Проведение реакции хемилюминесценции в условиях школьной лаборатории
Исследование по химии и биологии
Ученика 8АК класса
Финогенова Егора,
Ученика 8АК класса
Тореева Владислава
Научные руководители:
Куксова Ирина Васильевна,
учитель химии
Кирмасова Галина Дмитриевна,
учитель биологии
2023-2024 учебный год
Оглавление
1. Введение3
1.1.Актуальность3
1.2.Цель3
1.3.Задачи3
1.4.Проблема3
1.5.Объект исследования3
1.6.Предмет исследования 3
1.7.Гипотеза4
1.8.Методы исследования4
2. Теоретическая часть5
2.1.История исследования явления люминесценции 5
2.2.Виды и особенности люминесценции 6
2.3.Биолюминесценция или свечение живых организмов ………………………………………..7
2.4.Применение хемилюминесценции в медицине ……………………………………….……..12
3. Экспериментальная часть14
4. Заключение и выводы15
5. Используемая литература15
Люминесценция — наверное, одно из самых красивых явлений, и человечеству оно знакомо с древности. Аристотель, например, упоминал о свечении моря из-за, как мы сейчас знаем, микроскопических организмов. Информация взята с портала «Научная Россия» (https://scientificrussia.ru/).
В наше время уже многие тайны природы познаны. Что много лет казалось необычным и чудесным, сейчас вполне обыденно. Раньше люди представляли явление люминесценции чем-то таинственным и даже дьявольским. Из школьных учебников химии и биологии невозможно получить полное представление о загадочном явлении люминесценции, так как учебного материала недостаточно. Сжатая информация не позволяет усвоить все нюансы данной темы. Нам захотелось выйти из рамок школьной программы и подробно исследовать люминесценцию и познакомить со своими исследованиями учащихся 7-8 классов, посещающих кружки «Занимательная химия» и «Занимательная биология».
Исследовать реакцию хемилюминесценции биологических ферментов и провести реакцию окисления люминола в школьной лаборатории.
1. Изучить теоретический материал по теме исследования, включающий в себя: биолюминсценцию у различных видов живых организмов, способных к люминисценции, таких как кристаллическая медуза (Aequorea victoria), морской сапфир (Sapphirina), креветка-богомол (Odontodactylus scyllarus), светящаяся улитка (Quantula striata).
2. Создать в лабораторных условиях химический источник света (ХИС).
1.4 Проблема
В настоящее время в интернете и других средствах массовой информации существует много различных способов синтеза люминофоров. Многие описания, характеристики люминофоров, зачастую носят рекламный характер, поэтому, как мы полагаем, они могут быть преувеличены авторами. Кроме этого, у большинства учащихся отсутствуют знания по теме «хемилюминесценция».
Люминол и биологические ферменты.
Явление хемилюминесценции люминола и биогенных хемилюминесцирующих ферментов.
Мы полагаем, что в условиях школьной лаборатории с использованием оборудования и доступных реактивов, возможно, провести реакцию окисления люминола под действием пероксида водорода.
