CO TO JEST LUMINESCENCJA?

LUMINESCENCJA to świecenie substancji zachodzące pod wpływem różnych rodzajów energii z wyjątkiem cieplnej. Ciało, któremu dostarczamy energię w jakiejś formie oddaje ją w innej formie, czyli w tym przypadku światła. Zależnie od rodzaju dostarczonej energii i od mechanizmu świecenia luminescencję dzieli się na rodzaje: fotoluminescencja, elektroluminescencja, elektronoluminescencja, krystaloluminescencja, tryboluminescencja, chemiluminescencja. Istotą zjawiska jest wzbudzenie elektronów pod wpływem pochłaniania energii, następnie elektrony powracając na niższe orbity emitują fotony, czyli cząstki światła. Zjawisko powrotu elektronów do stanu podstawowego nosi nazwę rekombinacji.

ELEKTROLUMINESCENCJA

ELEKTROLUMINESCENCJA to świecenie substancji pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego . Za odkrywcę tego zjawiska uważa się Henry’ego Josepha Rounda (1881 – 1966), który w 1907 zaobserwował świecenie karborundu w polu elektrycznym, natomiast sam termin elektroluminescencja został wprowadzony dopiero 30 lat później. Zjawisko jest szeroko wykorzystywane w lampach neonowych ( reklamy świetlne). W lampach tych świeci rozrzedzony neon. Ze względu na pochłanianie energii z pola elektrycznego i następnie jej emisję w postaci światła następuje powrót elektronów i koniec świecenia, w tym momencie możliwa jest ponowna absorpcja energii i jej wypromieniowywanie. Świecenie neonu jest zatem serią rozbłysków i zgaśnięć zbyt szybkich żeby ludzkie oko je wychwyciło, ale niestety nie jest tzbyt zdrowe dla oczu. Obecnie zjawisko elektroluminescencji jest szeroko wykorzystywane w diodach LED.

 

 

 

 

ELEKTRONOLUMINESCENCJA 

Zwana także katodoluminescencją, polega na emisji światła podczas bombardowania substancji elektronami. Zjawisko jest szeroko wykorzystywanie w kineskopach, oscyloskopach. Działanie kineskopu polega na tym, że powierzchnia wewnętrzna pokryta luminoforem jest bombardowana elektronami, luminofor przejmuje część energii elektronów i wtedy następuje emisja światła. Miejsca, w które pada więcej elektronów świecą jaśniej, co sprawia, że widzimy na ekranie kineskopu obraz. W kolorowych kineskopach luminofor można zobaczyć jako „plastry miodu”, są one widoczne na z bliska na włączonym telewizorze. Pierwszy odbiornik telewizyjny zbudowano w 1927 roku.

KRYSTALOLUMINESCENCJA

To świecenie podczas krystalizacji i narastania kryształów. Stan krystaliczny ma niższą energię niż r-r, stąd cześć energii jest wypromieniowywana w postaci światła.Właściwości takie wykazuje wiele substancji, jednak luminescencja jest niezauważalna dla oka ludzkiego (ultrasłaba). Inaczej jest gdy krystalizacja ma gwałtowny przebieg (krystalizacja z r-ru przesyconego). Krystaloluminoforem jest NaCl. Jeśli do nasyconego r-ru NaCl dodać stężonego kwasu solnego tak, by ciecze się nie zmieszały i następnie wstrząsnąć probówką to następuje gwałtowna krystalizacja ze względu na przekroczony iloczyn rozpuszczalności, której towarzyszy niebieski błysk.

Kryształ halitu (soli kamiennej)

Doświadczenie: do probówki wlewamy kilka ml nasyconego r-ru NaCl i następnie taką samą ilość st. HCl wlać ostrożnie, np. za pomocą pipety, tak aby warstwy cieczy się nie zmieszały, następnie probówkę zatkać korkiem i w zupełnej ciemności probówką wstrząsnąć. Obserwujemy wtedy kilkusekundowy niebieski błysk.

TRYBOLUMINESCENCJA

TRYBOLUMINESCENCJA to świecenie substancji pod wpływem wykonywania na niej pracy mechanicznej, takiej jak rozcieranie, łamanie itp. Do tego rodzaju luminoforów należy sacharoza (spożywczy cukier ), którego rozcieraniu towarzyszy jasnozielony błysk. Kolejnym przykładem jest kwas acetyloantranilowy, którego rozcieraniu towarzyszy fioletowe światło.

Doświadczenia: do szklanki sypiemy nieco cukru i najlepiej przy świetle próbujemy go rozcierać zewnętrzną stroną łyżeczki po ściankach. Kiedy już poćwiczyliśmy gasimy światło (im ciemniej tym lepiej, najlepsze są pomieszczenia bez okien) i po chwili gdy wzrok już się przyzwyczai do ciemności znów rozcieramy cukier na ściankach i możemy zaobserwować zielone błyski w miejscu rozcierania. Na szalkę Petriego sypiemy kilka gramów kwasu acetyloantranilowego i nakładamy na to mniejszą szalkę Petriego dnem do dołu, tak by móc rozcierać kryształy kwasu. Rozcieranie prowadzimy w ciemności i obserwujemy fioletowe błyski, znacznie silniejsze niż w przypadku cukru, są one widoczne nawet podczas rozcierania przy świetle sztucznym, a także podczas potrząsania słoikiem ze związkiem.

