Химия
Хемилюминисценция
Хемилюминисценция (фосфоресценция) - явление возникновения излучения, вследствие образования продуктов химических реакций в возбужденном состоянии. Энергия возбуждения излучается в виде фотонов при квантовом переходе в основное состояние молекулы. Спектр излучения чаще всего располагается в видимом диапазоне, хотя известны реакции с излучением ИК и УФ фотонов. Отдельно выделяют биолюминисценцию - разновидность хемилюминисценции связанную с живыми организмами. Биолюминисценция например характерна для светлячков, глубоководных рыб, некоторых гнилостных микроорганизмов.
Яркость хемилюминисценции обычно пропорциональна квантовому выходу - отношению числа фотонов, испускаемых химической системой к числу прореагировавших частиц, практически определяемому как отношение интенсивности свечения к скорости химической реакции. Квантовый выход колеблется от 1 (ферментативное окисление на воздухе люциферина светляка) до 10-15 (реакции нейтрализации кислот основаниями).
В некоторых системах излучателем (эмиттером фотонов) является вовсе не та молекула, которая возбуждается в первичном химическом акте. Энергия возбуждения передается с нее безызлучательно другим частицам, которые способны излучать с более высоким выходом (активаторы хемилюминисценции). Активаторы смещают спектры излучения в более длинноволновую область. Встречается явление видимой хемилюминисценции у реакций с низким квантовым выходом (например, окисления п-метилфенилмагнийбромида кислородом воздуха в растворе при комнатной температуре, квантовый выход 10-9). Это связано с высокими скоростями протекания таких реакций.
Примерами хемилюминисценции могут служить реакции:
Газофазные: Рекомбинация радикалов атомарного кислорода в верхних слоях атмосферы, что обеспечивает зеленое свечение ночного неба. Окисление паров белого фосфора кислородом воздуха с возникновением зеленого свечения; это свечение и дало название элементу (фосфор - от греч. "фос" "форус" - несущий свет). Цепная реакция водорода с фтором является хемилюминисцирующей реакцией в ИК-области.
Жидкофазные: Очень яркое свечение имеет место в растворах ароматических молекул (пирен, хризен и т.д.) при рекомбинации их электрохимически генерированных анион- и катион-радикалов (электрохемилюминисценция). Высокий квантовый выход возбуждения характерен для распада 1,2-диоксетанов, при котором образуются две молекулы кетона, одна из которых - электронно-возбужденная. Образование возбужденных частиц в химических реакциях является скорее правилом, чем исключением. Например зарегистрировано излучение при окислении практически всех металлоорганических соединений, в окислительно-восстановительных превращениях многих d- и f-элементов. Некоторые из них обладают очень ярким свечением, например, восстановление растворов бипиридильных комплексов трехвалентного рутения, оксиление ионов четырехвалентного урана соединениями ксенона, восстановление ионов четырехвалентного кюрия. Окисление диметилового эфира малоновой кислоты кислородом воздуха в присутствии оснований сопровождается заметной фосфоресценцией, причем в ряду оснований: пентаметилендиами < трет-бутилат натрия < изопропилат натрия < этилат натрия, интенсивность свечения и скорость реакции окисления увеличивается. Окисление пиретроидов - циперметрина и декаметрина в щелочном растворе ТГФ также сопровождается хемилюминисценцией. Очень яркое свечение дает термический распад в растворе 2,3-бис-(п-диметиламинофенил)-2,3-пероксо-1,4-диоксана. Свечение люминола в смеси с солями Cu(II) под действием перекиси водорода в ДМСО значительно ярче, чем в воде. Контакт водного или спиртового раствора тетракис(диметиламино)этилена с кислородом воздуха приводит к возникновению яркой, продолжительной, постепенно затухающей, сине-зеленой хемилюминисценции (квантовый выход 0,0003).
Твердофазные: Часто встречаются при термическом разложении кристаллов. Например, ярко-красное свечение наблюдается при разложении персульфата калия, активированного ионами Eu(III). Активно исследуются хемилюминисцирующие композиции пероксидов и азосоединений в полимерной матрице. Например, хемилюминисценция сопровождает распад дициклогексилпероксидикарбоната в поликарбонате, полистироле, полиметилметакрилате; дикумилпероксида в полипропилене; 2,2'-азо-бис-изобутиронитрила в поликарбонате; бензоилпероксида в полистироле и полиметилметакрилате.
Гетерогенные: В 1945 году Терепин А.Н. и Кагур Л.А. обнаружили видимую хемилюцинисценцию порошка оксида магния при пропускании над ним воздуха насыщенного парами органических веществ (спирта, ацетальдегида, уксусной кислоты, ацетона, толуола, бензилового спирта). Было показано, что возникновение свечения связано с окислением паров кислородом воздуха на поверхности кристаллов оксида магния.
Хемилюминисценция применяется в научных исследованиях - распад активаторов полимеризации в полимерных материалах, изучение верхних слоев атмосферы, изучение механизмов химических реакций.
