化学発光とは何ですか？

ホタル、クラゲ、グロースティック–一つはハエ、一つは海の奥深くに住んでおり、一つはナイトクラブでエンターテイメントを提供します。 リンクとは何ですか？ 答えは、光を生成するいくつかの興味深い化学反応です。

化学発光は、化学反応からの光の生成です。 二つの化学物質が反応して励起（高エネルギー）中間体を形成し、そのエネルギーの一部を光の光子として放出して分解し（太字のすべての用語については用語集を参照）、基底状態に達する（下の図1を参照）。

A+B->AB*->製品+ライト

励起

中間

化学発光反応は、エネルギーが代わりに光として放出されるため、通常は多くの熱を放出しません。 ルミノールは、酸化剤と反応すると光を生成します; この反応の化学は、ボックス1に示されています。

ボックス1：ルミノール、暗闇の中で光る化学物質

ルミノールの分子からの光の光子の放出は、かなり複雑で多段階のプロセスです。 塩基性（アルカリ性）溶液中では、ルミノールはその陰イオンと平衡して存在し、これは-2の電荷を有する。 陰イオンは二つの形態（または互変異性体）で存在し、二つの負電荷は酸素（エノール型）または窒素（ケトル型;下の図3を参照）のいずれかに非局在化する。

分子酸素(O2)はルミノールアニオンのエノール型と結合し、環状過酸化物に酸化する。 必要な酸素は、過酸化水素（H2O2）、水酸化カリウムおよび（例えば）ヘキサシアノ鉄酸カリウム（III）（K3、フェリシアニドカリウムとしても知られている）を含む酸化還元反応（すなわち、還元と酸化の両方が起こる反応）で生成される。 ヘキサシアノ鉄酸（III）イオン（3-）はヘキサシアノ鉄酸（II）イオン（4-、フェロシアニドカリウム、K4を与える）に還元され、過酸化水素からの二つの酸素原子は酸化状態-1から0に酸化される。:

その後、環状過酸化物は分解して3-アミノフタレート（3-アミノ-1,2-ベンゼンジカルボン酸）を励起状態で窒素（N2）の分子と共に得る–下の図3を参照。 この分解反応は、環状過酸化物分子が非常に不安定であり、反応がいくつかの弱い結合を破壊することを含むので好ましい。 また、ガス分子の解放によるエントロピー（無秩序）の増加のために支持されている。 励起された3-アミノフタレートが基底状態に落ちると、青色光の光子が放出される。

科学捜査における化学ルミネセンス

法医学の科学者は、犯罪現場で血液を検出するためにルミノールの反応を使用します。 過酸化水素の希薄溶液中のルミノールの混合物は、法医学者が血液があると疑う領域に噴霧される。 血液中のヘモグロビンのヘモグロビン単位（図4参照）に存在する鉄は、ボックス1に記載されている反応において触媒として作用する。 部屋は暗くなければならず、血液が存在する場合、約30秒間持続する青い輝きが観察されます。 法医学の調査官は場面の血の存在のための裁判所で証拠として使用することができる写真フィルムの使用によってこの白熱を記録できます。 （法医学に関する教育活動については、Wallace-Müller、2011を参照してください。

鉄は触媒として作用するため、微量でしか必要とされないため、肯定的な結果を得るためには少量の血液しか必要とされません。 これは、肉眼では見えない場合でも血液を検出できることを意味します。

ルミノールを使用することの欠点の一つは、反応が、例えば、銅含有合金、漂白剤などのいくつかの洗浄液、さらには西洋ワサビなど、犯罪現場に存在し得る他の化学物質によって触媒され得ることである。 巧妙な犯罪者は、血液の証拠を破壊する漂白剤で血液をきれいにすることができますが、カーペットを漂白することは、より早く犯罪に人々に警告する 尿には少量の血液も含まれており、ルミノールの反応を触媒するのに十分です。 ルミノールがその領域に適用されると、他のテストがそこで実行されるのを防ぐことができます。 しかし、これらの欠点にもかかわらず、ルミノールは依然として犯罪を解決するためのツールとして法医学者によって使用されています。

グロースティックをスナップして輝き始めると、生成される光は化学ルミネセンスの例です（図5参照）。 グロースティックは、シュウ酸ジフェニルと染料（グロースティックにその色を与える）を含む混合物を含むプラスチック製の管を含む。 プラスチック管の中で過酸化水素を含んでいるより小さいガラス管はあります。 外のプラスチック管が曲がるとき、内部のガラス管は止まり、過酸化水素を解放し、ライトを作り出す化学反応を始めます（箱2を見て下さい）。 グロースティックが生成する光の色は、使用される染料によって決定されます（ボックス3を参照）。

グロースティックのような化学発光反応は温度に依存します。 反応は、温度が上昇するにつれてスピードアップ–お湯であなたのグロースティックをスナップすると、素晴らしい輝きを生成しますが、それは限り、それは室温で同じように続くことはありません。 逆に、反応速度は低温で遅くなります; これは、数時間冷凍庫にあなたのグロースティックを保つことは、それが削除され、それ以外の場合は光る停止しているだろう長い後、ウォームアップされたときにスティックが再び明るく輝くことを可能にすることができます理由です。 反応は冷凍庫で完全に停止するわけではありませんが、グローがほとんど検出されないように減速します。