FOTOLUMINESCENCJA

Jest to rodzaj luminescencji spowodowany absorpcją promieniowania widzialnego (VIS) lub ultrafioletowego (UV). Wyróżniamy dwa rodzaje tej emisji: fluorescencja i fosforescencja.

FLUORESCENCJA

Polega na emisji fotonów natychmiast po absorpcji, po ustaniu naświetlania emisja zanika w czasie rzędu 10 - s (!!!), jest to zbyt krótko by oko ludzkie mogło ją zauważyć. Fluorescencja jest widoczna, jeśli naświetlać substancję ją wykazującą promieniami UV, gdyż wiele ciał naświetlanych tym promieniowaniem emituje promieniowanie widzialne (definicja luminescencji!). Wykazują ją niektóre gazy i pary, roztwory niektórych barwników organicznych oraz pewne substancje krystaliczne.

Do barwników organicznych ją wykazujących należą fluoresceina i eozyna. Roztwory fluoresceiny wykazują bardzo mocną żółtą fluorescencję, widoczną nawet przy rozcieńczeniu 1 do 40 000 000 (!). Jeszcze mocniejszą luminescencję wykazują r-ry riwanolu: 1: 100 000 000(!). Fluoresceina i eozyna substancje należą do wskaźników fluorescencyjnych, mają zastosowanie w miareczkowaniu alkacymetrycznym, eozyna wykazuje zieloną fluorescencję przy pH>3,2. Znanych jest >30 takich wskaźników. Ponadto związki takie mogą być używane w mikroskopii do wybarwiania komórek, kwasów nukleinowych, białek, przeciwciał itp. Ponadto fluoresceina jest używana jest w geologii i ochronie środowiska, śledzi się za jej pomocą cieki wodne i wycieki z rurociągów.

 

Niektóre wskaźniki fluorescencyjne

Działanie takich wskaźników polega na tym, że np. dołączenie protonu pod wpływem kwasu zmienia na właściwości spektroskopowe cząstki, i jest możliwa fluorescencja.

Niektóre barwniki fluorescencyjne dodawane są do środków piorących, co sprawia, że ubrania fluoryzują w nadfiolecie, o czym mogą się przekonać bywalcy dyskotek…

W przypadku kryształów fluorescencja jest spowodowana defektami w sieci krystalicznej, tzn. nie wykazują jej substancje czyste, ale za to substancja z domieszkami obcych drobin w sieci, które powodują jej defekty, wtedy absorpcja promieniowania może wiązać się z emisją fali z zakresu widzialnego. Czysty kalcyt nie wykazuje fluorescencji, natomiast jeśli zawiera domieszki metali ziem rzadkich to wykazuje silną fluorescenchę w UV. Tak zachowuje się wiele minerałów , jeśli zawierają domieszki. Często kolor tej luminescencji służy do określenia miejsca, z którego minerał pochodzi. Jest to spowodowane faktem, że w zależności od złoża geologicznego i od otoczenia chemicznego, w którym minerał wykrystalizował i jakie jony obce o podobnej budowie mogły zostać wbudowane do jego sieci.

Można wykonać proste doświadczenie, aby się o tym przekonać: czysty bromek magnezu nie wykazuje fluorescencji, wystarczy jednak utrzeć go z maleńkim dodatkiem chlorku cyny i w sieci pojawiają się defekty, co sprawia, że związek ten wykazuje żółtą fluorescencję w UV.

Do związków fluoryzujących w nadfiolecie należą także: antracen, fenatren, chryzen, perylen – węglowodory aromatyczne, ponadto niearomatyczny azulen, oraz niektóre pochodne tych węglowodorów, jak wspomniane riwanol, eozyna, fluoresceina, radamina B. Ponadto fluoroforami są hemoglobina i chlorofil (patrz doświadczenia z luminolem).

FLUORESCENCJA SENSYBILIZOWANA

Jest to fluorescencja wywołana energią wzbudzenia wydzieloną nie bezpośrednio w postaci promieniowania, ale najpierw przekazaną innej cząsteczce cząsteczce i następnie emisję światła przez tę drugą cząsteczkę. Przykładem takiej luminescencji świecenie mieszaniny par talu i rtęci. Same pary talu nie fluoryzują, jeśli jednak naświetlić mieszaninę par promieniowaniem o długości absorbowanej przez rtęć, to obserwuje się widmo talu. Rtęć pochłania energię promieniowania i przekazuje ją talowi, a ten z kolei emituje światło.

Doświadczenia: porównać w świetle widzialnym i UV próbki węglowodorów aromatycznych oraz r-ry wskaźników fluorescencyjnych: antracen i fenatren świecą intensywnie na niebiesko, perylen na pomarańczowo, a jego r-r alkoholowy bardzo mocno świeci turkusowo, r-ry fluoresceiny świeci, eozyny i riwanolu świecą na zielono, r-r rodaminy B na pomarańczowo.

Uwaga: R-RY WSKAŹNIKÓW MUSZĄ BYĆ SILNIE ROZCIEŃCZONE.

Utrzeć 1 g krystalicznego bromku magnezu z odrobiną chlorku cyny. Porównać wygląd obu substancji w UV, nie widać świecenia. Utarty bromek jest zanieczyszczony i posiada defekty w sieci krystalicznej, co objawia się żółtą luimescenją w UV.

