Хемилюминесцентный фонарь – устройство, обеспечивающее свечение на основе явления хемилюминесценции. Хемилюминесценция – явление возникновения излучения, вследствие образования продуктов химических реакций в возбужденном состоянии. Энергия возбуждения излучается в виде фотонов при квантовом переходе в основное состояние молекулы. Спектр излучения чаще всего располагается в видимом диапазоне, хотя известны реакции с излучением ИК и УФ фотонов. Яркость хемилюминисценции обычно пропорциональна квантовому выходу – отношению числа фотонов, испускаемых химической системой к числу прореагировавших частиц, практически определяемому как отношение интенсивности свечения к скорости химической реакции. Квантовый выход колеблется от 1 (ферментативное окисление на воздухе люциферина светляка) до 10-15 (реакции нейтрализации кислот основаниями). В некоторых системах излучателем (эмиттером фотонов) является вовсе не та молекула, которая возбуждается в первичном химическом акте. Энергия возбуждения перебается с нее безызлучательно другим частицам, которые способны излучать с более высоким выходом (активаторы хемилюминесценции). Активаторы смещают спектры излучения в более длинноволновую область. Встречается явление видимой хемилюминисценции у реакций с низким квантовым выходом (например, окисления п-метилфенилмагнийбромида кислородом воздуха в растворе при комнатной температуре, квантовый выход 10^-9). Это связано с высокими скоростями протекания таких реакций.

Если собственное свечение биологической пробы является очень слабым, то при активации некоторых соединений оно многократно усиливается, и интенсивности потока становиться достаточной для регистрации ее с помощью специальных флуориметрических детекторов. При этом в пробе могут происходить процессы двух типов: химические или физические.

Химические активаторы хемилюминесценции - это соединения, вступающие в химические реакции с активными формами кислорода или органическими свободными радикалами, в ходе которых образуются молекулы, находящиеся в нестабильном возбужденном электронном состоянии. При переходе молекул в свое обычное состояние происходит выброс фотонов и свечение. Хорошо известные представители таких активаторов - это люминол (3-аминофталевый гидразид) и люцигенин - бис-N-метилакридиний. Под действием окислителя (радикала гидроксила) происходит образование радикала люминола, который затем вступает в реакцию с супероксидным радикалом, образуя внутреннюю перекись (диоксид). Ее разложение приводит к образованию возбужденной молекулы 3-аминофталата. Переход этой молекулы в основное состояние сопровождается испусканием кванта света.

Физические активаторы не вступают в химические реакции и не влияют на ход реакций, сопровождающихся свечением, но, тем не менее, многократно усиливают интенсивность хемилюминесценции. В основе их действия лежит физический процесс переноса энергии с молекулы продукта хемилюминесцентной реакции на активатор. К физическим активаторам можно отнести некоторые люминесцирующие соединения, применяемые при цепном окислении липидов. В настоящее время еще не изучено до конца, какие именно соединения могут быть применены, и в лабораториях, занимающихся проведением данного вида исследований, ведутся работы по их поиску. Оказалось, что некоторые красители и комплексы редкоземельных элементов обладают способностью многократно усиливать интенсивность такой хемилюминесценции. Самым эффективным активатором оказалось производные кумарина, которые усиливали реакцию хемилюминесценции в 1 500 раз.

