Chemolumineszenz

Chemolumineszenz in einem Erlenmeyerkolben

Bei der Chemilumineszenz (auch Chemolumineszenz) handelt es sich um einen Prozess, bei dem durch eine chemische Reaktion elektromagnetische Strahlung im Bereich des sichtbaren Lichts emittiert wird, welche nicht thermischen Ursprungs ist (siehe auch Lumineszenz).

Die Biolumineszenz ist ein Spezialfall der Chemolumineszenz in biologischen Systemen.

Entdeckung

Bereits im Jahre 1000 v. Chr. wurden in China erste Thesen über biolumineszierende Lebewesen beschrieben. Die erste Chemilumineszenz-Reaktion wurde bereits 1669 vom Hamburger Alchemisten Heinrich Hennig Brand durch Zufall entdeckt (Phosphorus Mirabilis, Leuchten von Phosphordämpfen bei Oxidation durch Luftsauerstoff oder Wasser). Er vermutete, dass sich im menschlichen Urin Gold befindet, woraufhin er einige tausend Liter eindampfte und mit Kohle reduzierte. Dabei wurde das im Urin vorhandene Phosphat zu Phosphor reduziert und durch anschließende Oxidation zum Leuchten angeregt.

Grundlage

Chemilumineszenz von Luminol mit Hämoglobin

Die Emission von Licht bei der Chemilumineszenz ist eine Folge des Überganges eines Elektrons aus einem angeregten Zustand in einen energetisch tiefer liegenden Zustand, ggf. den Grundzustand. Anders als bei der Fluoreszenz oder Phosphoreszenz wird dieser angeregte Zustand bei der Chemilumineszenz durch eine chemische Reaktion erreicht.

Ausgangsstoffe für Chemilumineszenz-Reaktionen bezeichnet man als Luminophore und sind meist Dicarbonylverbindungen (1,2- und 1,4-Dione) wie Oxalsäureester (z.B. Diphenyloxalat und dessen Derivate) und Luminol (3-Amino-Phthalsäurehydrazid). Trichlorphenol und Stickstoff sind gute Fluchtgruppen und begünstigen so den nukleophilen Angriff des Wasserstoffperoxids auf die beiden Carbonylgruppen.

Diphenyloxalat, ein 1,2-Dion

3-Aminophthalsäurehydrazid (Luminol), ein 1,4-Dion

Bei den meisten Chemilumineszenz-Reaktionen entsteht zunächst ein instabiles Intermediat mit einer Peroxid-Brücke, dessen energiereiches Zerfallsprodukt einen Charge-Transfer-Komplex mit einem Farbstoffmolekül (Sensibilisator [engl.: Sensitizer], ein Molekül mit mehreren Doppel- oder Dreifachbindungen) eingeht und Energie an dieses abgibt. Das angeregte Farbstoffmolekül sendet dann ein Lichtquant aus, dessen Wellenlänge von der Struktur des verwendeten Farbstoffs abhängt.

Unter bestimmten Bedingungen lässt sich auch eine oszillierende Chemilumineszenz erzeugen, so z.B. durch Kombination des Orban-Oszillators mit Luminol.

Reaktion von weißem Phosphor mit Sauerstoff bzw. Wasser

Anwendungen

Die wohl bekannteste Chemilumineszenz-Reaktion ist die Oxidation von Luminol durch Wasserstoffperoxid in Gegenwart von Eisen- oder Manganionen, die in der Kriminalistik zur Sichtbarmachung von Blutspuren genutzt wird (der Blutfarbstoff Hämoglobin enthält Fe²⁺-Ionen). Das oxidierte Luminol-Molekül dient dabei gleichzeitig als Sensibilisator.

Kommerziell erhältlich sind Kunststoffröhrchen, die beim Knicken (Knicklichter) ein intensives, verschiedenfarbiges, lang anhaltendes Licht abgeben. Dieses Licht wird ebenfalls durch Chemilumineszenz erzeugt. In den Röhrchen befinden sich drei chemische Komponenten: ein Oxalsäureester, ein Farbstoff, dessen Emission die Farbe des Lichtes bestimmt, und ein Glasröhrchen mit Wasserstoffperoxid. Wird das Röhrchen mit Wasserstoffperoxid zerbrochen, startet die Peroxyoxalat-Chemilumineszenz.^[1]

Die Chemilumineszenz von 1,2-Dioxetanen findet in der Biochemie und in der medizinischen Diagnostik Anwendung.^[2] Durch sie ist man in der Lage, geringste Spuren von Enzymen bis hin zu einzelnen Molekülen sicher nachzuweisen. Neben anderen Luminophoren, wie Luminol, Acridiniumester oder Luciferine werden in der Chemilumineszenz-Immunoassay so die Konzentrationen von Antikörpern und Antigenen bestimmt. Außerdem lassen sich ATP und NADH in biologischen Medien bis zu sehr kleinen Konzentrationen bestimmen. Für viele Substrate, die mit ATP in Zusammenhang stehen, wurden empfindliche Nachweissysteme entwickelt. ^[3]

Literatur

• S. Albrecht, H. Brandl, Th. Zimmermann: Chemolumineszenz. Hüthig Verlag, Heidelberg 1996
• Aldo Roda: Chemiluminescence and Bioluminescence. Royal Society of Chemistry 2011; ISBN 978-1-84755-812-1

Einzelnachweise

1. ↑ Universität Jena: Die Peroxyoxlat-Chemilumineszenz
2. ↑ Universität Jena: Die Chemilumineszenz von 1,2-Dioxetanen
3. ↑ S. Albrecht, H. Brandl, W. Adam: Chemilumineszenz-Reaktionen, Chemie in unserer Zeit, 24. Jahrg. 1990, Nr. 5, S. 227-238

Weblinks

• Videos von Luminol, oszillierender Chemolumineszenz und Oxalsäureestern (Herstellung ist auch auf der Seite)