Sprawdzić, że KCl i SbCl₃ nie świecą w UV. Następnie probówkę napełnić do ok. połowy wysokości suchym KCl, na górę nasypać soli antymonu, po kilku minutach obserwować zachowanie się zawartości probówki w UV. Widać rozchodzącą się w dół świecącą strefę. Trójchlorek antymonu jest lotny i przenikając pomiędzy kryształami KCl powoduje defekty sieci, co jak w poprzednim przypadku objawia się świeceniem.

FOSFORESCENCJA

Różni się tym od fluorescencji, że czas emisji światła jest znacznie dłuższy niż w poprzednim przypadku. Zdarza się, że jest widoczna nawet po kilku miesiącach od ustania naświetlania. Przykładem jest kalcyt, czyli węglan wapnia. Innymi przykładami są siarczek wapnia i siarczek baru, substancje, z dodatkiem pewnych aktywatorów są podstawowymi składnikami swiecących w ciemności farb. Farby takie są używanie podczas produkcji znaków ewakuacyjnych, które możemy znaleźć na klatkach schodowych czy korytarzach budynków użyteczności publicznej. Ponadto produkuje się świecące kamienie ogrodowe, zabawki itp. Już w 1602 V. Casciaroli (z zawodu szewc) wytworzył tzw. kamienie bolońskie (Bologna phosphorus), które po naświetleniu świeciły w ciemności. Był to właśnie BaS, powstały poprzez wyprażenie barytu (mineralnego siarczanu baru) z mąką.

Doświadczenia: kryształ kalcytu naświetlić za pomocą lampy błyskowej (lampy aparatów cyfrowych są zbyt słabe) i zaobserwować trwającą kilka sekund zieloną fosforescencję, UWAGA: podczas błysku lampy oczy muszą być zamknięte, by uniknąć oślepienia! To samo wykonujemy błyskając sobie w zęby, również obserwujemy trwające kilka sekund zielone świecenie zębów. Kilka gramów kwasu borowego stopić w dodatkiem 1-2 mg fluoresceiny, stop wylać na podłoże, fosforescencja jest widoczna nawet po naświetleniu żarówką, ale lepiej ponownie użyć lampy błyskowej, obserwuje się żółtozieloną fosforescencję. Można także stopić landrynkę z riwanolem i powtórzyć czynności.

CHEMILUMINESCENCJA

Tak nazywamy proces chemiczny podczas przebiegu, którego następuje wydzielenie energii na sposób światła Warunkiem emisji światła jest powstanie produktu wzbudzonego, świecenie następuje podczas powrotu elektronów na niższe orbity (rekombinacji). Należy tu także bioluminescencja.

Jako pierwszy zjawisko chemiluminescencji zaczął badać Fritz Haber (1869 – 1934), urodzony we Wrocławiu (Breslau), pracujący w Niemczech, który w 1918 dostał Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii za opracowanie syntezy amoniaku (proces Habera-Boscha).

Zazwyczaj energia reakcji chemicznej jest wydzielana w postaci ciepła. W niewielu przypadkach energia powstająca w reakcji zostaje zużyta bezpośrednio na wzbudzenie układu elektronowego cząsteczki produktu reakcji. Aby zaszła taka reakcja, znaczna część jej energii - Δ H musi ulec przekształceniu w energię wzbudzenia produktu P1*(gwiazdka oznacza produkt wzbudzony). Układ krzywych energii potencjalnej musi być taki, że prawdopodobieństwo otrzymania produktów w stanie wzbudzonym jest większe niż prawdopodobieństwo otrzymania ich w stanie podstawowym. W pojedynczym akcie reakcji chemicznej musi się wydzielić dostateczna ilość energii Δ H , która doprowadzi do wzbudzenia P*1. Minimalna energia odpowiada różnicy energetycznej poziomu podstawowego i pierwszego wzbudzonego (E2-E1). Dobrymi akceptorami są cząsteczki mające nisko położone wzbudzone poziomy energetyczne. Stąd też w większości reakcji związanych z emisją światła o wysokim natężeniu biorą udział duże cząsteczki organiczne.

Wydajność kwantowa określa część energii reakcji, która jest wypromieniowywana w postaci światła, a tym samym określa prawdopodobieństwo zajścia emisji promienistej. Wydajność kwantowa jest równa jedności, gdy zajściu jednego elementarnego aktu reakcji towarzyszy emisja jednego kwantu światła. W środowisku wodnym wynoso ona zaledwie ok. 0,1%, w rozpuszczalnikach organicznych ok. 1%, natomiast reakcja enzymatycznego utleniania lucyferyny przekracza 90% wydajności kwantowej (!), co oznacza, że prawie cała energia reakcji jest wypromieniowywana w postaci światła. Pośród reakcji przeprowadzanych warunkach laboratoryjnych najwydajniejsze są: utlenianie CaSi₂ oraz utlenianie szczawianów organicznych.

W przypadku, gdy świecenie roztworu zachodzi w okolicach elektrody podczas przepływu prądu elektrycznego to mówimy o zjawisku elektronochemiluminescencji (ECL). Właściwości takie wykazują np. jony Dy czy Eu warunkach obecności nadtlenku wodoru lub nadsiarczanu potasu.