Явление хемилюминисценции можно использовать для создания источников света. Одноразовые источники света основанные на окислении диарил-(гетерил)-оксалатов пероксидом водорода в присутствии активатора и основного катализатора в безводном апротонном растворителе, например, в диметил- или дибутилфталате. Наиболее распространены бис-(2,4-динитрофенил)оксалат и бис- (6-пентилоксикарбонил-2,4,5-трихлорфенил) оксалат. В последнем случае квантовый выход хемилюминисценции 0,25-0,30; концентрации реагентов 0,01-0,3М. Используют также производные 2-пиридона или 2,4,5-трихлоранилина, имеющего у атома азота группу SO₂CF₃. Люминофорами, как правило служат полициклические арены в концентрации 0,001-0,0001M (перилен – голубое свечение, рубрен – оранжевое, 1-хлор-9,10-бис-(фенилэтинил) антрацен – зелено-желтое, 9,10-бис-(фенилэтинил)-антрацен – зеленое, 6,11-дихлор-5,12-бис-(фенилэтинил)тетрацен – красное и т.д.; квантовые выходы 0,90-1,00). Комбинацией нескольких люминофоров получают белое свечение. По конструкции такие источники света представляют собой прозрачную (часто окрашивают родамином для превращения желто-зеленого свечения в оранжево-красное), гибкую, пластиковую трубку с раствором люминофора с активатором, внутри которой помещена стеклянная ампула с раствором пероксида водорода смешанного с основным катализатором. При разламывании внутренней ампулы компоненты смешиваются и возникает свечение продолжающееся в зависимости от назначения трубки от 60 секунд до 3-4 суток. Яркость свечения таких трубок обратно пропорциональна продолжительности свечения. Главными достоинствами таких источников света являются компактность, огне- и взрывобезопасность.

 

Используется в качестве источника света. Оказался особо полезен при проведении спасательных работ ввиду своих качеств огне- и взрывобезопасности. Ввиду своей компактности достаточно часто используется как резервное освещение, например, в экстремальных условиях, туризме, спелеологии и т.п.

В качестве химического источника света используется, например, в виде маркера для поплавка. Представляет собой пластиковый корпус со стеклянной ампулой внутри. Когда капсула разрушается - компоненты смешиваются и получившийся внутри раствор светится в течении нескольких часов, делая поплавок хорошо видным в темноте. Светящиеся браслеты для дискотек тоже работают на явлении хемилюминесценции.

Обнаружение катализаторов, разлагающих пероксид водорода с образованием свободных радикалов. Пероксид водорода постоянно образуется в организме человека, хотя и в небольших количествах. Само по себе это относительно безобидное соединение, но в присутствии ионов металлов переменной валентности (железа, меди, марганца, хрома) или геминовых соединений из пероксида водорода (H2O2) образуется разрушительный гидроксильный радикал (JOH), способный вызывать мутации, инактивировать ферменты и повреждать биологические мембраны. В присутствии люминола гидроксильный радикал вступает с ним в химическую реакцию, что приводит к яркому свечению, связанному с реакциями люминола. По этой причине хемилюминесценцию в присутствии люминола часто используют для определения в биологических средах малых количеств геминовых соединений, металлов переменной валентности, а также вообще способности биологического материала разлагать перекись водорода с образованием радикалов. Приведем некоторые примеры.

У больных инфарктом миокарда в моче могут появиться небольшие количества миоглобина. Гемсодержащие соединения, к которым относится миоглобин, дают яркое свечение в присутствии перекиси водорода и люминола в сильно щелочной среде. Свечение мочи в этих условиях может служить одним из показателей инфаркта у больного.

На поверхности свежей раны выделяется жидкость, называемая раневым экссудатом. В ней содержится каталаза - фермент, разлагающий перекись водорода без образования свободных радикалов. Наряду с этим жидкость содержит другие гемсодержащие белки и ионы железа, которые катализируют разложение перекиси водорода с образованием свободных радикалов кислорода, токсичных для клеток окружающей ткани. При добавлении к раневому экссудату перекиси водорода с люминолом наблюдается хемилюминесценция, тем более сильная, чем больше радикалов образуется при разложении перекиси. Таким образом, хемилюминесценция показывает, сколько токсичных радикалов образуется в экссудате. В свежей ране таких радикалов много, а по мере заживления их становится все меньше и меньше. Ускорение заживления ран за счет применения лекарственных средств или облучения светом лазера сопровождается соответственным снижением хемилюминесценции экссудата. Таким образом, этот метод позволяет врачу контролировать эффективность лечения и вносить коррективы в сроки и дозы применения лечебных процедур.