1.8. Методы исследования
1. Анализ учебной литературы и Интернет-ресурсов по теме исследования;
2. Наблюдение;
3. Эксперимент
ЛЮМИНЕСЦЕ́НЦИЯ (от лат. lumen, род. п. luminis – свет, и -escent- – суффикс, означающий слабое действие), оптическое некогерентное излучение, возникающее при возбуждении твёрдых тел, растворов и газов. Интенсивность люминесценции превосходит интенсивность теплового излучения тех же объектов в оптическом диапазоне. Время послесвечения (свечения после прекращения внешнего воздействия) люминесценции многократно превышает период световых колебаний (10–15–10–14 с) и составляет от 10–10 с до нескольких часов. Люминесценцию также называют элементарные процессы, в результате которых возникает такое излучение. Современная теория люминесценции основана на квантовомеханических представлениях об электромагнитном излучении, строении вещества и взаимодействии излучения с веществом. Для качественного понимания природы люминесценции достаточны первоначальные представления о квантах света и дискретных возбуждённых состояниях атомов и молекул, впервые сформулированные Н. Бором в 1913.[1]
Некоторые случаи люминесценции, наблюдающиеся в природе (свечение насекомых, гниющих деревьев, а также минералов), были известны с глубокой древности и привлекли внимание учёных ещё в 16 в., когда стало понятным, что это излучение не обусловлено нагреванием тел (поэтому люминесценцию часто называют холодным свечением). Термин «люминесценция» впервые предложил в 1888 Г. Видеман, определивший люминесценцию как избыток интенсивности излучения над интенсивностью теплового излучения тела. История исследования люминесценции тесно связана с открытием рентгеновских лучей, естественной радиоактивности, установлением электронной природы катодных лучей и т. д.: все эти лучи были открыты в ходе исследования явления люминесценции.
Систематические исследования люминесценции начались в первой половине 20 в. в связи с развитием её практических применений. Принципиальное уточнение определения люминесценции дано в конце 1930-х гг. С. И. Вавиловым, который ввёл дополнительный критерий длительности послесвечения. Согласно его определению, люминесценцией называется избыток излучения над тепловым излучением, если это излучение обладает инерционностью (длительностью послесвечения), многократно превышающей период световых колебаний. Такой критерий длительности позволил отделить люминесценцию от др. малоинерционных видов излучения: излучения Вавилова-Черенкова, тормозного, синхротронного и др. После создания лазеров во второй половине 20 в. появилась необходимость указать на отсутствие когерентности люминесцентного излучения, что отличает люминесценцию от лазерного излучения. В изучении основных закономерностей люминесценции и развитии её применений особое значение имеют работы, проведённые в 20 в. российскими физиками научной школы, созданной Вавиловым. [2]
Примеры природной люминесценции: северное сияние, свечение некоторых насекомых и морских микроорганизмов, гниение и т.п.
Люминесценция широко используется:
· в радиоэлектронике (телевизоры, осциллографы, калькуляторы и т.п.)
· в неоновой рекламе дневного света
· в медицинских ртутно-кварцевых лампах
· лаках, красках[3]
В основе явления хемилюминесценции лежит образование продукта химической реакции, находящегося в электронно-возбужденном состоянии, которое характеризуется расположением одного из электронов на более высоком энергетическом уровне. Такой электрон стремится вернуться на основной энергетический уровень и реализовать избыточную энергию возбужденного состояния.
Суть явления хемилюминесценции заключается в том, что вещество в электронно-возбужденном состоянии (P*) образуется как промежуточный продукт химической реакции
A + B → P* → P + фотон
следовательно, в виде света излучается собственная внутренняя энергия реагирующих веществ (A и B).
Окисление люминола
Люминол был открыт в 1853 году, впервые синтезирован в 1903 (А.Д. Шмитц), а с 1928 года (благодаря работам Герберта Отто Альбрехта) активно используется криминалистами для обнаружения следов крови. При этом свое название вещество получило только в 1934 г. (Хантресс с соавторами)[4]. Тем не менее, в хемилюминесценции этой реакции остается много неясного. Благодаря большой яркости свечения люминола, не возникает необходимости в использовании светосильной и высокочувствительной аппаратуры, и для измерения интенсивностей и спектров свечения могут быть применены обычные фотометры и спектральные приборы.
В целом механизм хемилюминесценции люминола упрощенно может быть представлен следующей схемой:
Энергетический эффект реакции составляет примерно 90 ккал/моль 5.
Свечение усиливается при добавлении катализаторов:
- ионы металлов, таких как никель, кадмий, медь
- гексацианоферраты (ферроцианиды)
- кровь, растительная пероксидаза и др.