W warunkach laboratoryjnych zwykle można wykonać następujące doświadczenia z towarzyszącą chemiluminescencją:

• Utlenienie luminolu w wodzie,
• Utlenianie luminolu w rozpuszczalnikach organicznych,
• Utlenienie szczawianów organicznych w obecności przenośników energii (sensybilizatorów),
• Utlenianie chlorku oksalilu,
• Świecenie białego fosforu; Test Mitscherlicha, płomień Smitchella,
• Świecenie singletowego tlenu ,
• Test wstępnej identyfikacji krwi,
• Reakcje zegarowe z błyskiem,
• Enzymatyczne utlenienie luminolu,
• Reakcja Wedekinda,
• Utlenianie lofiny

LUMINOL

W warunkach laboratoryjnych jest to substancja o najsilniejszych właściwościach luminescencyjnych. Luminol jest hydrazydem kwasu 3-nitroftalowego. Jego luminescencyjne właściwości odkryto w 1928 roku. Reakcja utleniania luminolu:

Warunki reakcji:

• środowisko alkaliczne,
• obecność utleniacza (np. woda utleniona, ClO-, anoda elektrolizera),
• obecność aktywatora (np. jony Fe(III), Cu(II)), Cr(III)... )

Chemiluminescencja znajduje zastosowanie np. w niektórych metodach detekcji HPLC (wysokosprawnej chromatografii cieczowej), elektroforezie kapilarnej CE, technikach przepływowych. Ponadto chemiczne latarki (np. typu Cyalume, patrz foto) znajdują zastosowanie w ratownictwie, grotołastwie, policji i wojsku, takie latarki mogą świecić nawet 12 h.

 

Doświadczenia:

Utlenianie luminolu w środowisku wodnym:

R-r A: 2,5 NaOH rozpuszczamy w wodzie destylowanej, dodajemy 0,5 g luminolu i rozcieńczamy do objętości 250 ml, r-r ten postawić na mieszadle magnetycznym na kilka godzin do rozpuszczenia luminolu (jeśli włączyć grzałkę czas będzie znacznie krótszy) lub odstawić na kilka dni.
R-r B: 7,5 g heksacyjanożelazianu (III) potasu i woda do objętości 250 ml Przed pokazem sporządzamy sobie r-ry: 25 ml r-ru A rozcieńczamy do 200 ml,

25 ml r-ru B z dodatkiem 15 ml wody utlenionej (lub 1,5 ml perhydrolu) rozcieńczamy do objętości 200 ml. W ciemności wlewamy oba r-ry równocześnie do kolby poprzez lejek lub szklaną spiralę i obserwujemy niebieskie świecenie, trwające ok. 10 min. Jeśli użyć swieżo sporządzonego r-ru (a właściwie zawiesiny w wodzie, gdyż luminol bardzo powoli rozpuszcza się w wodzie), to świecenie trwa ok. 10 s, można je przywrócić prze dodanie małej porcji rozcieńczonego r-ru NaOH.

Utlenianie luminolu w rozpuszczalniku organicznym:

Do kolby stożkowej pojemności 500 ml wsypujemy 25 g KOH i wlewamy 10 ml DMSO (sulfotlenku dimetylu) lub DMF (dimetyloforamid), dodajemy ok. 10 mg luminolu (na czubek noża) i zawartością silnie wstrząsać przy zamkniętej kolbie (wysuszenie rozpuszczalnika). Po chwili rozpoczyna się emisja światła, trwa ok. 30 min, czasem jednak nawet kilka godzin.

Utlenienie szczawianów organicznych

R-r A: rozpuszczamy 0,42 g DNPO (szczawianu bis(2,4-dinitrofenylu) lub 0,51 g TEPO (szczawianu bis(2,4,6-trinitrofenylu) rozpuszczamy we ftalanie dimetylu i dodajemy 0,1 g barwnika fluorescencyjnego (sensybilizatora): DPA (9,10-difenyloantracen), BPEA (1,10-bis(difenyloetynylo)antracen) lub rodaminy B. Uzupełnić rozpuszczalnik do objętości 100 ml. R-r jest 0,01 M estru i ok. 0,003 M wobec barwnika. R-r TCPO jest trwały, jeśli jest przechowywany w ciemności. R-r B: mieszamy 8 ml perhydrolu, 20 ml alkoholu tert-butylowego, 80 ml ftalany dibitylu, dodajemy 20 – 30 mg salicylanu sodu (aktywator), nie jest konieczny, ale luminescencja będzie mniejsza. Przechowywać w ciemności. Aktywatora można dodać również dopiero podczas pokazu, dla uwidocznienia jego roli.

W celu pokazu mieszamy obydwa r-ry, świecenie występuje natychmiast. Kolor luminescencji zależy od sensybilizatora i użytego szczawianu:

 

Barwnik	Barwa świecenia	DNPO, czas	TCPO, czas
DPA	niebieska	12 min	3-4h
BPEA	zielona	15min	3-4h
Rodamina B	czerwona	2min	30min

To właśnie te r-ry mieszają się po złamaniu chemicznej latarki, są też składnikiem świecących zabawek dostępnych na festynach i innych imprezach masowych. Mechanizm reakcji nie jest wyjaśniony.

