Luminol e Chemiluminescenza

Chemiluminescenza

La chemiluminescenza, talvolta chiamata chemioluminescenza, è l’emissione di radiazione elettromagnetica, in particolare nel visibile e nel vicino infrarosso, che può accompagnare una reazione chimica.
Considerando una reazione tra i reagenti A e B a dare il prodotto P:

A + B → P* → P + hν

In pratica la reazione porta al prodotto P in uno stato eccitato ed il decadimento allo stato fondamentale non porta alla formazione di calore, ma di un fotone (hν). È quindi necessario che i meccanismi di decadimento radiativo siano più competitivi rispetto a quelli non radiativi.

Un esempio di reazione che porta a chemiluminescenza è quella del luminolo con il perossido di idrogeno catalizzata da ioni metallici.

Luminolo

Il luminol è un composto chimico utilizzato dalla Polizia Scientifica per rilevare il sangue, dai biologi per la ricerca di rame, ferro e cianuro e dai biochimici per permettere l’identificazione di specifiche proteine separate mediante elettroforesi.
È una sostanza molto versatile che, mischiata con un appropriato agente ossidante, in presenza di un catalizzatore, ad esempio uno ione metallico, esibisce una chemiluminescenza bluastra. È un solido cristallino bianco o leggermente giallino solubile nella maggior parte dei solventi organici anche di uso comune, ma è poco solubile nell’acqua.

Per esibire la sua luminescenza, il Luminol deve prima essere attivato con un ossidante. Solitamente una soluzione di perossido di idrogeno H₂O₂ ed un sale basico in acqua sono usati come attivatori. In presenza di catalizzatori come i composti del ferro, il perossido di idrogeno si decompone in acqua e ossigeno :

2 H₂O₂ → O₂ + 2 H₂O

Nella pratica di laboratorio il catalizzatore più usato è il ferrocianuro di potassio. Nella ricerca forense del sangue il catalizzatore è invece il ferro presente nell’emoglobina. Anche molti enzimi biologici possono catalizzare la decomposizione del perossido di idrogeno. Quando il Luminol reagisce con un sale basico si forma un dianione che reagisce con l’ossigeno prodotto dalla decomposizione del perossido. Il prodotto di questa reazione è un perossido organico molto instabile che decompone immediatamente, con perdita di azoto, per formare un composto con elettroni in uno stato eccitato di tripletto. Tornando allo stato fondamentale, l’eccesso di energia è liberato come fotone, visibile come una luce blu.
L’immagine sotto mostra in modo schematico la reazione che produce la luminescenza :

Abbiamo preparato due soluzioni :

• Soluzione A
  Mix 5 grammi di Idrossido di Sodio in 1000 ml di acqua. Quando completamente dissolto versiamo un pò di questa soluzione in un piccolo (50 ml) beaker e aggiungiamo 0.1 grammi di Luminol. Il Luminol è poco solubile, con una bacchetta di vetro agitiamo quindi la polvere di Luminol affinchè si sciolga completamente.
  Quando il Luminol è completamente dissolto, versiamo il contenuto del beaker nel resto della soluzione di idrossido di sodio.
• Soluzione B
  Mix 10 ml di 3% Perossido di Idrogeno (normale acqua ossigenata) in 1000 ml di acqua.

L’immagine sotto mostra le due soluzioni. Il catalizzatore (ione ferro, ione rame, …) va aggiunto alla soluzione B. Mescolando le due soluzioni si ottiene l’emissione di luce prodotta dalla chemiluminescenza della reazione chimica.

Setup Sperimentale

Per la misurazione della emissione luminosa della chemiluminescenza del luminol abbiamo utilizzato la “dark box” già descritta nei post : Conteggio e Statistica dei Fotoni, Brillando nel Buio. La soluzione “B” con il catalizzatore della reazione viene posta all’interno di una boccetta di vetro posizionata di fronte al PMT. La soluzione con il luminol si trova in una siringa all’esterno della scatola. Dopo aver chiuso la scatola e fatto partire l’acquisizione da parte del PMT, con la siringa si immette il luminol all’interno della boccetta.
L’immagine sotto mostra il setup sperimentale utilizzato :

Sono stati utilizzati tre catalizzatori diversi : ferrocianuro di potassio (ione Fe), solfato di rame (ione Cu) e candeggina (ipoclorito di sodio).

Reazione catalizzata dal Ferro

I grafici sotto mostrano l’andamento della emissione luminosa catalizzata dallo ione ferro contenuto nel ferrocianuro di potassio. Dopo una prima fase in cui l’emissione aumenta ed arriva ad un massimo, si registra un decadimento con andamento esponenziale.

Reazione catalizzata dal Rame

I grafici sotto mostrano l’andamento della emissione luminosa catalizzata dallo ione rame contenuto nel solfato di rame. Il decadimento della luminosità segue un andamento esponenziale con due diverse costanti di tempo.

Reazione catalizzata dal Sodio Ipoclorito

I grafici sotto mostrano l’andamento della emissione luminosa catalizzata dal sodio ipoclorito. In questo caso, rispetto al ferro ed al rame, l’aumento di luminosità è abbastanza lento ed il successivo decadimento è esponenziale con due diverse costanti di tempo.

Discussione

Dal confronto tra le tre diverse curve possiamo dire che la prima parte riflette la cinetica della reazione chimica fra i reagenti : la reazione catalizzata dal rame è più veloce di quella catalizzata dal ferro mentre la reazione con l’ipoclorito di sodio è quella più lenta. Il successiva decadimento della luminescenza segue in genere un andamento esponenziale (simile al fenomeno della fosforescenza).

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