2.2.1. По спектру:
· ИК (инфракрасная)
· видимая
· УФ (ультрафиолетовая)
· рентгеновская
2.2.2. По способу возбуждения:
· фотолюминесценция – возбуждается светом, наиболее распространена в природе;
· рентгенолюминесценция – возбуждается рентгеновскими лучами (экраны рентгеновских аппаратов, рентгеновские кассеты при съемке);
· радиолюминесценция – возникает при действии α, β-лучей и γ – излучения. Подтверждается открытием явления радиоактивности, обнаружением ионизирующих излучений;
· катодолюминесценция – вызывается движущимися электронами (свечение экрана телевизора);
· триболюминесценция – вызывается трением;
· электролюминесценция – вызывается электрическим полем (свечение неоновых реклам, ламп дневного света);
· хемилюминесценция – протекает при химических реакциях. Если она происходит в живых существах – биолюминесценция (светлячки, гнилушки);
· кристаллолюминесценция – возбуждается процессами кристаллизции[5].
2.2.3. По длительности свечения
· флуоресценция – свечение прекращается сразу после действия возбуждающего излучения (10-6 – 10-7 с).
·
фосфоресценция –
свечение может продолжаться сек., мин. и часы после окончания
(τ>10-7 с) действия возбуждающего излучения (циферблаты
часов, приборов, красители). Фосфоресцирующие твердые вещества называются
люминофоры (фосфоры).
2.2.4. По природе люминесцирующего вещества
· первичная – если люминесцирует само вещество (витамины А и В)
· вторичная – если вещество люминесцирует после обработки люминесцирующими красителями (флюорохромами). При обработке клеток крови флюорохромами они начинают светиться.
2.3. Биолюминесценция или свечение живых организмов
Биолюминесценция - это явление, при котором живые организмы производят свет в результате химической реакции. Это форма хемилюминесценции, при которой два или более химических вещества вступают в реакцию с образованием возбужденного (высокоэнергетического) промежуточного продукта, который затем распадается, высвобождая часть энергии в виде фотонов света. Выделяемое при этом электромагнитное излучение может быть видимым, ультрафиолетовым или инфракрасным. Конечно, мы больше знакомы с биолюминесценцией, которую можно наблюдать, например, при свечении светлячка, но многие другие биологические виды - и даже люди - излучают свет в той или иной форме. Итак, как это происходит?
Для химической реакции, которая обычно приводит к биолюминесценции, необходимы два химических вещества: люциферин и либо люцифераза, либо фотопротеин. Люциферин - это соединение, которое производит свет, а его цвет зависит от особенностей расположения молекул люциферина.
Так, например, кристаллическая медуза (Aequorea victoria) обитающая на западном побережье Северной Америки, использует фотопротеин под названием экворин, который активируется ионами кальция. Кальций является катализатором, причем настолько быстрым, что создаёт очень короткие вспышки света[6].
С другой стороны, светлячки - возможно, самые известные биолюминесцентные живые организмы - для получения света соединяют кислород с кальцием, аденозинтрифосфатом (АТФ) и люциферином в присутствии люциферазы. Эта реакция происходит в специальных органах, расположенных в их брюшной полости.
Также существуют бактерии, излучающие свет. Чаще всего они встречаются в морской среде. Одноклеточные существа, называемые динофлагеллятами, являются одноклеточным планктоном, который отвечает за создание искрящегося или сияющего эффекта на поверхности океана.
Некоторые биолюминесцентные организмы могут синтезировать люциферин самостоятельно, другие получают его благодаря другим организмам, либо потребляя их в пищу, либо находясь в симбиотической связи с организмом, производящим люциферин. Кальмары, например, имеют симбиоз с биолюминесцентными бактериями, которые живут в световых органах кальмара. Фермент люцифераза взаимодействует с окисленным люциферином, образуя сопутствующий продукт, называемый оксилюциферином, и именно эта химическая реакция создает свет.