Utlenianie chlorku oksalilu

1 ml chlorku oxalilu rozpuszczamy w 25 ml chlorku metylenu, kolbę zamknąć i przechowywać w ciemności. R-r jest praktycznie trwały.

Do pokazu najlepiej przygotować pięć erlenmajerek lub małych zlewek. Do każdej wlewamy 25 ml chlorku metylenu, po 5 mg jednego z sensybilizatorów: rubren, DPA, rodamina 6 G, 13,13’-dibenzantronyl, mieszanina rubrenu i DPA. Nastepnie do każdej po 4 ml wody utlenionej z pipetki, następnie po 2 ml r-ru chlorku oksalilu. W ciemności widoczne jest jasne świecenie, kolor i intensywność żależą od użytego barwnika:

Sensybilizator	Barwa	Intensywność	Czas emisji [min]
Rubern	żółta	b. duża	2
DPA	niebieska	b. duża	3
Rodamina 6 G	pomarańczowa	b. duża	0,5
13,13’-dibenzoatronyl	zielona, żółta	duża	0,7
Rubern + DPA	żółta, niebieska	duża	3

Świecenie białego fosforu

Porównać wygląd białego fosforu (ostrożnie! Substancja trująca i niezwykle łatwopalna) na powietrzu przy świetle i w ciemności. Do kolby kulistej poj. 500 ml wlać 100 ml oleju rycynowego i wrzucić kilka kawałków białego fosforu. Kolbę zatkać zwitkiem z waty i delikatnie poruszać do rozpuszczenia pierwiastka. Próbkę czerwonego fosforu wrzucamy do probówki, probówkę tę wypełniamy drugą probówką do nie dopasowaną i wypełnioną wodą. Następnie ogrzewamy probówkę płomieniem ostrożnie przez kilkanaście sekund. Po ochłodzeniu probówkę wewnętrzną wyciągamy i możemy zaobserwować świecenie. W wysokich temperaturach fosfor czerwony przechodzi w biały. Czerwony fosfor jest także składnikiem potarki na pudełkach zapałek, i również możemy wykonać przemianę fazową w biały. W tym celu odcinamy z pudełka potarkę z jak najcieńszą warstwą papieru. Uzyskany papierek zginamy w pół i umieszczamy na ostrzu noża, następnie w ciemności zapalamy. Gdy już się wypali resztę zdmuchujemy i w miejscu, w którym palił się papierek pocieramy ostrze palcem, w tym miejscu ostrze powinno świecić bladozielono. Zamiast noża, można zwęglić płomieniem zapalniczki potarkę na monecie i postąpić analogicznie. Nóż i ręce po doświadczeniu należy umyć.

• Płomień Smitchella

  Do szerokiej probówki wsypujemy próbkę czerwonego fosforu, probówkę zatykamy korkiem wyposażonym w wie rurki: jedna sięga prawie dna, druga kończy się tuż pod korkiem. Przez dłuższą chwilę wdmuchujemy strumień CO₂ (uzyskanego np. przez zakwaszanie węglanów lub z suchego lodu). Następnie dno delikatnie ogrzewamy płomienien i w ciemności obserwujem strumień wylotowy, który wyraźnie świeci, nie zapala jednak kartki. Podobnie jak w poprzednich doświadczeniach mamy przemianę fazową fosforu, biała odmiana jest lotna i dwutlenek węgla porywa pary ze sobą.

• Próba Mitscherlicha

  Kolbę kulistą ze szlifem napełniamy do polowy wodą i wrzucamy kawałek białego fosforu razem z kawałkiem porcelany (zarodnik wrzenia), montujemy chłodnicę zwrotną (kulową lub powietrzną długości 1 m, w przypadku pierwszej nie podłączamy wody chłodzącej). Kolbę ogrzewamy i gdy ciecz zacznie wrzeć zaciemniamy pomieszczenie. No dole chłodnicy widać jasnoniebieski płomień, który zaczyna posuwać się ku górze. W rzeczywistości nie jest to płomień, ale obłok par fosforu utlenianych powietrzem do pięciotlenku fosforu, gdy dojdzie do wylotu chłodnicy nie powoduje zapalenia papieru. Próba Mitscherlicha służyła do wykrywania fosforu w zawartośći żołądka denata, w przypadku podejrzenia zatrucia tą substancją.

Świecenie wzbudzonego tlenu

Utlenianie układu pirogalol/formaldehyd/nadtlenek wodoru

Sposób I:

W zlewce pojemności co najmniej 150 ml umieszczonej na mieszadle magnetycznym mieszamy 40 ml wody destylowanej, 25 K₂CO₃, 0,8 g NaOH, 1 g pirogalolu oraz (niekoniecznie) 10 mg luminolu. Po rozpuszczeniu otrzymujemy brunatny roztwór., który przenosimy do zlewki o pojemności co najmniej 1 litr lub lepiej 2 litry. Bezpośrednio przed pokazem dodajemy 10 ml formaliny i następnie 40 ml perhydrolu. W zlewce pojawia się czerwone światło, mieszanina zaczyna się silnie pienić, po kilku sekundach światło znika, a jeśli dodaliśmy luminolu, to pojawia się na jej miejscu światło niebieskie, które po ok. 10 s gaśnie. Jeśli nie dysponujemy zlewką o żądanej pojemności to należy ją umieścić w kuwecie lub misce, gdyż spieniona mieszanina może wykipieć.