ボックス2: グロースティックの化学

シュウ酸ジフェニルが過酸化水素（H2O2）と反応すると、酸化されてフェノールと環状過酸化物が得られる。 過酸化物は、二酸化炭素（CO2）の二つの分子を与えるために染料の分子と反応し、プロセスでは、染料分子中の電子が励起状態に促進されます。 励起された（高エネルギーの）色素分子が基底状態に戻ると、光の光子が放出される。 反応はｐＨ依存性である。 溶液がわずかにアルカリ性である場合、反応はより明るい光を生成する。

安全上の注意

フェノールは有毒であるため、グロースティックが漏れた場合は、液体が手に入らないように注意してください。 また、学校の一般的な安全ノートの科学を参照してください。

箱3:白熱棒を異なった色にする何がか。

グロースティックに使用される染料は共役芳香族化合物（アレーン）である。 共役の程度は、電子が励起状態から基底状態に落下するときに放出される光の異なる色に反射される。

リビンググロースティック

あなたは今まで夜にビーチに沿って歩いて、あなたの足の周りの光の火花を見たことがありますか？ または夜に田舎にいて、ホタルが飛び回るのを見ましたか？ これらは生物発光の例であり、深海生物の約90％もこの奇妙な現象を示しています。 それは多くの有用な機能を持っているので、これらの生物は、光を生成するために進化してきました。 光ることは、獲物を捕まえるため、カモフラージュとして、または潜在的な仲間を引き付けるためのルアーとして使用することができます。 いくつかの細菌でも通信するために生物発光を使用しています。

“グローワーム”という用語は、ホタルを含むいくつかの種の昆虫の幼虫を表しています; 他の種が獲物を引き付けるために彼らの輝きを使用しているのに対し、それらのいくつかは、捕食者を怖がらせるために輝きます。 イカや甲殻類の種は、彼らが彼らの脱出をしながら捕食者を混乱させるために生物発光液体の雲を解放することができますがあります。 海の奥深くに住む生き物は、海水をよく透過するため、主に青色または緑色の光を生成するように進化してきました。 これは、青色光が赤色光よりも短い波長を有するためであり、これは水中の粒子によって吸収されにくいことを意味する。

生物発光反応は、エネルギー源としてATP（アデノシン三リン酸）を使用する。 光を産生する分子の構造は種によって異なるが、それらはすべて一般名ルシフェリンを与えられている。 ホタルルシフェリンの構造は、図6の左に示されています。 ホタルが光ると、ルシフェリンは酸化されて励起錯体を生成し、基底状態に戻り、ボックス1に記載されているルミノールの化学発光反応と同様に、光の光子を放出する。 しかし、ホタルはルシフェリンを酸化するために過酸化水素とヘキサシアノ鉄酸カリウム(III)を使用せず、代わりに分子酸素とルシフェラーゼと呼ばれる酵素を使用する（これも一般的な名前であり、ルシフェラーゼは種によって異なる）。

Luciferase
Luciferin+O2→Oxyluciferin+Light

カルシウムの存在下で青い光を生成する特定のクラゲに見られるタンパク質であるaequorinを調べる実験がいくつかあり（Shaw,2002,And Furtado,2009参照）、分子生物学で細胞内のカルシウムレベルを測定するために使用することができる。 一部の科学者は、将来的に生物発光を利用するための他のアイデア、例えば自己照らされたクリスマスツリーを思い付いている。 あなたはこの驚くべき自然現象のための他の刺激的な潜在的な用途を考えることができますか？

用語集

陰イオン：負の電荷を持つ原子（または原子のグループ）。

ATP：アデノシン三リン酸は、すべての既知の生命形態で発生します。 それは細胞の主要なエネルギー通貨です。 ATPはエネルギー生成反応（グルコースの酸化など）中にADP（アデノシン二リン酸）とリン酸から形成され、このエネルギーを放出するために（ADPとリン酸に）分解され、不利な反応を駆動する。

生物発光：生物による光の生成。 生物発光は、光の吸収（例えば、多くの深海魚における蛍光または燐光）または化学反応（例えば、ホタルにおける化学発光）に起因し得る。

: 反応をより速く発生させるが、反応中に恒久的な化学変化を受けない物質（すなわち、反応に使い果たされていない）。 触媒は、エネルギーがより低い反応のための代替経路を提供することによって働く。

化学発光：電子が化学反応によって励起される発光の一種であり、例えばボックス1に記載されているルミノールの反応である。

共役：共役系は主に化学で二重結合が隣接しているときに発生します。 共役系の原子は共有結合によって一緒に保持され、単一結合と多重結合が交互になっています（主に二重結合ですが、三重結合も共役しています）。 アルケンは平坦であり、共役系は、系全体の電子の非局在化を可能にするために常に平面でなければならない。 ボックス３中の色素分子は全て共役化合物の例である。

共有結合：電子のペアがそれらの間で共有されている二つの原子間の結合。

非局在化：分子が共役結合を有するとき、電子は共役系全体を通して自由に移動する。 これらは非局在化電子と呼ばれます。 ベンゼン環内の電子は非局在化されており、これがすべての炭素-炭素結合が同じ長さである理由である。

蛍光：電子が光によって励起される発光の一種である。 銀行券のセキュリティマーキングで。

ルミネセンス：化学反応や電気エネルギーなど、通常は低温での光の生成。 白熱は、対照的に、高温によって生成される光である。

燐光：蛍光として、しかし、グローは（いくつかの定義によると、10ナノ秒以上）長く続きます。

光子：光エネルギーの量子（パケット）。

謝辞

この記事の元のバージョンはChemistry Reviewに掲載されており、出版社のPhilip Allanの許可を得て複製されています。 Chemistry Reviewを購読するには、16-19歳の学校化学の学生を対象としたジャーナル、訪問：www.philipallan.co.uk/chemistryreview