Quimioluminiscencia

Quimioluminiscencia (también quimioluminiscencia) es la emisión de luz (luminiscencia) como resultado de una reacción química. También puede haber una emisión limitada de calor. Dados los reactivos A y B, con un intermedio excitado ◊,

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Por ejemplo, si [A] es luminol y [B] es peróxido de hidrógeno en presencia de un catalizador adecuado, tenemos:

3-APA[lozenge ]->{3-APA}+light}}}" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">C8H7N3O2luminol+H2O2hidrógenoperóxidorestablecimiento restablecimiento 3− − APA[Cause Cause ]restablecimiento restablecimiento 3− − APA+luz{displaystyle {ce {underset {luminol}{C8H7N3O2}+{underset {hidrogen peroxide}{cH7N3O2}}}{compset { perxide {cH8H7N3O2}}}}}}}{dddd}}}}}} H2O2}- confía3-APA[lozenge ]- {3-APA}+light}3-APA[lozenge ]->{3-APA}+light}}}" aria-hidden="true" class="mwe-math-fallback-image-inline" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/e4cbbb6ca43888cca92605acd2bb5c8db9e2ee3d" style="vertical-align: -3.005ex; width:64.702ex; height:5.009ex;"/>

donde:

• 3-APA es 3-aminoftalato
• 3-APA[Cause] es el estado excitado vibrónico fluorescente que se decae a un nivel de energía inferior.

Descripción general

El decaimiento de este estado excitado [◊] a un nivel de energía más bajo provoca la emisión de luz. En teoría, debería emitirse un fotón de luz por cada molécula de reactivo. Esto es equivalente al número de Avogadro de fotones por mol de reactivo. En la práctica real, las reacciones no enzimáticas rara vez superan el 1% Q_C, eficiencia cuántica.

En una reacción química, los reaccionarios chocan para formar un estado de transición, el máximo enthalpic en un diagrama de coordenadas de reacción, que procede al producto. Normalmente, los reaccionarios forman productos de menor energía química. La diferencia de energía entre reaccionarios y productos, representada como Δ Δ Hrxn{displaystyle Delta H_{rxn}, se convierte en calor, se realiza físicamente como excitaciones en el estado vibratorio de los modos normales del producto. Puesto que la energía vibracional es generalmente mucho mayor que la agitación térmica, se dispersa rápidamente en el solvente a través de la rotación molecular. Así es como las reacciones exotérmicas hacen sus soluciones más calientes. En una reacción quimiluminescente, el producto directo de la reacción es un estado electrónico excitado. Este estado entonces se descompone en un estado de tierra electrónico y emite luz a través de una transición permitida (analógica a la fluorescencia) o una transición prohibida (análogosa a la fosforescencia), dependiendo en parte del estado de giro del estado electrónico excitado formado.

La quimioluminiscencia se diferencia de la fluorescencia o la fosforescencia en que el estado excitado electrónico es el producto de una reacción química y no 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 puede ser inducida por un estímulo electroquímico, en este caso se denomina electroquimioluminiscencia.

El primer compuesto quimioluminiscente que se descubrió fue el 2,4,5-trifenilimidazol (lofina), del cual se informó, en 1877, que emitía luz cuando se mezclaba con hidróxido de potasio en etanol acuoso en presencia de aire. Un ejemplo estándar de quimioluminiscencia en el entorno de laboratorio es la prueba de luminol. Aquí, la sangre se indica por luminiscencia al contacto con el hierro en la hemoglobina. Cuando la quimioluminiscencia tiene lugar en organismos vivos, el fenómeno se denomina bioluminiscencia. Una barra de luz emite luz por quimioluminiscencia.

Reacciones en fase líquida

La quimioluminiscencia en el sistema acuoso es causada principalmente por reacciones redox.

• Luminol en una solución alcalina con peróxido de hidrógeno en presencia de hierro o cobre, o un oxidante auxiliar, produce quimioluminiscencia. La reacción luminol es

3-APA[lozenge ]->{3-APA}+light}}}" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">C8H7N3O2luminol+H2O2hidrógenoperóxidorestablecimiento restablecimiento 3− − APA[Cause Cause ]restablecimiento restablecimiento 3− − APA+luz{displaystyle {ce {underset {luminol}{C8H7N3O2}+{underset {hidrogen peroxide}{cH7N3O2}}}{compset { perxide {cH8H7N3O2}}}}}}}{dddd}}}}}} H2O2}- confía3-APA[lozenge ]- {3-APA}+light}3-APA[lozenge ]->{3-APA}+light}}}" aria-hidden="true" class="mwe-math-fallback-image-inline" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/e4cbbb6ca43888cca92605acd2bb5c8db9e2ee3d" style="vertical-align: -3.005ex; width:64.702ex; height:5.009ex;"/>

Reacciones en fase gaseosa

• Una de las reacciones mas antiguas conocidas de la quimiluminescencia es la de la óxido de fósforo blanco elemental en el aire húmedo, produciendo un resplandor verde. Esta es una reacción en fase de gas del vapor de fósforo, por encima del sólido, con oxígeno produciendo estados excitados de (PO)₂ y HPO.
• Otra reacción en fase de gas es la base de detección de óxido nítrico en instrumentos analíticos comerciales aplicados a pruebas ambientales de calidad del aire. Ozono (Ozono)O₃) se combina con óxido nítrico (NO) para formar dióxido de nitrógeno (NO₂) en un estado activado [Cause]:

