Активированная хемилюминесценция

Собственная хемилюминесценция, сопровождающая биохимические реакции в клетках и тканях, обладает, как правило, очень низкой интенсивностью и не случайно получила название "сверхслабого свечения" [1]. Это оказалось главным и пока не преодоленным препятствием на пути к широкому использованию собственной хемилюминесценции в аналитических целях. Значительное распространение получило однако измерение хемилюминесценции в присутствии определенных соединений, получивших в отечественной литературе общее название "активаторов", а за рубежом – "усилителей" (enhancer) хемилюминесценции. По механизму действия активаторы распадаются на две четко различающиеся группы, которые можно соответственно назвать химическими и физическими активаторами [2]. Химические активаторы ХЛ – это соединения, вступающие в реакции с активными формами кислорода или органическими свободными радикалами, в ходе которых образуются молекулы продуктов в возбужденном электронном состоянии. Наблюдаемое при этом свечение связано с переходом молекул в основное состояние, что приводит к высвечиванию фотонов:

Активатор + радикалы -> продукт* -> продукт + фотон

Хорошо известными представителями таких активаторов могут служить люминол (3-аминофталевый гидразид) и люцигенин [Бис(N-метилакридиний)]. На рис. 1 дана упрощенная схема превращений люминола в присутствии радикалов кислорода. Под действием окислителя, в нашем случае – 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 (миграции) энергии с молекулы продукта хемилюминесцентной реакции на активатор:

Радикалы -> продукт* -> продукт + фотон 1

(неактивированная ХЛ)

Продукт* + активатор -> продукт + активатор* -> фотон 2

(активированная ХЛ)

Интенсивность свечения в большой степени зависит от квантового выхода люминесценции продукта реакции, т.е. от того, какая часть возбужденных молекул продукта перейдет в основное, невозбужденное состояние с испусканием фотона. Обычно эта доля невелика, всего десятые или даже сотые доли процента. Но если все молекулы продукта передадут энергию электронного возбуждения на молекулам активатора, то интенсивность свечения будет теперь определяться уже квантовым выходом люминесценции активатора, который в идеале приближается к единице. (Подробнее с этим вопросом можно ознакомиться в соответствующих руководствах, например [3]). К физическим активаторам можно отнести некоторые люминесцирующие соединения, усиливающие ХЛ при цепном окислении липидов. Измерение этой хемилюминесценции пока еще не стало рутинным лабораторным методом в значительной мере из-за ее низкой интенсивности. Поэтому ведется поиск веществ, усиливающих "липидную" ХЛ. Оказалось, что некоторые красители и комплексы редкоземельных элементов обладают способностью многократно усиливать интенсивность такой хемилюминесценции. Так, например, комплекс редкоземельного иона европия (Eu3+) с антибиотиком хлортетрациклином усиливает ХЛ при окислении липидов почти в 1000 раз. Один из красителей, производное кумарина, применяемое при создании лазеров под условным названием С-525, усиливает хемилюминесценцию, сопровождающую цепное окисление липидов, более чем в 1500 раз, никак не влияя при этом на ХЛ при взаимодействии радикалов кислорода (гидроксила и супероксида). Формула этого вещества приведена на рис. 2. Активируют свечение (правда, в меньшей степени) и такие известные красители как родамин Ж6, нильский красный и нильский синий, а также некоторые порфирины. Все эти активаторы не оказывают влияния на ход реакций перекисного окисления, но заметно увеличивают интенсивность свечения. По-видимому, в основе их действия лежит физический процесс процесса переноса (миграции) энергии с молекулы продукта хемилюминесцентной реакции (например, кетона) на активатор:

LOO· + LOO· -> LOH + L=O* + O2

L=O* -> L=O + hn1 (слабое свечение; j = 10^-4)

L=O* + А -> L=O + А* (перенос энергии)

А* -> А + hnA (яркое свечение; j = 10^-2 - 10^-1)

Интенсивность свечения в присутствии активатора во много раз выше, чем без него, по той причине, что квантовый выход j люминесценции активатора (А) выше квантового выхода люминесценции продукта реакции (Р). Было также показано, что спектр активированной хемилюминесценции в изученных случаях был сходен со спектром фотолюминесценции активатора, т.е. его люминесценции при освещении ультрафиолетовыми лучами.