Wat is chemiluminescentie?

vuurvliegjes, kwallen en glowsticks – de een vliegt, de ander leeft diep in de oceaan en de ander zorgt voor entertainment in nachtclubs. Wat is de link? Het antwoord is een aantal intrigerende chemische reacties die licht produceren.

chemiluminescentie is de productie van licht uit een chemische reactie. Twee chemische stoffen reageren om een opgewonden (hoog-energetisch) tussenproduct te vormen, dat afbreekt waardoor een deel van zijn energie vrijkomt als fotonen van licht (zie de woordenlijst voor alle termen in vet) om zijn grondtoestand te bereiken (zie Figuur 1 hieronder).

A + B – > AB* – > producten + licht

opgewonden

intermediair

Chemiluminescente reacties geven meestal niet veel warmte af, omdat in plaats daarvan energie vrijkomt als licht. Luminol produceert een licht wanneer het reageert met een oxidatiemiddel; de chemie van deze reactie wordt weergegeven in Kader 1.

Kader 1: Luminol, een “glow-in-the-dark” chemische stof

het vrijkomen van een foton licht uit een luminolmolecuul is een vrij complex, meerfasig proces. In een basische (alkalische) oplossing bestaat luminol in evenwicht met zijn anion, dat een lading van -2 draagt. Het anion kan bestaan in twee vormen (of tautomeren), waarbij de twee negatieve ladingen worden verplaatst naar de oxygenen (de enolvorm) of naar de nitrogenen (de ketolvorm; zie Figuur 3 hieronder).Moleculaire zuurstof (O2) combineert met de enolvorm van het luminolanion en oxideert het tot een cyclisch peroxide. De vereiste zuurstof wordt geproduceerd in een redoxreactie (dat wil zeggen een reactie waarbij zowel reductie als oxidatie optreden) waarbij waterstofperoxide (H2O2), kaliumhydroxide en (bijvoorbeeld) kaliumhexacyanoferraat(III) (K3, ook bekend als kaliumferricyanide). Het hexacyanoferraat (III) ion (3 -) wordt gereduceerd tot het hexacyanoferraat (II) ion (4 -, waardoor kaliumferrocyanide, K4) ontstaat, terwijl de twee zuurstofatomen van het waterstofperoxide worden geoxideerd van oxidatietoestand -1 tot 0:

het cyclische peroxide ontbindt vervolgens tot 3-aminoftalaat (3-amino-1,2-benzeendicarbonzuur) in een aangeslagen toestand, samen met een stikstofmolecuul (N2) – zie Figuur 3 hieronder. Deze ontledingsreactie wordt bevorderd omdat de cyclische peroxidemolecule zeer onstabiel is, en de reactie impliceert het breken van sommige zwakke banden. Het wordt ook begunstigd vanwege de toename van entropie (wanorde) als gevolg van de bevrijding van een gasmolecuul. Wanneer het opgewekte 3-aminophthalate naar de grondtoestand daalt, wordt een foton van blauw licht vrijgegeven.

Chemiluminescentie in forensisch onderzoek

Forensische wetenschappers gebruiken de reactie van luminol op te sporen bloed op een plaats delict. Een mengsel van luminol in een verdunde oplossing van waterstofperoxide wordt gespoten op het gebied waar de forensische wetenschappers vermoeden dat er bloed is. Het ijzer in de haem-eenheid hemoglobine (zie Figuur 4) in het bloed werkt als katalysator bij de reactie die in Kader 1 wordt beschreven. De kamer moet donker zijn en als er bloed aanwezig is, zal een blauwe gloed, die ongeveer 30 seconden duurt, worden waargenomen. De forensische onderzoekers kunnen deze gloed opnemen met behulp van fotografische film, die kan worden gebruikt als bewijs in de rechtbank voor de aanwezigheid van bloed op de scène. (Voor een onderwijsactiviteit over forensische wetenschap, zie Wallace-Müller, 2011.

omdat het ijzer als katalysator werkt, is het slechts in kleine hoeveelheden nodig, zodat slechts een kleine hoeveelheid bloed nodig is om een positief resultaat te bereiken. Dit betekent dat bloed kan worden gedetecteerd, zelfs als het niet zichtbaar is met het blote oog.

een van de nadelen van het gebruik van luminol is dat de reactie kan worden gekatalyseerd door andere chemische stoffen die aanwezig kunnen zijn op de plaats delict, bijvoorbeeld, koper-bevattende legeringen, sommige reinigingsvloeistoffen zoals bleekmiddel, en zelfs mierikswortel. Slimme criminelen kunnen het bloed opruimen met bleekmiddel, wat het bewijs van het bloed vernietigt, maar het bleken van het tapijt kan mensen eerder waarschuwen voor de misdaad. Urine bevat ook kleine hoeveelheden bloed, wat voldoende kan zijn om de reactie van luminol te katalyseren. Zodra luminol op het gebied is aangebracht, kan het voorkomen dat daar andere tests worden uitgevoerd. Ondanks deze nadelen wordt luminol nog steeds gebruikt door forensische wetenschappers als een instrument om criminaliteit op te lossen.