Хотя в большинстве биолюминесцентных реакций участвуют люциферин и люцифераза, в некоторых случаях участвует химическое вещество, называемое фотопротеином. Для получения света фотопротеин соединяется с люциферином и кислородом, а также ещё с одним веществом - ионом кальция.
Этот вид люминесценции вызывается химическими реакциями, идущими с выделением энергии. Излучение испускается продуктами реакции.
Представьте дерево 10-15 метров высотой, покрытое листочками, на каждом из которых сидит по светлячку. Все они одновременно вспыхивают раза три за две секунды, а в промежутки между вспышками дерево погружается в темноту. Мерцание светлячков производит потрясающее впечатление. И ответственны за это явление вещества- люциферин и люцифераза. Люциферины - это небольшие молекулы, которые в присутствии люциферазы окисляются, при этом выделяется энергия. Таким образом, люцифераза- это фермент, катализатор реакций, при которых возникает свечение. Коэффициент преобразования энергии у светлячков высок – 98 %, на каждую окисленную молекулу люциферина приходится один квант излучённого света (фотон). [7]
Рис. 1 Светлячок и молекула люциферина светлячка. Жёлтый — сера, синий — азот, чёрный — углерод, красный — кислород, белый — водород.
Реакция, катализируемая люциферазой светлячка проходит в две стадии:
При первой вещества вступают в реакцию, получается некоторое возбуждённое вещество. На втором этапе молекула переходит из возбуждённого состояния в основное, испуская квант света.
Свет возникает при переходе оксилюциферина (продукта реакции; молекулярная формула N-оксилюциферина — C11H8N2O4S2) из возбуждённого состояния в основное. При этом испускаемый свет варьируется у различных видов светлячков от жёлто-зелёного до красного (λ = от 548 до 620 нм). Все жуки содержат один и тот же люциферин. Люциферазы, напротив, у разных видов различны. Отсюда следует, что изменение окраски свечения зависит от строения фермента.
Такой же механизм свечения и у морских организмов. Только состав веществ люциферинов и люциферазы у них различен. А стадий реакции тоже две.
Некоторые организмы имеют специальные клетки, настолько совершенные, что напоминают светильники (рис 2). В этих светильниках живут светящиеся бактерии. Кровеносная система рыбы обеспечивает бактерии питанием, доставляет кислород. Когда кровеносные сосуды сужаются – свечение бактерий ослабевает.
Некоторые рыбы светятся без бактерий, они имеют специальные органы-фотофоры, имеющие сложное строение-отражатели, линзы, диафрагмы, светофильтры… Такие фотофоры есть у японского кальмара, у рыбы рабдамии, у некоторых видов акул (их тела мерцают огнями как лайнеры).
Рис. 2 Светящиеся рыбы и медуза
Светятся и медузы. Одна из них – пелагия. При раздражении- на поверхности купола и щупалец возникают светящиеся полосы. Некоторые организмы содержат люминесцирующие бактерии[8]. (рис 3)
Рис. 3 Светящиеся микроорганизмы
Некоторые животные научились применять свет, используя его в качестве приманки, маскировки или даже полной невидимости. Давайте же взглянем на их удивительные способности[9]!
