miniatura|direita|Uma reação quimioluminescente em um balão de Erlenmeyer.
Quimioluminescência é a emissão de luz, uma forma de luminescência, resultante de uma reação química. Um exemplo comum em laboratório é o teste com luminol, no qual vestígios de sangue podem produzir luminescência devido à ação catalítica do ferro presente na hemoglobina. Bastões luminosos também emitem luz por quimioluminescência.
Quando a quimioluminescência ocorre em organismos vivos, o fenômeno recebe o nome de bioluminescência.
Descrição física Como em muitas reações químicas, a quimioluminescência pode começar pela combinação de dois compostos, A e B, para formar um produto C. Diferentemente da maioria das reações, C dá origem a outro produto em um estado excitado, representado aqui por um asterisco:
A + B → C C → D*
D* emite então um fóton, hν, e passa ao estado fundamental de D:
D* → D + hν
Por exemplo, A pode ser luminol e B, peróxido de hidrogênio. Nesse caso, D é o 3-aminoftalato, ou 3-APA.
Em princípio, cada molécula de reagente poderia resultar na emissão de um fóton. Na prática, o rendimento, ou eficiência quântica, costuma ser menor devido, entre outros fatores, a reações secundárias.
A quimioluminescência difere da fluorescência e da fosforescência porque o estado eletrônico excitado é produzido por uma reação química, e não pela absorção de um fóton. É o processo inverso ao de uma reação fotoquímica em que a luz fornece energia para a transformação química. Na quimioluminescência, a própria reação fornece a energia que produz o estado emissor. A luminescência também pode ser gerada por reações em eletrodos. Nesse caso, recebe o nome de eletroquimioluminescência.
miniatura|direita|Bioluminescência na natureza: um macho da espécie Lampyris noctiluca acasalando com uma fêmea.
Reações em fase líquida A quimioluminescência foi observada pela primeira vez com a lofina, ou trifenilimidazol. Em solução básica, o composto é convertido em imidazolato, que reage com oxigênio até formar um dioxetano. A fragmentação do dioxetano produz o estado excitado de uma diamida aniônica.
miniatura|centro|Etapas que levam à quimioluminescência da lofina.
Em sistemas aquosos, a quimioluminescência é produzida principalmente por reações de oxirredução.
miniatura|Quimioluminescência após uma reação entre peróxido de hidrogênio e luminol.
O luminol, em solução alcalina, reage com peróxido de hidrogênio na presença de ferro, cobre ou outro agente oxidante adequado e produz 3-aminoftalato em estado excitado, que emite luz ao retornar ao estado fundamental. A reação pode ser representada de forma simplificada por:
C8H7N3O2 + H2O2 → 3-APA* → 3-APA + luz
Reações em fase gasosa miniatura|Bastões luminosos verdes e azuis.
Uma das reações quimioluminescentes conhecidas há mais tempo é a oxidação do fósforo branco elementar em ar úmido, que produz um brilho verde. Trata-se de uma reação em fase gasosa entre vapor de fósforo e oxigênio acima do sólido, na qual são formadas espécies excitadas de dióxido de fósforo e HPO.Rauhut, Michael M. "Chemiluminescence". In: Grayson, Martin, ed. Kirk-Othmer Concise Encyclopedia of Chemical Technology. 3. ed. John Wiley and Sons, 1985, p. 247. ISBN 0-471-51700-3.
Outra reação em fase gasosa é empregada na detecção de óxido nítrico em instrumentos analíticos usados para monitorar a qualidade do ar. O ozônio, O3, reage com óxido nítrico, NO, produzindo dióxido de nitrogênio em estado excitado:
NO + O3 → NO2* + O2 NO2* → NO2 + hν
Ao retornar a um estado de menor energia, o NO2* emite radiação em uma faixa ampla que se estende do visível ao infravermelho. Um fotomultiplicador e a eletrônica associada medem os fótons emitidos, cuja quantidade é proporcional à quantidade de NO na amostra.
