научная статья по теме ХЕМИЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ ПРИ ОКИСЛЕНИИ ГОМОГЕНТИЗИНОВОЙ КИСЛОТЫ Химия

Текст научной статьи на тему «ХЕМИЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ ПРИ ОКИСЛЕНИИ ГОМОГЕНТИЗИНОВОЙ КИСЛОТЫ»

ЖУРНАЛ ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ, 2011, том 85, № 7, с. 1371-1376

ФОТОХИМИЯ ^^^^^^^^^^^^^^ И МАГНЕТОХИМИЯ

УДК 535.37

ХЕМИЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ ПРИ ОКИСЛЕНИИ ГОМОГЕНТИЗИНОВОЙ

КИСЛОТЫ

© 2011 г. Ю. Б. Цаплев

Российская академия наук, Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля, Москва

E-mail: tsap_04@mail.ru Поступила в редакцию 29.06.2010 г.

Исследована хемилюминесценция (ХЛ), сопровождающая автоокисление гомогентизиновой кислоты в присутствии щелочи. Получены данные о красном сдвиге спектра ХЛ при увеличении полярности среды и о зависимости интенсивности свечения и выхода света от концентрации реагентов. Предполагается, что эмиттером ХЛ является эксимер, образованный двумя молекулами дианион-радикала гомогентизиновой кислоты. Хемивозбуждение эксимера происходит в ходе реакции со-пропорционирования.

Ключевые слова: хемилюминесценция, гомогентизиновая кислота, эксимер, полярность среды.

Впервые о хемилюминесценции (ХЛ) гомогентизиновой кислоты (т.е. 2,5-дигидроксифенилук-

ОН

н оос^^^

ОН

(ОЛ)

Они наблюдали хемилюминесценцию ИОЛ визуально при концентрации 0.55 г/л и установили, что гентизиновая кислота (ОЛ), в отличие от ИОЛ, не хемилюминесцирует. Селективное определение ИОЛ актуально для медицинской химии, поскольку повышенное содержание ИОЛ в лимфе и моче является диагностическим признаком такого заболевания, как алкаптонурия, вызванного генетически обусловленным нарушением метаболизма, однако находка Аббота и Салмона осталась незамеченной и медиками, и химиками.

В работе [2] установлено отсутствие хемилюминесценции при электрохимическом окислении ИОЛ, а в работах [3, 4] обнаружена ХЛ лакто-на гомогентизиновой кислоты (ЬИОЛ) в присутствии пероксидазы и Н202, однако условия этой реакции (рН 7) отличны от условий ХЛ ИОЛ, что свидетельствует о том, что это другая реакция. С другой стороны, в работах [5, 6] установлено тушащее и «усиливающее» действие фенолов, в том числе я-дифенолов, на ХЛ таких хемилюминофо-ров, как люминол и люцигенин. Необходимость сильнощелочной среды в этом случае позволяет предположить, что в ряде случаев, которые были

сусной кислоты, hGA) при автоокислении в щелочной среде сообщили Аббот и Салмон в 1943 г [1].

классифицированы как случаи усиления ХЛ хе-милюминофора, ХЛ могла возбуждаться в реакциях самих дифенолов.

Исследование хемилюминесценции, возникающей в ходе автоокисления hGA, — задача данной работы.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В работе использовали следующие реактивы: гомогентизиновая кислота (99%), tBuOK (98+%, чистый), 1-бутанол (99+%) и KO2, поставленные Acros organics; этанол (в.о.), изопропиловый спирт (х.ч.), KOH — все отечественного производства, а также NaN3 производства Merck и люминол — производства АрмИРЕА, перекристаллизованный по методике [7].

Кинетику ХЛ исследовали на двухканальном люминометре, собранном на основе двух фотоприемных модулей H7360-2 (характеристики модулей см. http://sales.hamamatsu.com/assets/ pdf/parts_H/H7360-02.pdf), счетчика CNT-202 (Спецприбор, Беларусь) и персонального ком-

HOOC OH

OH

(hGA)

расположен полосовой оптический фильтр, пропускающий свет 440—490 нм, в другом — 490—550 нм; средние коэффициенты пропускания фильтров — 0.80 и 0.88 соответственно. Схема установки показана на рис. 1, ее конструкция позволяла по мере надобности убирать светофильтры без изменения условий светосбора. Квантометрическая калибровка зеленого канала проведена по радиолюминесцентному источнику света на основе стекла ЖС-19 по методике [8].

Реакторами для проведения реакции служили полипропиленовые микропробирки объемом 1.5 мл, в которых смешивали растворы реагентов.

Рисунок 2 иллюстрирует параметры кинетической кривой ХЛ: 1тах — максимальная интенсивность ХЛ (для зеленого и синего спектральных каналов — Ютах и 1Втах соответственно), Ттах — время от начала реакции до момента достижения максимальной интенсивности, Т1/2 — ширина кинетической кривой по уровню 1тах/2.

Рис. 1. Схема двухканальной люминометрической системы: 1,1 — фотоприемные модули, 2, 3 — полосовые светофильтры, 4 — пробирное отделение в свето-изолированном корпусе, 5 — двухканальный счетчик, связанный с компьютером (6) универсальной последовательной шиной (USB).