in de nachtclub

wanneer je een glowstick breekt en deze begint te gloeien, is het geproduceerde licht een voorbeeld van chemiluminescentie (zie Figuur 5). Glowsticks bestaan uit een plastic buis met een mengsel van difenyloxalaat en een kleurstof (die de glowstick zijn kleur geeft). In de plastic buis bevindt zich een kleinere glazen buis met waterstofperoxide. Wanneer de buitenste plastic buis is gebogen, de binnenste glazen buis knipt, het loslaten van de waterstofperoxide en het starten van een chemische reactie die licht produceert (zie kader 2). De kleur van het licht die een glowstick produceert, wordt bepaald door de gebruikte kleurstof (zie kader 3).

Chemiluminescentiereacties, zoals die in glowsticks, zijn temperatuurafhankelijk. De reactie versnelt als de temperatuur stijgt-het knippen van uw glow stick in heet water zal een fantastische gloed produceren, maar het zal niet zo lang duren als bij kamertemperatuur. Omgekeerd vertraagt de reactiesnelheid bij lage temperatuur; dit is de reden waarom het houden van uw glow stick in de vriezer voor enkele uren kan toestaan dat de stick weer helder gloeien wanneer het wordt verwijderd en opgewarmd, lang nadat het anders zou zijn gestopt met gloeien. De reactie stopt niet helemaal in de vriezer, maar vertraagt wel zodat de gloed nauwelijks waarneembaar is.

kader 2: Chemie van glowsticks

wanneer difenyloxalaat reageert met waterstofperoxide (H2O2), wordt het geoxideerd tot fenol en een cyclisch peroxide. Het peroxide reageert met een molecuul van kleurstof om twee molecules van kooldioxide (CO2) te geven en in het proces, wordt een elektron in de kleurstofmolecuul bevorderd tot een opgewekte staat. Wanneer het opgewekte (high-energy) kleurstofmolecuul terugkeert naar zijn grondtoestand, wordt een foton van licht vrijgegeven. De reactie is pH-afhankelijk. Wanneer de oplossing licht alkalisch is, produceert de reactie een helderder licht.

veiligheidsnota

fenol is giftig, dus als uw glowstick lekt, zorg er dan voor dat er geen vloeistof op uw handen komt; was ze in dat geval onmiddellijk met zeepsop. Zie ook de Algemene veiligheidsnota Science in School.

kader 3: Wat maakt glowsticks verschillende kleuren?

de kleurstoffen die in glowsticks worden gebruikt, zijn geconjugeerde aromatische verbindingen (arenes). De mate van conjugatie wordt weerspiegeld in de verschillende kleur van het licht dat wordt uitgezonden wanneer een elektron van de opgewekte toestand naar de grondtoestand daalt.

Living glow sticks

heb je ooit ‘ s nachts over een strand gelopen en lichtvonken rond je voeten gezien? Of ‘ s nachts op het platteland geweest en vuurvliegjes rond zien fladderen? Dit zijn voorbeelden van bioluminescentie en ongeveer 90% van het diepzeeleven vertoont ook dit vreemde fenomeen. Deze organismen zijn geëvolueerd om licht te produceren omdat het vele nuttige functies heeft. Glowing kan worden gebruikt als lokaas om prooi te vangen, als camouflage of om potentiële partners aan te trekken. Sommige bacteriën gebruiken zelfs bioluminescentie om te communiceren.

de term “gloeiworm” beschrijft de larven van verschillende insectensoorten, waaronder vuurvliegjes; sommige gloeien om roofdieren af te schrikken, terwijl andere soorten hun gloed gebruiken om prooi aan te trekken. Er zijn soorten inktvis en schaaldieren die wolken van bioluminescente vloeistof kunnen vrijgeven om roofdieren te verwarren terwijl ze ontsnappen. Diep in de oceaan levende wezens zijn geëvolueerd om voornamelijk blauw of groen licht te produceren omdat het goed door zeewater wordt overgebracht. Dit komt omdat blauw licht een kortere golflengte heeft dan rood licht, wat betekent dat het minder gemakkelijk wordt geabsorbeerd door deeltjes in het water.

bioluminescente reacties gebruiken ATP (adenosine trifosfaat) als energiebron. De structuur van de lichtproducerende moleculen varieert van soort tot soort, maar ze krijgen allemaal de generieke naam luciferin. De structuur van firefly luciferin is weergegeven in Figuur 6, links. Wanneer vuurvliegjes gloeien, wordt de luciferine geoxideerd om een opgewekt complex te produceren, dat terugvalt naar de grondtoestand, waardoor een foton van licht vrijkomt, net als de chemiluminescente reactie van luminol beschreven in Kader 1. Vuurvliegjes gebruiken echter geen waterstofperoxide en kaliumhexacyanoferraat(III) om luciferine te oxideren; in plaats daarvan gebruiken ze moleculaire zuurstof en een enzym genaamd luciferase (dit is ook een generieke naam – luciferasen variëren van soort tot soort).

