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Chemolumineszenz

Von Chemolumineszenz wird gesprochen, wenn bei einer chemischen Reaktion Licht emittiert wird, welches nicht thermischen Ursprungs ist (siehe auch Lumineszenz).

Die Biolumineszenz ist ein Spezialfall der Chemolumineszenz in biologischen Systemen.

Inhaltsverzeichnis

Grundlage

Die Emission von Licht bei der Chemolumineszenz 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 bei der Chemolumineszenz dieser angeregte Zustand durch eine chemische Reaktion erreicht.

Ausgangsstoffe für Chemolumineszenz-Reaktionen sind meist Dicarbonylverbindungen (1,2- und 1,4-Dione) wie Oxalsäureester (2,4,6-Trichlorphenyloxalat, TCPO) und Phthalsäurehydrazid (Luminol). 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 Chemolumineszenz-Reaktionen entsteht zunächst ein instabiles Intermediat mit einer Peroxid-Brücke, dessen energiereiches Zerfallsprodukt einen Charge-Transfer-Komplex mit einem Farbstoffmolekül (Sensibilisator, ein Molekül mit mehreren Doppel- oder Dreifachbindungen) eingeht und Energie an dieses abgibt. Das angeregte Farbstoffmolekül sendet dann ein Lichtquant aus.

Entdeckung

Die erste Chemolumineszenz-Reaktion wurde bereits 1669 vom Hamburger Alchemisten Heinrich Hennig Brand entdeckt ("Phosphorus Mirabilis", Leuchten von Phosphordämpfen bei Oxidation durch Luftsauerstoff).

Anwendungen

Die wohl bekannteste Chemolumineszenz-Reaktion ist die Oxidation von Luminol mit Wasserstoffperoxid in Gegenwart von Eisen- oder Mangan-Ionen, die in der Kriminalistik zur Sichtbarmachung von Blutspuren genutzt wird (der Blutfarbstoff Hämoglobin enthält Eisen-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 Chemolumineszenz erzeugt. In den Röhrchen befinden sich drei Komponenten: ein Oxalsäureester, ein Farbstoff, dessen Emission die Farbe des Lichtes bestimmt, und ein Röhrchen mit Wasserstoffperoxid. Wird das Röhrchen mit Wasserstoffperoxid zerbrochen, startet die Peroxyoxalat-Chemolumineszenz.

Die Chemolumineszenz von 1,2-Dioxetanen findet in der Biochemie und in der medizinischen Diagnostik Anwendung. Durch sie ist man in der Lage, geringste Spuren von Enzymen bis hin zu einzelnen Molekülen sicher nachzuweisen.

Literatur

Video