1): 70–75. doi :10.1002/cber.18770100122.
3. Nakashima, Kenichiro (2003). "Derivados de lofina como herramientas analíticas versátiles". Cromatografía biomédica . 17 (2–3): 83–95. doi :10.1002/bmc.226. PMID  12717796.
4. Shah, Syed Niaz Ali; Lin, Jin-Ming (2017). "Avances recientes en quimioluminiscencia basados ​​en puntos carbonosos". Avances en ciencia de coloides e interfases . 241 : 24–36. doi :10.1016/j.cis.2017.01.003. PMID  28139217.
5. "Demostración de laboratorio de química de luminol" . Consultado el 29 de marzo de 2006 .
6. "Investigación sobre el luminol" (PDF) . Salters Advanced Chemistry . Archivado desde el original (PDF) el 20 de septiembre de 2004 . Consultado el 29 de marzo de 2006 .
7. Rauhut, Michael M. (1985), Quimioluminiscencia. En Grayson, Martin (Ed) (1985). Kirk-Othmer Concise Encyclopedia of Chemical Technology (3.ª ed.), págs. 247, John Wiley and Sons. ISBN 0-471-51700-3 
8. Air Zoom | Brillando con orgullo Archivado el 12 de junio de 2014 en Wayback Machine . Fannation.com. Consultado el 22 de noviembre de 2011.
9. Atkins P. y de Paula J. Química física (8.ª ed., WHFreeman 2006) pág. 886 ISBN 0-7167-8759-8 
10. Steinfeld JI, Francisco JS y Hase WL Cinética y dinámica química (2.ª ed., Prentice-Hall 1998) pág. 263 ISBN 0-13-737123-3 
11. Atkins P. y de Paula J. págs. 889-890
12. Reseña mejorada de CL. Biocompare.com (4 de junio de 2007). Consultado el 22 de noviembre de 2011.
13. Sustrato para ELISA de quimioluminiscencia HRP de alta intensidad Archivado el 8 de abril de 2016 en Wayback Machine . Haemoscan.com (11 de febrero de 2016). Recuperado el 29 de marzo de 2016.
14. "Analizador NO/NO2 Ecophysics CLD790SR2" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 2016-03-04 . Consultado el 2015-04-30 .
15. Stella, P., Kortner, M., Ammann, C., Foken, T., Meixner, FX y Trebs, I.: Mediciones de óxidos de nitrógeno y flujos de ozono por covarianza de remolinos en una pradera: evidencia de una resistencia interna de las hojas al NO ₂ , Biogeosciences, 10, 5997-6017, doi : 10.5194/bg-10-5997-2013, 2013.
16. Tsokankunku, Anywhere: Fluxes of the NO-O ₃ -NO ₂ triad above a spruce forest canopy in south-eastern Germany. Bayreuth, 2014. - XII, 184 P. (Tesis doctoral, 2014, Universidad de Bayreuth, Facultad de Biología, Química y Ciencias de la Tierra) [1]
17. Kinn, John J "Cometa quimioluminiscente" Patente estadounidense 4.715.564 expedida el 29/12/1987
18. Kuntzleman, Thomas Scott; Rohrer, Kristen; Schultz, Emeric (12 de junio de 2012). "La química de las barras de luz: demostraciones para ilustrar procesos químicos". Revista de educación química . 89 (7): 910–916. Bibcode :2012JChEd..89..910K. doi :10.1021/ed200328d. ISSN  0021-9584.
19. La quimioluminiscencia como diagnóstico de la combustión Archivado el 2 de marzo de 2011 en Wayback Machine Venkata Nori y Jerry Seitzman - AIAA - 2008
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21. "Los científicos utilizan ADN de hongos para producir plantas que brillan permanentemente". New Atlas . 28 de abril de 2020 . Consultado el 18 de mayo de 2020 .
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