NO2[lozenge ]{}+O2}}}" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">NO+O3restablecimiento restablecimiento NO2[Cause Cause ]+O2{fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif}NO2[lozenge ]{}+O2}}}" aria-hidden="true" class="mwe-math-fallback-image-inline" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/5be67449aaeb3531cb2031147c868edd2e9a7213" style="vertical-align: -1.005ex; width:27.502ex; height:3.009ex;"/>

El activado NO₂[Cause] luminesces banda ancha visible a luz infrarroja ya que se revierte a un estado de energía inferior. Un fotomultiplier y electrónica asociada cuenta los fotones que son proporcionales a la cantidad de NO presente. Para determinar la cantidad de dióxido de nitrógeno, NO₂, en una muestra (no contiene NO) primero debe convertirse en óxido nítrico, NO, pasando la muestra a través de un convertidor antes de que se aplique la reacción de activación del ozono anterior. La reacción al ozono produce un recuento de fotones proporcional al NO que es proporcional a NO₂ antes de convertirlo a NO. En el caso de una muestra mixta que contenga NO y NO₂, la reacción anterior produce la cantidad de NO y NO₂ combinado en la muestra de aire, asumiendo que la muestra se pasa a través del convertidor. Si la muestra mixta no se transmite a través del convertidor, la reacción del ozono produce activado NO₂[Cause] sólo en proporción al NO en la muestra. El NO₂ en la muestra no se activa por la reacción del ozono. Aunque no está activado NO₂ está presente con el activado NO₂[Cause], los fotones son emitidos sólo por la especie activada que es proporcional al NO original. Paso final: Extracto NO de (NO + NO₂) para ceder NO₂

Quimioluminiscencia infrarroja

En cinética química, 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 las moléculas vibratoriamente excitadas se utilizan para medir las poblaciones de estados vibratorios de las moléculas del producto.

La observación de IRCL fue desarrollada como técnica cinética por John Polanyi, quien la usó para estudiar la naturaleza atractiva o repulsiva de la superficie de energía potencial para las reacciones en fase gaseosa. En general, la IRCL es mucho más intensa para reacciones con una superficie atractiva, lo que indica que este tipo de superficie conduce a la deposición de energía en la excitación vibracional. Por el contrario, las reacciones con una superficie de energía potencial repulsiva conducen a una pequeña IRCL, lo que indica que la energía se deposita principalmente como energía de traslación.

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 la vecindad de la molécula de interés, que en la oxidación adicional por peróxido de hidrógeno, produce un carbonilo triplete (excitado), que emite luz cuando se descompone en el singlete. carbonilo. La quimioluminiscencia mejorada permite la detección de cantidades diminutas de una biomolécula. Las proteínas se pueden detectar hasta cantidades de femtomoles, muy por debajo del límite de detección para la mayoría de los sistemas de ensayo.

Aplicaciones

• Análisis de gas: para determinar pequeñas cantidades de impurezas o venenos en el aire. Otros compuestos también pueden ser determinados por este método (ozone, N-oxidas, S-compuestos). Un ejemplo típico es NO determinación con límites de detección 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.
• Análisis de especies inorgánicas en fase líquida
• Análisis de especies orgánicas: útiles con enzimas, donde el sustrato no está directamente involucrado en la reacción de la quimioluminiscencia, pero el producto es
• Detección y ensayo de biomoléculas en sistemas como ELISA y blots occidentales
• secuenciación de ADN mediante pirosequencing
• Iluminar objetos. Kits de Chemiluminecencia, iluminación de emergencia, barras de brillo (decoraciones de 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 de una llama a esas longitudes de onda.
• Juguetes infantiles.
• Pegajos de flujo.

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. Debido a que solo se requiere una pequeña cantidad de hierro para la quimioluminiscencia, son suficientes pequeñas cantidades 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 usa en muchas aplicaciones, incluida la eficacia de los medicamentos contra el cáncer que obstruyen el suministro de sangre de un tumor. Esta forma de imágenes de bioluminiscencia permite a los científicos probar medicamentos en las etapas preclínicas de forma económica. Otra proteína, la aecuorina, 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, 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 el luminol.

[{text{Luciferase}}]Oxyluciferin{}+CO2{}+AMP{}+PPi{}+light}}}" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">Luciferin+O2+ATP→LuciferasOxyluciferin+CO2+AMP+PPi+luz{displaystyle {ce {}+O2{}+ATP-consejo [{text{Luciferase}}] Oxyluciferin{}+CO2{}+AMP{}+PPi{}+light}}[{text{Luciferase}}]Oxyluciferin{}+CO2{}+AMP{}+PPi{}+light}}}" aria-hidden="true" class="mwe-math-fallback-image-inline" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/5cdc4625ec69c787aeb98a1208a52ded650cfe86" style="vertical-align: -1.005ex; margin-top: -0.293ex; width:74.689ex; height:4.343ex;"/>

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 aguas profundas han evolucionado para producir luz para atraer y atrapar presas, como camuflaje o para atraer a otros. Algunas bacterias incluso usan 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 las plantas modificadas genéticamente brillan mucho más de lo que antes era posible mediante la inserción de genes del hongo bioluminiscente Neonothopanus nambi. El brillo es autosostenido, funciona convirtiendo plantas' ácido cafeico en luciferina y, a diferencia de los genes de bioluminiscencia bacterianos utilizados anteriormente, tiene una salida de luz relativamente alta que es visible a simple vista.

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.