Luciferase
Luciferine + O2 → Oxyluciferin + Licht

Er zijn een aantal experimenten die aequorin, een eiwit dat voorkomt in bepaalde kwallen, die produceert blauw licht in de aanwezigheid van calcium (zie Shaw, 2002, en Furtado, 2009) en kan dus worden gebruikt in de moleculaire biologie te meten calciumhuishouding in de cellen. Sommige wetenschappers hebben andere ideeën bedacht voor het gebruik van bioluminescentie in de toekomst, bijvoorbeeld zelfverlichte kerstbomen. Kun je nog andere opwindende toepassingen bedenken voor dit geweldige natuurverschijnsel?

verklarende woordenlijst

Anion: een atoom (of groep atomen) dat een negatieve lading heeft.

ATP: adenosine trifosfaat komt in alle bekende levensvormen voor. Het is de primaire energievaluta in cellen. ATP wordt gevormd uit ADP (adenosinedifosfaat) en fosfaat tijdens energieopwekkende reacties (zoals de oxidatie van glucose), en wordt afgebroken (aan ADP en fosfaat) om deze energie vrij te geven om ongunstige reacties te drijven.Bioluminescentie: de productie van licht door levende organismen. Bioluminescentie kan het gevolg zijn van de absorptie van licht (fluorescentie of fosforescentie, bijvoorbeeld bij veel diepzeevissen) of van een chemische reactie (chemiluminescentie, bijvoorbeeld bij vuurvliegjes).

katalysator: Een stof die een reactie sneller laat plaatsvinden, maar die tijdens de reactie geen permanente chemische verandering ondergaat (d.w.z. niet wordt verbruikt in de reactie). Katalysatoren werken door een alternatieve route te bieden voor de reactie die lager is in energie.

chemiluminescentie: een type luminescentie waarbij de elektronen worden opgewekt door een chemische reactie, bijvoorbeeld de reactie van luminol zoals beschreven in Kader 1.

geconjugeerd: geconjugeerde systemen ontstaan voornamelijk in de chemie wanneer er dubbele bindingen naast elkaar zijn. De atomen in een geconjugeerd systeem worden bij elkaar gehouden door covalente bindingen en hebben afwisselende enkelvoudige en meervoudige bindingen (voornamelijk dubbele bindingen, maar drievoudige bindingen kunnen ook in conjugatie zijn). Alkenen zijn plat; geconjugeerde systemen moeten altijd vlak zijn om delokalisatie van de elektronen door het hele systeem mogelijk te maken. De kleurstofmoleculen in vak 3 zijn allemaal voorbeelden van geconjugeerde verbindingen.

covalente bindingen: bindingen tussen twee atomen waarbij een paar elektronen tussen hen worden gedeeld.

Delokalised: wanneer moleculen geconjugeerde bindingen hebben, zijn de elektronen vrij om zich door het gehele geconjugeerde systeem te bewegen. Deze worden gedelokaliseerde elektronen genoemd. De elektronen in een benzeenring worden gedelokaliseerd en daarom zijn alle koolstof-koolstofbindingen even lang.

fluorescentie: een type luminescentie waarbij de elektronen worden opgewekt door licht, bv. in de veiligheidsmarkeringen op bankbiljetten.Luminescentie: de productie van licht, gewoonlijk bij lage temperaturen, bijvoorbeeld door chemische reacties of elektrische energie. Gloeilamp daarentegen is licht dat wordt gegenereerd door hoge temperaturen.

fosforescentie: als fluorescentie, maar de gloed duurt langer (volgens sommige definities meer dan 10 nanoseconden), bijvoorbeeld glow-in-the-dark stickers.

Foton: een kwantum (pakket) lichtenergie.

erkenning

de oorspronkelijke versie van dit artikel werd gepubliceerd in Chemistry Review en wordt met vriendelijke toestemming overgenomen door de uitgever, Philip Allan. Om je in te schrijven voor Chemistry Review, een tijdschrift gericht op school scheikundestudenten van 16-19 jaar, bezoek: www.philipallan.co.uk/chemistryreview