Quimioluminescência - Chemiluminescence

Não deve ser confundido com Fluorescência .

Uma reação quimioluminescente em um frasco Erlenmeyer

Quimioluminescência (também quimioluminescência ) é a emissão de luz ( luminescência ) como resultado de uma reação química. Também pode haver emissão limitada de calor. Dados os reagentes A e B , com um intermediário excitado ◊ ,

[ A ] + [ B ] → [ ◊ ] → [ Produtos ] + luz

Por exemplo, se [A] é luminol e [B] é peróxido de hidrogênio na presença de um catalisador adequado, temos:

Onde:

Descrição geral

A decadência deste estado excitado [ ◊ ] para um nível de energia mais baixo causa a emissão de luz. Em teoria, um fóton de luz deveria ser emitido para cada molécula de reagente . Isso é equivalente ao número de fótons de Avogadro por mol de reagente. Na prática real, as reações não enzimáticas raramente excedem 1% Q C , eficiência quântica .

Em uma reação química , os reagentes colidem para formar um estado de transição , o máximo entálpico em um diagrama de coordenadas da reação, que segue para o produto. Normalmente, os reagentes formam produtos de menor energia química. A diferença de energia entre reagentes e produtos, representada como , é transformada em calor, fisicamente realizada como excitações no estado vibracional dos modos normais do produto. Como a energia vibracional é geralmente muito maior do que a agitação térmica, ela se dispersa rapidamente no solvente por meio da rotação molecular. É assim que as reações exotérmicas tornam suas soluções mais quentes. Em uma reação quimioluminescente, o produto direto da reação é um estado eletrônico excitado . Este estado então decai em um estado fundamental eletrônico e emite luz através de uma transição permitida (análoga à fluorescência ) ou uma transição proibida (análoga à fosforescência ), dependendo parcialmente do estado de spin do estado excitado eletrônico formado.

A quimiluminescência difere da fluorescência ou fosforescência porque o estado eletrônico excitado é o produto de uma reação química e não da absorção de um fóton . É a antítese de uma reação fotoquímica , na qual a luz é usada para conduzir uma reação química endotérmica. Aqui, a luz é gerada a partir de uma reação quimicamente exotérmica. A quimioluminescência também pode ser induzida por um estímulo eletroquímico, neste caso é denominado eletroquimioluminescência .

Bioluminescência na natureza: Um vaga-lume macho acasalando-se com uma fêmea da espécie Lampyris noctiluca .

O primeiro composto quimioluminescente a ser descoberto foi o 2,4,5-trifenilimidazol (lophine), que foi relatado, em 1877, por emitir luz quando misturado com hidróxido de potássio em etanol aquoso na presença de ar. Um exemplo padrão de quimioluminescência no ambiente de laboratório é o teste do luminol . Aqui, o sangue é indicado por luminescência ao entrar em contato com o ferro na hemoglobina . Quando a quimiluminescência ocorre em organismos vivos, o fenômeno é denominado bioluminescência . Um bastão de luz emite luz por quimiluminescência.

Reações de fase líquida

A quimioluminescência no sistema aquoso é causada principalmente por reações redox.

Quimioluminescência após uma reação de peróxido de hidrogênio e luminol

Reações de fase gasosa

Bastões luminosos verdes e azuis
  • Uma das reações quimioluminescentes mais antigas conhecidas é a oxidação do fósforo branco elementar no ar úmido, produzindo um brilho verde. Esta é uma reação em fase gasosa do vapor de fósforo, acima do sólido, com o oxigênio produzindo os estados excitados (PO) 2 e HPO.
  • Outra reação em fase gasosa é a base da detecção de óxido nítrico em instrumentos analíticos comerciais aplicados a testes de qualidade do ar ambiental. O ozônio é combinado com o óxido nítrico para formar o dióxido de nitrogênio em um estado ativado.
NO + O 3 → NO 2 [ ◊ ] + O 2
O NO 2 ativado [ ◊ ] luminesce a banda larga visível à luz infravermelha à medida que reverte para um estado de energia inferior. Um fotomultiplicador e componentes eletrônicos associados contam os fótons que são proporcionais à quantidade de NO presente. Para determinar a quantidade de dióxido de nitrogênio , NO 2 , em uma amostra (sem NO), ele deve primeiro ser convertido em óxido nítrico, NO, passando a amostra por um conversor antes que a reação de ativação de ozônio acima seja aplicada. A reação do ozônio produz uma contagem de fótons proporcional ao NO, que é proporcional ao NO 2 antes de ser convertido em NO. No caso de uma amostra mista que contém NO e NO 2 , a reação acima produz a quantidade de NO e NO 2 combinados na amostra de ar, assumindo que a amostra é passada através do conversor. Se a amostra misturada não passa pelo conversor, a reação do ozônio produz NO 2 ativado [ ◊ ] apenas na proporção do NO da amostra. O NO 2 na amostra não é ativado pela reação do ozônio. Embora não activado NO 2 está presente com o activado NO 2 [ ◊ ], são emitidos fotões apenas pelas espécies activadas que é proporcional a nenhum original. Etapa final: Subtrair NO de (NO + NO 2 ) para produzir NO 2

Quimioluminescência infravermelha

Em cinética química , a quimiluminiscência infravermelha (IRCL) se refere à emissão de fótons infravermelhos de moléculas de produto vibracionalmente excitadas imediatamente após sua formação. As intensidades das linhas de emissão infravermelha de moléculas vibratoriamente excitadas são usadas para medir as populações de estados vibracionais de moléculas de produto.