Para medir NO2, a amostra é primeiro passada por um conversor que o transforma em NO. Uma amostra contendo NO e NO2, depois de passar pelo conversor, fornece a quantidade combinada dos dois gases. Sem o conversor, a reação com ozônio mede somente o NO originalmente presente. A concentração de NO2 pode então ser obtida pela diferença entre a medição total de NO + NO2 e a medição de NO.
Quimioluminescência no infravermelho Em cinética química, a quimioluminescência no infravermelho, abreviada IRCL do inglês infrared chemiluminescence, é a emissão de fótons infravermelhos por moléculas de produtos vibracionalmente excitadas logo após sua formação. As intensidades das linhas de emissão no infravermelho são usadas para medir as populações dos estados vibracionais das moléculas produzidas.Atkins, Peter; de Paula, Julio. Physical Chemistry. 8. ed. W. H. Freeman, 2006, p. 886. ISBN 0-7167-8759-8.Steinfeld, J. I.; Francisco, J. S.; Hase, W. L. Chemical Kinetics and Dynamics. 2. ed. Prentice-Hall, 1998, p. 263. ISBN 0-13-737123-3.
A observação da IRCL foi desenvolvida como técnica cinética por John Polanyi, que a utilizou para estudar o caráter atrativo ou repulsivo da superfície de energia potencial de reações em fase gasosa. Em geral, a IRCL é muito mais intensa em reações com uma superfície atrativa, pois uma parcela maior da energia é depositada na excitação vibracional. Reações com uma superfície de energia potencial repulsiva produzem pouca IRCL, e a energia é depositada principalmente como energia translacional.Atkins, Peter; de Paula, Julio. Physical Chemistry. 8. ed. W. H. Freeman, 2006, p. 889–890. ISBN 0-7167-8759-8.
Quimioluminescência intensificada A quimioluminescência intensificada, ou ECL do inglês enhanced chemiluminescence, é uma técnica usada em ensaios de detecção em biologia. Uma peroxidase de raiz-forte, conhecida pela sigla HRP, pode ser ligada a um anticorpo que reconhece especificamente a molécula de interesse. A enzima catalisa a oxidação de um substrato quimioluminescente, geralmente na presença de peróxido de hidrogênio, formando espécies excitadas que emitem luz ao retornar a estados de menor energia.
A técnica permite detectar quantidades muito pequenas de biomoléculas. Em sistemas otimizados com HRP conjugada a fragmentos de anticorpos, foram obtidos limites de detecção inferiores a um femtomol.
Aplicações Análise de gases: pode ser usada para determinar pequenas quantidades de impurezas ou contaminantes no ar. Entre as espécies que podem ser medidas estão ozônio, óxidos de nitrogênio e compostos de enxofre. A determinação de NO pode alcançar limites de detecção da ordem de 1 ppb. Detectores quimioluminescentes especializados também são usados para medir concentrações e fluxos de NOx, com limites de detecção de até 5 ppt.Tsokankunku, Anywhere. Fluxes of the NO-O3-NO2 triad above a spruce forest canopy in south-eastern Germany. Tese de doutorado, University of Bayreuth, Faculty of Biology, Chemistry and Earth Sciences, 2014, XII, 184 p. PDF. Análise de espécies inorgânicas em fase líquida. Análise de espécies orgânicas: pode ser aplicada com enzimas quando o substrato não participa diretamente da reação quimioluminescente, mas o produto da reação participa. Detecção e quantificação de biomoléculas: é empregada em sistemas como ELISA e Western blot. Sequenciamento de DNA: a pirossequenciamento emprega uma reação enzimática que gera sinal luminoso à medida que nucleotídeos são incorporados. Iluminação: a quimioluminescência é usada em pipas luminosas,Kinn, John J. "Chemiluminescent kite". United States Patent 4,715,564, concedida em 29 de dezembro de 1987. iluminação de emergência e bastões luminosos. Análise de combustão: algumas espécies de radicais livres, como •CH e •OH, emitem radiação em comprimentos de onda específicos. A taxa de liberação de calor pode ser estimada pela medição da luz emitida pela chama nesses comprimentos de onda. Brinquedos infantis: bastões luminosos e objetos semelhantes são usados como brinquedos e artigos recreativos.