· Морской сапфир (Sapphirina) [1][1]
Крошечный морской ракообразный, сапфирин, или «морской сапфир», буквально сверкает в океане, как россыпь кристаллов. Они бывают разных цветов (включая красный, синий, фиолетовый и зеленый), но самая большая хитрость морских сапфиров заключается в том, что они могут просто взять и исчезнуть. Существо совершает эти визуальные трюки, используя слои кристаллов гуанина (придающего блеск коже у рыб, земноводных и пресмыкающихся) и цитоплазмы на своем панцире. Они отражают любой свет, падающий на них, причем цвет отражения определяется как расстоянием между отдельными кристаллами, так и углом, под которым на них падает свет. Это означает, что морской сапфир может, слегка повернувшись, отразить ультрафиолет и «исчезнуть» из нашего поля зрения. Примечательно, что такая способность есть только у самцов, а самки выбирают быть полупрозрачными. Таким образом, считается, что морские сапфиры мужского пола используют яркий свет, чтобы привлечь потенциального партнера
· Креветка-богомол (Odontodactylus scyllarus)
Ракообразное креветка-богомол (которое на самом деле не креветка и не богомол) наиболее известно своими клешнями, которые она использует для ударов, наносимых своей жертве, со скоростью 80-100 км/ч и ударной силой пули 22 калибра. Менее известно то, что у этих ракообразных независимые глаза на подвижных стебельках с тремя фокусными точками, что делает их одними из лучших глаз на Земле, позволяя им видеть поляризованный свет и цвета, неведомые человеческому глазу. Кроме того, они могут видеть в оптическом, инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах спектра. Люди могут воспринимать только три длины волны — красную, зеленую и синюю, а креветки-богомолы могут воспринимать целых 12. Представьте себе цвет, который даже представить себе не можете. Теперь повторите это еще 9 раз. Будучи неудовлетворённым лишь этими талантами, хитрое ракообразное общается со своими сородичами с помощью световых сигналов, используя для этого отражатели, которые позволяют ему посылать поляризованный свет. Поскольку немногие животные могут общаться с помощью поляризованного света, это позволяет креветкам «шифровать» любые световые сигналы, которые они посылают, что помогает ракообразным избегать хищников. Т.е. другие животные, включая хищников, не могут распознать их сигналы[10].
· Светящаяся улитка (Quantula striata)[11]
Уникальная светящаяся улитка — единственный наземный брюхоногий моллюск, который производит свет, путём биолюминесценции. Обнаруженный в Сингапуре, этот моллюск при движении излучает слабый пульсирующий желто-зеленый свет и совсем не светится в состоянии покоя.
Неясно, почему улитка делает это, учитывая, что производство света энергетически затратно, и у свечения должно быть какое-то эволюционное преимущество. Можно предположить, что Quantula striata светится, спасаясь от хищников. Личинки светлячков поедают наземных улиток, а последние, в свою очередь, используют ту же комбинацию люциферина и люциферазы, что и светлячок, создавая у голодной личинки впечатление, что улитка уже съедена.
2.4. Применение хемилюминесценции в медицине
При реакции перекиси водорода с люминолом хемилюминесценция крайне неяркая. Если к перекиси водорода добавить ферменты (например, положить туда кусочек картофеля) - то хемилюминесценция тоже не наблюдается. А при наличии в смеси перекиси водорода и люминола ионов металлов переменной валентности, таких как железо, медь или марганец, а также некоторых их комплексов, перекись водорода разлагается с образованием радикалов (гидроксила и супероксида) и возникает яркое свечение, связанное с реакциями люминола. Хемилюминесценция в присутствии люминола часто используется для определения в биологических средах малых количеств металлов переменной валентности, а также вообще способности биологического материала разлагать перекись водорода.
Это явление в анализах может показать наличие инфаркта у больного, контролировать эффективность заживания ран и вносить коррективы в назначение лечебных процедур[12].
Изучив учебную, научную и периодическую литературу, мы узнали, что явление «люминесценции» до конца не изучено. Сейчас проводится огромное кол-во исследований по изучению люминесценции и сферах ее применения. Но нам стало интересно попробовать создать люминофор в условиях школьной лаборатории, зафиксировать эффект свечения, чтобы поделиться результатом исследования с учащимися других классов.
Проведение реакции хемилюминесценции в условиях школьной лаборатории.
3.1. Цель: получение люминофора в условиях школьной лаборатории.
3.2. Метод исследования: проведение лабораторной работы.
