Kemiluminestsents: definitsioon, mehhanism ja rakendused

Kemiluminestsents: selgitatud definitsioon, mehhanism ja praktilised rakendused — mõõtmismeetodid, bioluminestsents ja uuenduslikud kasutusalad laborist meditsiinini.

Kemiluminestsents (või kemoluminestsents) on üks luminestsentsuse liike. See on protsess, mille käigus tekib valgus keemilise reaktsiooni tulemusena. Bioloogilistes süsteemides esinevat kemoluminestsentsi nimetatakse bioluminestsentsi. Kemiluminestsentsi eristab teistest valguseallikatest see, et valguse eraldumine on otsene tulemus keemilisest energiast, mitte soojusest või välisest elektriväljast.

Mehhanism ja põhimõisted

Kemiluminisentsis tekkiv valgus ei ole otseselt seotud soojusega. Lihtne kaheastmeline näide reaktsioonist A ja B, mis toodab C, D ja valgust:

[A] + [B] → [C*] + [D]

[C*] → [C] + valgus

C* on C ergastatud olek.

Ergastatud olek tekib siis, kui elektronid lükatakse keemilise reaktsiooni energia tõttu kõrgemale orbiidile. Ergastatud olek on vähem stabiilne kui põhiseisund. Ergastatud olekus olevad elektronid langevad põhiseisundisse (madalama energiaga), kiirates valgust. Seda protsessi, kus keemiline reaktsioon otse tekitab ergastatud oleku, nimetatakse kemieksitatsiooniks (chemiexcitation).

Tüübid ja reaktsioonirajad

• Oksüdatsioonil põhinevad reaktsioonid – paljud tuntud kemiluminestsentsprotsessid (näiteks luminool) põhinevad orgaaniliste molekulide oksüdeerimisel, mille käigus tekib ergastatud vaheühend.
• Energiasiirde mehhanismid – mõnes süsteemis tekib ergastatud olek esmalt ühel molekulil ja energia kandub seejärel edasi luminoforile, mis emiteerib footoni.
• Enzymaatilised süsteemid – bioluminestsentsis (näiteks luukereid moodustav reaktsioon luciferase ja luciferini vahel) katalüseerivad ensüümid reaktsiooni, mis toodab valguse kontrollitud ja spetsiifilisel viisil.

Mõõtmine ja kvantitatiivsed parameetrid

Mõõdetava valguse hulka nimetatakse kiirguse intensiivsuseks: _ICL (kiiritatud footonid sekundis). Praktiliselt kasutatakse valguse mõõtmiseks luminomeetreid või fotomultiplier-torusid (PMT), mis suudavad registreerida väga väikeseid footoni-vooge.

Olulised parameetrid:

• Kvantväljund (quantum yield) – näitab, mitu footonit eraldub ühe reaktandi molekuli muundumisel; varieerub sõltuvalt süsteemist (mõnel süsteemil väga kõrge, teistel väga madal).
• Ajaprofiil (kinetika) – signaali teke võib olla väga kiire (sekunditega) või aeglane (minutites või tundides), sõltuvalt reaktsiooni mehhanismist ja katalüsaatoritest.

Mõjuvad tegurid

• pH – paljud kemiluminestsentsreaktsioonid on tugevalt pH-sõltuvad; optimaalne pH võib oluliselt suurendada intensiivsust.
• Temperatuur – kõrgem temperatuur võib kiirendada reaktsiooni, kuid samal ajal suurendada mittespetsiifilist hävitamist ja quenchimist.
• Solvendid ja kontsentraatsed ained – lahusti polaarne/isopolaarsus, ioonne tugevus ja reagendi kontsentratsioon mõjutavad nii kiirust kui ka efektiivsust.
• Katalüsaatorid ja metalliiooned – ensüümid, peroksiidid või metallioonid (näiteks rauaühendid) võivad oluliselt modifeerida valguse teket.
• Quenchijad – teatud ained või lisandid võivad ergastatud oleku deaktiveerida ilma valguse eraldumiseta, vähendades signaali.

Rakendused

Kemiluminestsentsi praktiline väärtus tuleneb selle suurest tundlikkusest ja madalast taustsignaalist. Peamised rakendused:

• Analüütiline keemia ja laboridiagnostika – immunoassay'd, ELISA‑variandid, western blotid ja muud biokeemilised testid kasutavad kemiluminestsentsi spetsiifiliste molekulide tuvastamiseks väga madalates kontsentratsioonides.
• Forensika – luminool ja sarnased ained aitavad avastada verijälgi, sest hapnikureaktsioonide käigus tekkiv valgus paljastab vere olemasolu ka hämaras ja kontsentreeritud pinnal.
• Igapäevased ja kommertsrakendused – valgustussauad (glow sticks) kasutavad kemiluminestsentsi, kus oksalaatester reageerib peroksiidiga ja eralduv energia viib kaasa värvilise fluorestsendi valguse.
• Biomeditsiiniline uurimistöö – in vivo ja in vitro signaalimismeetodid rakkude, geeniekspressiooni ja patogeenide jälgimiseks, kuna kemiluminestsentsi saab kombineerida molekulaarsete markeritega.
• Keskkonnaseire ja turvalahendused – mõnedes sensorites kasutatakse kemiluminestsentsi ohtlike ühendite või saasteainete kiireks avastamiseks.

Eelised ja piirangud

• Eelised: väga kõrge tundlikkus, madal taust-valgustus (pole vaja välisvalgust), sageli lihtne seadistus ja kiire vastus.
• Piirangud: signaal võib olla ajaliselt piiratud (lühiajaline), sõltuv pH ja muust keskkonnast, mõnikord keeruline kvantitatiivne kalibreerimine ning võimalikud toksilisuse-/keskkonnamõjud kasutatavate kemikaalide tõttu.

Ohutus ja keskkonnamõjud

Kemiluminestsentsikemikaale käsitletes tuleb järgida tavapäraseid keemilise ohutuse nõudeid: kasutada sobivaid kindaid ja kaitseprille, vältida kokkupuudet nahaga ning töödelda jäätmeid vastavalt kohalikele reeglitele. Mõned reagendid (näiteks tugevad oksüdeerijad või teatud orgaanilised lahustid) võivad olla ohtlikud või keskkonnale kahjulikud.

Lõppsõna

Kemiluminestsents on mitmekülgne ja tundlik meetod, mis ühendab reageerivate kemikaalide energia ja kvantmehaanika põhimõtted valguse tekitamiseks. Seda tehnoloogiat kasutatakse laialdaselt alates teadusuuringutest kuni praktiliste rakendusteni forensikas ja diagnostikas. Sügav mõistmine reaktsioonimehhanismidest, keskkonnatingimuste mõjust ja mõõtmistehnikatest võimaldab kemiluminestsentsi efektiivselt rakendada ning arendada uusi, veelgi tundlikumaid meetodeid.

Küsimused ja vastused

K: Mis on keemiline luminestsents?

K: Mis on bioluminestsents?

K: Kas kemoluminestsentsis tekkiv valgus on seotud soojusega?

K: Kas te oskate tuua näite kemiluminestsentsreaktsiooni kohta?

K: Mis on C* kemiluminestsentsreaktsioonis?

K: Kuidas kiirgab C ergastatud olek valgust?

K: Mis on kiirguse intensiivsus?

Otsing