A observação do IRCL foi desenvolvida como uma técnica cinética por John Polanyi , que a utilizou para estudar a natureza atrativa ou repulsiva da superfície de energia potencial para reações em fase gasosa. Em geral o IRCL é muito mais intenso para reações com superfície atrativa, indicando que este tipo de superfície leva à deposição de energia na excitação vibracional. Em contraste, as reações com uma superfície de energia potencial repulsiva levam a pouco IRCL, indicando que a energia é depositada principalmente como energia translacional.

Quimiluminescência aprimorada

A quimiluminescência aprimorada é uma técnica comum para uma variedade de ensaios de detecção em biologia. Uma enzima peroxidase de rábano (HRP) é ligada a um anticorpo que reconhece especificamente a molécula de interesse. Este complexo enzimático então catalisa a conversão do substrato quimioluminescente aprimorado em um reagente sensibilizado na vizinhança da molécula de interesse, que na oxidação posterior por peróxido de hidrogênio , produz um carbonil tripleto (excitado) , que emite luz quando decai para o singuleto carbonil. A quimioluminescência aprimorada permite a detecção de quantidades mínimas de uma biomolécula. As proteínas podem ser detectadas em quantidades de femtomol, bem abaixo do limite de detecção para a maioria dos sistemas de ensaio.

Formulários

  • Análise de gás: para determinar pequenas quantidades de impurezas ou venenos no ar. Outros compostos também podem ser determinados por este método ( ozônio , N-óxidos, S-compostos). Um exemplo típico é a determinação de NO com limites de detecção de até 1 ppb. Detectores de quimioluminescência altamente especializados foram usados ​​recentemente para determinar as concentrações, bem como os fluxos de NOx com limites de detecção tão baixos quanto 5 ppt.
  • Análise de espécies inorgânicas em fase líquida
  • Análise de espécies orgânicas: útil com enzimas , onde o substrato não está diretamente envolvido na reação de quimioluminescência, mas o produto está
  • Detecção e ensaio de biomoléculas em sistemas como ELISA e Western blots
  • Sequenciamento de DNA usando pirosequenciamento
  • Objetos de iluminação. Pipas quimioluminescentes , iluminação de emergência, bastões luminosos (decorações para festas).
  • Análise de combustão: Certas espécies radicais (como CH * e OH *) emitem radiação em comprimentos de onda específicos. A taxa de liberação de calor é calculada medindo a quantidade de luz irradiada de uma chama nesses comprimentos de onda.
  • Brinquedos infantis.
  • Palitos de brilho .

Aplicações biológicas

A quimioluminescência foi aplicada por cientistas forenses para solucionar crimes. Nesse caso, eles usam luminol e peróxido de hidrogênio. O ferro do sangue atua como um catalisador e reage com o luminol e o peróxido de hidrogênio para produzir luz azul por cerca de 30 segundos. Como apenas uma pequena quantidade de ferro é necessária para a quimioluminescência, vestígios de sangue são suficientes.

Na pesquisa biomédica, a proteína que dá aos vagalumes seu brilho e seu cofator, a luciferina , são usados ​​para produzir luz vermelha por meio do consumo de ATP. Essa reação é usada em muitas aplicações, incluindo a eficácia de medicamentos contra o câncer que bloqueiam o suprimento de sangue de um tumor. Essa forma de imagem de bioluminescência permite que os cientistas testem medicamentos nos estágios pré-clínicos de maneira barata. Outra proteína, a aequorina , encontrada em certas águas-vivas, produz luz azul na presença de cálcio. Ele pode ser usado em biologia molecular para avaliar os níveis de cálcio nas células. O que essas reações biológicas têm em comum é o uso de trifosfato de adenosina (ATP) como fonte de energia. Embora a estrutura das moléculas que produzem luminescência seja diferente para cada espécie, elas recebem o nome genérico de luciferina. A luciferina do vagalume pode ser oxidada para produzir um complexo excitado. Uma vez que volta ao estado fundamental, um fóton é liberado. É muito semelhante à reação com o luminol.

Muitos organismos evoluíram para produzir luz em uma variedade de cores. No nível molecular, a diferença de cor surge do grau de conjugação da molécula, quando um elétron desce do estado excitado para o estado fundamental. Os organismos das profundezas do mar evoluíram para produzir luz para atrair e capturar presas, como camuflagem ou para atrair outras pessoas. Algumas bactérias até usam a bioluminescência para se comunicar. As cores comuns para a luz emitida por esses animais são o azul e o verde, pois possuem comprimento de onda menor que o vermelho e podem transmitir mais facilmente na água.

Em abril de 2020, pesquisadores relataram ter plantas geneticamente modificadas para brilharem muito mais brilhantes do que anteriormente, inserindo genes do cogumelo bioluminescente Neonothopanus nambi . O brilho é autossustentável, funciona convertendo o ácido cafeico das plantas em luciferina e, ao contrário dos genes de bioluminescência bacteriana usados ​​anteriormente, tem uma saída de luz relativamente alta que é visível a olho nu.

A quimiluminescência é diferente da fluorescência . Portanto, a aplicação de proteínas fluorescentes, como a proteína fluorescente verde, não é uma aplicação biológica da quimioluminescência.

Veja também

Referências