Sposób II:

Sporządzamy nasycony r-r K₂CO₃ oraz 10% r-r pirogalolu. Przed pokazem 20 ml pierwszego i 10 ml drugiego umieszczamy w dużej zlewce, dodajemy 10 ml formaliny i 30 ml perhydrolu. Teraz pojawia się czerwona luminescencja, która przez ok. 10 s rośnie i nagle gaśnie, teraz możemy dodać jeszcze r-ru luminolu w NaOH, aby przez dłuższą chwilę obserwować światło niebieskie.

Obydwa doświadczenia należy wykonac w większym pomieszczeniu lub pod wyciągiem, gdyż wydziela się dużo gryzących par. Użycie Na₂CO₃ daje znacznie gorszy wynik, natomiast Rb₂CO₃ daje najlepsze wyniki, pod względem intensywności i czasu świecenia, niestety jest to odczynnik drogi i mało dostępny

Świecący gaz

Sposób I:

Schładzamy płuczkę (najlepiej bełkotkową), tryskawkę lub zlewkę z perhydrolem z dodatkiem NaOH w mieszaninie lodu z solą. Zlewkę zaopatrujemy w rurkę ze spiralnym zakończeniem i z dziurkami na spirali. Przez płuczkę, tryskawkę lub przez rurkę przepuszczamy strumień chloru. Obserwujemy silne czerwone świecenie. Chlor możemy wywiązać poprzez elektrolizę HCl ( w mieszaninie z H₂). Innym rozwiązaniem jest wstrzyknięcie do r-ru (za pomocą strzykawki) r-ru chloru lub bromu w tetrachlorku węgla lub chloroformie.

 

Sposób II:

W jednej zlewce schładzamy r-r 20 g NaOH w 150 ml wody, w drugiej 30 ml perhydrolu. R-ry mieszamy i postępujemy analogicznie.

Należy zachować ostrożność podczas pracy z chlorem o bromem!

Identyfikacja krwi:

Sposób I:

Rozcieramy w moździeżu na drobny proszek 0,2 g luminolu, 4 g nadboranu sodu, 30 gramów krystalicznego obojętnego fosforanu sodu (Na₃PO₄*12H₂O) i 30 g sacharozy (zwykły cukier).

Do pokazu 4 g mieszaniny ropuszczamy w 500 ml wody i przenosimy do litrowej butelki, dodajemy 4 ml świeżej krwi i silnie wstrząsamy. W ciemności roztwór nalewamy z dużej wysokości do litrowej zlewki i widzimy niebiesko połyskujące światło.

Sposób II (bardziej praktyczny):

Przygotować r-r o składzie: 0,1 g luminolu, 5 g Na₂CO₃, woda do objętości 100 ml.

Do roztworu dodać 10 ml wody utlenionej i wrzucić kawałki tkaniny, bandaża itp. poplamionego krwią. Miejsca poplamione krwią świecą. Dla potwierdzenia obecności krwi skrawki można przeprasować żelazkiem i powtórzyć próbę, znowu obserwujemy niebieską luminescencję. Pogrzanie ma na celu dezaktywować roślinne enzymy z grupy peroksydaz, które również powodują świecenie luminolu (patrz punkt 9). Wbrew pozorom w próbie tej nie świeci luminol, ale hemoglobina, która odbiera energię zbudzenia luminolu, czyli jest jest sensybilizatorem. Powracając do stanu podstawowego emituje niebieskie światło (fluorescencję, podobne właściwości ma chlorofil).

Reakcja zegarowe z błyskiem:

Roztwór A: 0,16 g chlorowodorku cysterny w 100 ml wody destylowanej
Roztwór B: 1 g krystalicznego siarczanu miedzi w 100 ml wody, r-r jest trwały
Roztwór C: 5% r-r KOH

Bezpośrednio przed pokazem odpipetować 1 ml B i rozcieńczyć w 400 ml wody. W erlenmajerce zmieszać 5 ml A, 5,5 ml C, dodać 5 mg luminolu, ustawić na mieszadle magnetycznym i przy silnym mieszaniu dodać 40 ml rozcieńczonego iprzednio r-ru B. Po ok. dwóch minutach w ciemności widoczny jest widoczny szybko gasnący błysk.

Równania zachodzącej reakcji: 2R-SH+O₂ -> R-S-S-R+H₂O₂

R-SH oznacza cząsteczkę cysterny, która zostaje utleniona do cystyny R-S-S-R, reakcja jest katalizowana przez jony miedzi, które ponadto katalizują utlenianie luminolu za pomocą powstałego nadtlenku.

Enzymatyczne utlenienie luminolu:

Luminol w ilości "na czubku noża" rozpuszczamy w 2 ml 5% r-ru Na₂CO₃, dodać 10 ml wody utlenionej i rozcieńczyć do 50 ml. Gasimy światło i wrzucamy do zlewki z r-rem kawałek korzenia chrzanu lub pietruszki. Możemy wtedy zaobserwować niebieską luminescencją luminolu. Jeśli moczyć w wodzie kawałki tych warzyw i użyc tego wyciągu zamiast korzeni to efekt jest ten sam. Wyciągiem tym wykonać plamę na papierze i po wyschnięciu spryskać r-rem luminolu, miejsce splamione wyciągiem warzywnym świecą w ciemności. Sporządzanie wyciągu i suszenie papieru musi być wykonane na zimno, gdyż enzymy są bardzo wrażliwe na podwyższoną temperaturę (porównaj identyfikację krwi).