Aplicações biológicas A quimioluminescência é usada em investigações forenses, sobretudo com luminol e peróxido de hidrogênio. Componentes do sangue, em especial o ferro da hemoglobina, catalisam a reação e produzem uma emissão azul, permitindo a detecção presuntiva de vestígios de sangue que não são visíveis a olho nu.
Na pesquisa biomédica, a luciferase de vaga-lumes e seu substrato, a luciferina, são usados em sistemas de imagem por bioluminescência. A reação consome ATP e oxigênio e produz oxiluciferina em estado excitado, cuja relaxação libera luz visível. Essa forma de imagem permite acompanhar crescimento tumoral e vascularização de maneira não invasiva em modelos experimentais. Sistemas bioluminescentes também podem ser empregados para acompanhar a resposta de tumores a terapias antiangiogênicas.
A reação da luciferase de vaga-lume pode ser representada de forma simplificada por:
Luciferina + O2 + ATP →luciferase oxiluciferina + CO2 + AMP + PPi + luz
Outra proteína bioluminescente, a aequorina, encontrada em certas águas-vivas, emite luz na presença de íons cálcio. Ela pode ser usada em biologia molecular para medir concentrações de cálcio em células e em compartimentos intracelulares. O ATP é necessário no sistema da luciferase de vaga-lume, mas não é uma fonte de energia comum a todas as reações bioluminescentes. A aequorina, por exemplo, responde diretamente à ligação de Ca2+ por meio da oxidação de seu grupo prostético.
As moléculas responsáveis pela luminescência diferem entre os organismos, embora o nome genérico luciferina seja usado para os substratos de muitas reações catalisadas por luciferases. Na reação dos vaga-lumes, a luciferina é oxidada e forma um produto excitado. Quando esse produto retorna ao estado fundamental, um fóton é emitido.
Muitos organismos evoluíram sistemas capazes de produzir luz em diferentes cores. Em organismos marinhos, as emissões azul e verde são comuns, pois esses comprimentos de onda atravessam a água com maior eficiência. A bioluminescência pode ser usada para atrair presas, evitar predadores, camuflar o organismo ou participar de comportamentos reprodutivos. Esses sistemas são frequentes entre organismos de águas profundas. Em certas bactérias luminescentes, a produção de luz é regulada por mecanismos de quorum sensing que dependem da comunicação química entre células.
Em abril de 2020, pesquisadores produziram por engenharia genética plantas com brilho muito mais intenso que o obtido em trabalhos anteriores, inserindo genes do fungo bioluminescente Neonothopanus nambi. A emissão é autossustentável e depende da conversão do ácido cafeico da planta em luciferina. Em comparação com sistemas anteriores baseados em genes bacterianos de bioluminescência, a emissão produzida dessa maneira é suficientemente intensa para ser vista a olho nu.
A quimioluminescência é diferente da fluorescência. Por isso, proteínas fluorescentes como a proteína verde fluorescente, ou GFP, não são quimioluminescentes. A GFP e outras proteínas fluorescentes podem, porém, ser combinadas com luciferases em sistemas de transferência de energia por ressonância de bioluminescência, conhecida pela sigla BRET. Nesses sistemas, a energia gerada pela reação bioluminescente é transferida para o fluoróforo sem que seja necessária iluminação externa. Sistemas BRET desenvolvidos com luciferases e proteínas fluorescentes podem produzir emissões mais intensas e deslocadas para comprimentos de onda maiores.
Ver também Bioluminescência, quimioluminescência produzida por organismos vivos Eletroquimioluminescência, luminescência gerada por reações em eletrodos Fluorescência, emissão luminosa após a absorção de radiação Luminol, reagente usado em uma reação quimioluminescente clássica
Categoria:Luminescência Categoria:Espectroscopia de emissão