3.3. Оборудование и реактивы:
· люминол, порошок, 99% C8H7N3O2
· гидроксида калия КОН
· перекись водорода, водный раствор, 6% Н2О2 или медицинский кислород 80% О2
· гексацианоферрат(III) калия (ферроцианид калия, красная кровяная соль) K3[Fe(CN)6]
· вода
· мерный стаканчик
· лабораторный штатив
· магнитная мешалка
3.4. Выполнение эксперимента:
Насыпаем в химический стакан столовую ложку гидроксида калия КОН. Наливаем «димексид» (диметилсульфоксид 25%) и перемешиваем 5-10 минут. Добавляем в раствор люминол. Так как это чистый реагент, потребуется совсем малое количество порошка – 50…100 мг (примерно 2-3 спичечных головки).
Свечение будет лучше видно в полной темноте и только у поверхности раствора, однако при приливании к раствору пероксида водорода и разбавленной красной кровяной соли наблюдается яркая «вспышка» длительностью в несколько секунд. При этом не выделяется значительное количество тепла, о чем свидетельствуют наши измерения.
3.5. Выводы по практической части
Проведя данный опыт, мы добились цели создания ХИС в условиях школьной лаборатории. Интересно то, что процесс выделения света происходит совершенно без теплоотдачи, т.е. колба, внутри которой находится светящаяся жидкость, не меняет температуру. После того, как реакция с «люминолом» прошла, состав можно хранить долгое время. В любой момент его можно снова активировать, добавив нужный реагент. Приложение 1
https://drive.google.com/drive/folders/1pjuVD1fjUWvgDKBvKzTxSbZeXZZ6yEMD
В начале работы мы выдвинули гипотезу, что в условиях школьной лаборатории с использованием оборудования и доступных реактивов, возможно осуществить реакцию окисления люминола.
Изучив теоретический материал и проведя экспериментальные исследования, мы сделали выводы:
1. Люминесценция – очень интересное и важное явление в жизни человека, не до конца изученное учеными. Существуют разные виды люминесценции. Люминесценция успешно применяется в различных сферах человеческой жизни, таких как медицина и криминалистика, а также в быту.
2. Мы описали лишь один из множества способов осуществления реакции хемилюминесценции. Меняя ингредиенты, можно добиться различных результатов. Однако мы не советуем экспериментировать, если нет достаточных познаний в химии. Это может привести к очень печальным последствиям.
3. Наша гипотеза полностью подтвердилась.
Данные нашей работы и презентацию мы представим для ознакомления участникам кружка «Занимательная химия» и «Занимательная биология». Исследование темы будет нами продолжено.
1. Фото с сайтов:
· Светящиеся рыбы и медузы: http://www/interesnoe/svetyashhiesya-rybolovnye-primanki.htm
· Светлячки: http://www.v/pochemu-svetlyachki-svetyatsya/
· Светящиеся грибы: http://www/tropics/glowing_mushrooms.htm
Скачано с www.znanio.ru
[1] ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ • Большая российская энциклопедия - электронная версия (bigenc.ru)
[2] ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ • Большая российская энциклопедия - электронная версия (bigenc.ru)
[3] «Люминисценция » (studfile.net)
[4] Васильев Р.Ф. Химическое свечение. Химия и химики, №1, 2010
[5] «Люминисценция » (studfile.net)
[6] Биолюминесценция - излучение света живыми организмами - что это такое и как оно работает (overclockers.ru)
[7] Проектная работа Чудо люминесценции - Документ (refdb.ru)
[8] Проектная работа Чудо люминесценции - Документ (refdb.ru)
[9] Биолюминесценция в действии: 6 животных, которые умеют использовать свет как супергерои | Умкра | Дзен (dzen.ru)
[10] Биолюминесценция в действии: 6 животных, которые умеют использовать свет как супергерои | Умкра | Дзен (dzen.ru)
[11] Биолюминесценция в действии: 6 животных, которые умеют использовать свет как супергерои | Умкра | Дзен (dzen.ru)
[12] Применение хемилюминесценции в медицине — Студопедия (studopedia.ru)
© ООО «Знанио»
С вами с 2009 года.