Reakcja Wedekinda:

W kolbie z chłodnicą zwrotną umieszczamy 1 g wiórków Mg, 10 g p-dibromobenzenu, 50 ml eteru suszonego nad sodem. Kolbę ogrzać, gdyby reakcja nie zachodziła dodać kryształek jodu jako aktywatora. Próbkę roztworu nakropić na bibułę i zaobserwować w ciemności świecenie.

Zachodzą reakcje: Br-C₆H₄-Br+Mg -> Br-C₆H₄-MgBr Powstały związek Grignarda utlenia się na powietrzu, czemu towarzyszy świecenie: 2Br-C₆H₄-MgBr+O₂ -> 2Br-C₆H₄-O-MgBr+hv hv oznacza kwant światła, niestety produkt ten szybko uliega hydrolizie do p-bromofenolu i bromku hydroksymagnezu.

Utlenianie lofiny:

Przygotowujemy 4 roztwory robocze:

A) 1 g lofiny w 50 ml metanolu lub etanolu
B) 2,5 ml wody utlenionej i alkohol do 25 ml
C) 1 g KOH w 15 ml wody i alkohol do 20 ml
D) 1 ml handlowego 13% r-ru podchlorynu sodu lub 2,5 ml wybielacza zawierającego 4% podchlorynu, może być płyn Savo, oraz woda do 25 ml

W przyciemnionym pomieszczeniu zmieszać 10 ml A z całymi r-rami B i C. Roztwór D umieścić w wysokim cylindrze i wlać do niego, w ciemności, zmieszane roztwory A, B i C. W cylindrze pojawi się cytrynowożółte światło, trwające ok. minuty, potem gaśnie. Kilkukrotne dodatki wybielacza albo r-ru podchlorynu wznawiają luminescencję.

BIOLUMINESCENCJA

Jest to odmiana chemiluminescencji. Polega na emisji światła podczas reakcji biochemicznych. Zdolność do bioluminescencji posiadają wszystkie (!) żywe komórki. Wszystkie żywe organizmy wykazują bioluminescencję, jest ona zbyt słaba by ją zauważyć (ultrasłaba).

W przyrodzie jest grupa gatunków, która charakteryzuje się mocną luminescencją, taką, którą jesteśmy w stanie dostrzec. Należą tu organizmy należące do różnych grup, od jednokomórkowych do kręgowców. Emisja światła jest często reakcją enzymatyczną, polegającą na utlenianiu lucyferyny przez lucyferazę, tak dzieje się u świetlików. Łacińskie Lucifer oznacza "światło niosący"

Reakcja utlenienia lucyferyny:

Ta reakcja jest inną drogą oddychania komórkowego, stąd zdolności do bioluminescencji posiadają organizmy tlenowe. Inną reakcją, podczas której następuje świecenie jest reakcja utlenienia aldehydów tlenem w obecności (flawonomononukleotydu) oraz ATP. Reakcji tej towarzyszy emisja fali o długości 490 nm, czyli niebieskiego. Mino że stężenie reagentów jest granicznie małe, rzędu , intensywność świecenia jest duża, co wynika z wysokiej wydajności kwantowej, np. świetliki (robaczki świętojańskie) są widocznie tuż po zachodzie słońca.

Bioluminescencja jest najstarszą znaną ludzkości formą luminescencji:

"Próchno świecące księżycowo w korze Zda mi się pełne widm, pokus i gwaru..." J. Słowacki, „Beniowski”

Rola wytwarzania światła przez organizmy zwykle związana jest z celami rozrodczymi (zwabienie partnera), lub służy do zdobywania ofiar, nie zawsze jednak jej biologiczna rola jest wyjasniona, jak i mechanizm jej powstawania. Badania nad tym zjawiskiem rozpoczął w 1885 francuz Du Boi. Już pod koniec XIX wieku udało się stwierdzić, że kwant energii świetlnej o długości fali 500 nm odpowiada syntezie 6 cząsteczek ATP.

ŚWIECĄCE BAKTERIE

 

Do gatunków charakteryzujących się zdolnością do wytwarzania światła należą bakterie odpowiedzialne za gnicie mięsa i ryb, mówiąc wprost: gnijące mięso i ryby świecą w ciemnośći (!)

 

Hodowla świecących bakterii w warunkach laboratoryjnych

Hodowla Photobacterium phosphoreum:



pod mikroskopem:

Zaniepokojenie i zdziwienie pasażerów statków budzi czasami zielone światło, które pojawia się przy spłukiwaniu toalet. Przyczyną tego zjawiska są bakterie świecące, które rozwijają się w wodzie morskiej używanej do tego celu na statkach.

Australia, 21.XI.05: Świecące w nocy wieprzowe mięso, jakie w ostatnim czasie pojawiło się w Australii, nie jest szkodliwe dla zdrowia - zapewniają zaniepokojonych konsumentów władze. Lepiej jednak wyrzucić świecące schabowe - radzą przedstawiciele rządowego resortu ds. żywności.