Кроме того, хемилюминисценция нашла широкое применение в аналитической химии, где с ее помощью в отдельных случаях удается определять вещества в концентрациях, ранее доступных только нейтронно-активационному методу. Это связано с тем, что возникающее излучение легко фиксируется визуально или с помощью высокочувствительных фотодетекторов, даже в мутных растворах. Обычно используют растворы люминола (5-амино-1,2,3,4-тетрагидро-1,4-фталазиндиона) щелочной среде в присутствии пероксида водорода, люцигенина (динитрат 10,10'-диметил-9,9'-биакридиния) в щелочной среде в присутствии пероксида водорода или восстановителей и лофина (трифенилимидазол) в щелочной среде в присутствии перекиси водорода. При этом в присутствии определяемых ионов возникает яркая хемилюминисценция. С помощью люминола можно определять гексацианоферрат(III) калия, персульфаты, гипохлориты, перманганаты, свободные хлор и бром, гемоглобин, Cu(II), Co(II), Ni(II), Fe(II), Mn(II), Ag(I), Ti(IV), Zr(IV), Hf(IV), Th(IV), Ce(IV), V(V), Cr(III), Sb(V), платиновые металлы, 8-оксихинолин, нитробензол и др.; предел обнаружения Cu(II) - 0,025мкг/мл, Co(II) - 0,005 мкг/мл. С помощью люцигенина можно определять Ag(I), Pb(II), Os(VIII), Th(IV), Mn(II), Bi(III), Cu(II), Ni(II), Fe(II), Cr(III), аскорбиновую кислоту и др.
Хемилюминисцентные метки на основе эфиров акридина и сульфонамидов нашли применение в иммунологическом анализе. Эмиссия света этими метками запускается смесью перекиси водорода с едким натром. Свет испускается в виде быстрых импульсов, длящихся менее 5 секунд. Генерация перед фотоумножителем дает предел детекции для метки эфира акридина 0,5 аттомолей в литре (5·10-19M). Появление хемилюминисцентных меток на основе адамантил-1,2-диоксетанарилфосфатных субстратов щелочной фосфатазы привело к необычному росту ХЛ-иммуноферментных исследований, основанных на комбинации метка-субстрат. Порог определения ХЛ-субстратов типа производных диоксетана позволяет обнаружить щелочную фосфатазу на уровне 1 зептомоля (то есть 602 молекулы фермента). Кольцо адамантана может быть замещено, при этом меняются параметры генерации света. Для метки щелочная фосфатаза-адамантил-1,2-диоксетановая субстратная комбинация наблюдается наиболее длительное свечение, которое продолжается 30-60 минут. Используя в качестве метки изолюминол можно разработать иммунологические исследования без разделения, основанное на модуляции либо интенсивности, либо кинетики эмиссии света. Например наблюдается усиление интенсивности сигнала от конъюгата прогестерон-аминогексил-N-этил-изолюминол в 4 раза когда этот конъюгат связывается с антипрогестероновым антителом. Это дет возможность осуществить неразделительное исследование прогестерона (предел обнаружения 25 пикограмм).
В спасательных работах используются хемилюминисцентные источники света - одноразовые источники света основанные на окислении диарил(гетерил)оксалатов пероксидом водорода в присутствии активатора и основного катализатора в безводном апротонном растворителе, например, в диметил- или дибутилфталате. Наиболее распространены бис-(2,4,6-трихлорфенил)оксалат (бел. крист., т.пл. 190 С, CAS №1165-91-9), бис-(2,4-динитрофенил)оксалат и бис-(6-пентилоксикарбонил-2,4,5-трихлорфенил)оксалат. В последнем случае квантовый выход хемилюминисценции 0,25-0,30; концентрации реагентов 0,01-0,3М. Используют также производные 2-пиридона или 2,4,5-трихлоранилина, имеющего у атома азота группу SO2CF3. Люминофорами, как правило служат полициклические арены в концентрации 0,001-0,0001M (перилен - голубое свечение, рубрен - оранжевое, 1-хлор-9,10-бис-(фенилэтинил)антрацен - зелено-желтое, 9,10-бис-(фенилэтинил)антрацен - зеленое, 6,11-дихлор-5,12-бис-(фенилэтинил)тетрацен - красное и т.д.; квантовые выходы 0,90-1,00). Комбинацией нескольких люминофоров получают белое свечение. По конструкции такие источники света представляют собой прозрачную (часто окрашивают родамином для превращения желто-зеленого свечения в оранжево-красное), гибкую, пластиковую трубку с раствором люминофора с активатором, внутри которой помещена стеклянная ампула с раствором пероксида водорода смешанного с основным катализатором. При разламывании внутренней ампулы компоненты смешиваются и возникает свечение продолжающееся в зависимости от назначения трубки от 60 секунд до 3-4 суток. Яркость свечения таких трубок обратно пропорциональна продолжительности свечения. Главными достоинствами таких источников света являются компактность, огне- и взрывобезопасность.
В природе светящимися веществами служат вещества разного строения - люциферины. Обычно они светятся за счет окисления в присутствии специального фермента - люциферазы. Квантовый выход природного свечения обычно высок и близок к единице. В настоящее время существует 6 основных типов люциферинов: люциферин светлячка, являющиейся производным бензотиазола, люциферин маллюсков, являющийся сложным эфиром муравьиной кислоты и непредельного спирта, люциферин бактерий, являющийся флавиновым соединением, коелентеразин - люциферин морских организмов и варгилин - люциферин ракообразных, являющиеся производными имидазопиразина, люциферин динофлагеллят, имеющий тетрапиррольное строение и люциферин грибов, производное пирона.