"Niejeden kawałek mięsa jeszcze wieczorem świecił, zanim ugotowany następnego dnia stanowił apetyczny i smaczny posiłek" Robert Boyle (1667)

Gnijące ryby świecą tak jasno, że dawniej umożliwiały odczytanie nocą godziny na zegarku. Tak działo się w miastach portowych, w których pobliżu portu walały się niegdyś odpady rybne, a latarni jeszcze wtedy nie było i ich światło nie zagłuszało światła odpadków.

Ludzka wyobraźnie jest bez granic. Dzięki rozwojowi inżynierii genetycznej udało się wyizolować z bakterii geny odpowiedzialne za biolumenescencję, a następnie wszczepiono je roślinom nie posiadającym zdolności świecenia. Otrzymano m.in. soję o świecących na niebiesko korzeniach gdy odczuwa niedobór azotu (!).Obecnie opracowywana jest metoda badania stopnia skażenia wód w zależności od szybkości zaniku bioluminescencji.

ŚWIECĄCE GLONY

Do jasno świecących organizmów należą także glony z grupy bruzdnic, Żyją one zwykle w tropikalnych morzach, ale czasem pojawiają się w Bałtyku, należy do bruzdnica Alexandrium ostenfeldii.

Ostatni przypadek pojawienia się tej bruzdnicy w Bałtyku miał miejsce 08. IX. 05 na Helu, poniżej fotografia wykonana w 2001 roku przez pracowników Stacji Morskiej podczas jednej z takich nocy:

Atrakcją Karaibów są świecące zatoki:

Na te zatoki natknął się także Krzysztof Kolumb, spowodowało to strach wśród jego załogi. Benjamin Franklin w 1753 roku pisał:

"To jest prawie niemożliwe, żeby tak małe organizmy, które są ledwo dostrzegalne nawet przez najlepsze okulary, mogły wydzielać tyle światła".

ŚWIECĄCE GRZYBY

Zdolność do świecenia posiada ponad 40 gatunków znanych grzybów. Do takich gatunków należy pospolita w naszych lasach opieńka miodowa – pasożyt drzew oraz boczniak. Mocno świecą ryzomorfy opienki – fragmenty grzybni spełniające rolę korzeni. Wystarczy zerwać kawałek kory z zainfekowanego pnia i naszym oczom ukaże się zielone światło. Jest ono na tyle intensywne, że umożliwiało odczytanie nocą listu, jak to robili żołnierze w okopach podczas pierwszej wojny światowej.

Rozłupany pień zaatakowany przez opieńkę, z lewej zdjęcia przy lampie błyskowej, z prawej bez lampy:

Świecące grzyby były od dawna wykorzystywane jako źródła bezpiecznego światła np. w prochowniach, składach mąki. Również drewniane stemple w płytkich pokładach kopalń były często poprzerastane grzybnią, przez co stawały się źródłem światła. W Skandynawii w lasach rozkładano wzdłuż ścieżek kawałki świecącej kory dla ułatwienia orientacji, podobnie postępowano w tropikach dla umożliwienia orientacji w dżungli.

Doświadczenie Molisza:

Czeski mykolog Molisz zaszczepił grzybnię opieńki na chlebie, co sprawiło, że gdy grzybnia się rozrosła, bochen świecił w ciemności!

ŚWIECĄCE OWADY

Znane są liczne owady świecące, każdy zna robaczka świętojańskiego, natomiast już w Niemczech znany jest owad wydzielający światło w dwóch kolorach: zielonym i czerwonym.

Atrakcją Nowej Zelandii są świecące jaskinie, w których żyje pewien gatunek muchówki. Larwy tego gatunku produkują świecącą lepką nić, która światłem zwabia owady. Im głodniejsza larwa tym światło mocniejsze.

ŚWIECĄCE RYBY

Ryby takie żyją przeważnie w morskich głębinach, często w symbiozie ze świecącymi bakteriami. W tym przypadku luminewscencja również związana jest ze zwabianiem ofiary. W XVIII wieku próbowano zastosować w sztolniach angielskich kopalń świecące ryby, niestety ryby te nie były w stanie w nich przeżyć.

Świecąca ryba głębinowa zwana maszkarą (jak widać nie jest zbyt sympatyczna, jak i większość ryb głębinowych), jej ciało pokryte jest świecącymi punktami, natomiast wyrostek nad okiem służy do zwabiania ofiar:

ŚWIECĄCE MEDUZY

INNE ŚWIECĄCE GATUNKI

Znana jest jaszczurka pokryta ze zdolnością świecenia, nie została do tej pory sklasyfikowana. Nie jest wyjaśniona tajemnica błysków kwiatów geranium, pierwszy raz zaobserwowane pod koniec XIX prze botaników, jednak od ok. 100 lat botanika się tym nie zainteresowała. Ciągle nie znany też rzeczywistej liczby gatunków zamieszkującej naszą planetę, mimo że nauka opisała ich ponad półtora miliona. Szacuje się, że może ich być nawet 20 razy więcej, więc sporo odkryć jeszcze przed nami, również w dziedzinie bioluminescencji i luminescencji ogólnie.

ISBC

Zjawiska luminescencji, szczególnie bioluminescencji są intensywnie badanie przez naukowców całego świata, organizacją ich skupiających jest ISBC – International Society for Bioluminescence and Chemiluminescence.

Artykuł napisali:
DMchemik i Jasia214
Dodał:
MaLuTkI