пьютера. Оба фотоприемника имели практически одинаковые фотометрические характеристики. Люминометрическая система регистрировала ХЛ в двух спектральных каналах. В одном канале был

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Смешивание растворов ИОЛ и щелочи приводит к хемилюминесценции, интенсивность которой уменьшается в следующем ряду растворителей: изопропанол, этанол, бутанол, вода. В качестве среды для исследования реакции был выбран щелочной этанол, поскольку в этаноле интенсивность ХЛ довольно высока, и он позволяет в широких пределах варьировать концентрацию щелочи (растворимость КОН, например, в этаноле более 25%).

^ 4

с

к

•гч

I

о

X

^2

10 t, c

15

20

Рис. 2. Кинетика хемилюминесценции по зеленому (1) и синему (2) спектральным каналам при инжектировании аликвоты (объемом 20 мкл) раствора ЬОЛ в щелочной спирт (225 мкл) в момент времени t = 0. Концентрация ЬОЛ после смешивания — 98 мкмоль/л, КОН — 0.05 моль/л. Линия 3 — динамика отношения 1В(1)/№(^.

6

0

5

Пример кинетики ХЛ при добавлении аликво-ты раствора ИОЛ к щелочному этанолу показан на рис. 2. Начало кинетической кривой и участок спада ХЛ имеют точки перегиба. Фронт кинетической кривой соответствует ускоряющемуся процессу. На рис. 2 также представлена динамика изменения отношения спектральных интенсивно-стей — ТБ(1)/Ю(1). Видно, что отношение ТБ(1)/Ю(1) является постоянным и только при снижении интенсивности до уровня ~1/20 от максимума имеет тенденцию к изменению. Такое поведение спектрального отношения характерно для процессов с участием одного хемилюминофора. При удалении светофильтра из синего канала оказалось, что интенсивность нефильтрованного света превышает интенсивность по зеленому спектральному каналу не более чем на 15%, т.е. эмиттер хеми-люминесценции испускает свет в основном в области 490—550 нм.

Спектральное отношение ТБ/Ю зависит от растворителя. В табл. 1 представлены данные об этом влиянии, из которых следует, что увеличение диэлектрической проницаемости среды в ряду однотипных растворителей сопровождается смещением спектра ХЛ в длинноволновую область (величина ТБ/Ю уменьшается). В ряду бута-нол, изопропанол, этанол при комнатной температуре наряду с увеличением полярности имеет место снижение вязкости. Ответ на вопрос, какой из этих двух факторов является действенным, следует из данных о влиянии на величину ТБ/Ю температуры среды, повышение которой понижает и диэлектрическую проницаемость, и вязкость. Установлено, что повышение температуры смещает спектр ХЛ в коротковолновую область, и, следовательно, действенным фактором является диэлектрическая проницаемость среды.

Батохромный сдвиг люминесценции с увеличением полярности растворителя считается одним из признаков синглетных (я, я*) состояний [9], флуорофоры такого типа являются эффективными излучателями [10], однако нам не удалось обнаружить интермедиаты и продукты реакции, которые бы фотолюминесцировали в видимой области спектра. В этаноле ИОЛ обладает УФ-флуоресценцией, характеристики которой близки к флуоресценции гидрохинона и фенола: испускание в полосе 310—370 нм с максимумом при 330 нм (^возб = 290 нм).

На рис. 3 представлены данные о влиянии концентраций КОН и ИОЛ на Ттах и квантовый выход ХЛ в условиях, когда [ИОЛ] < [КОН]. Начальный участок зависимости Ттах([КОН]) ~ [КОН]3. Величины Ттах и Т1/2 с увеличением концентрации щелочи уменьшаются. Между Ттах и Т1/2 существует линейная корреляционная зависимость. При [КОН] ~ 0.05 моль/л наблюдается экстремум Ттах и квантового выхода ХЛ. Дальнейшее увеличение

Таблица 1. Влияние среды реакции на спектральное отношение ТБ/Ю

Среда реакции s n IB/IG

1-Бутанол 12 (75) 0.83 (75) 0.125 ± 0.006

1-Бутанол 18 (20) 2.54 (25) 0.089 ± 0.005

2-Пропанол 20 (20) 2.04 (25) 0.092 ± 0.004

Этанол 20 (75) 0.48 (75) 0.099 ± 0.004

Этанол 25.4 (20) 1.07 (25) 0.063 ± 0.002

EtOH/H2O (220 : 25 v/v) 40 (20) ~1 (25) 0.053 ± 0.001

2-Пропанол/Н20 (190 : 50 v/v) 51 (20) ~1 (25) 0.051 ± 0.002

Примечание. Значения диэлектрической проницаемости (е) и вязкости (п, мПа с) — данные [19]. В скобках указана температура, °С. Значения е для смесей получены расчетом по мольным долям компонентов.

концентрации щелочи сопровождается уменьшением и Ттах, и квантового выхода, который падает значительно быстрее, чем Ттах.

Зависимость Ттах от концентрации ИОЛ квадратичная: Ттах([ИОЛ]) ~ [ИОЛ]2. Наличие четной (в данном случае — квадратичной) зависимости интенсивности ХЛ от концентрации ИОЛ при наличии нечетной (кубической) зависимости от концентрации КОН указывает на то, что реакция хемивозбуждения не связана с реакцией взаимодействия одинаковых интермедиатов, например, с реакцией диспропорционирования, но является реакцией взаимодействия разных интермедиатов.

Г4

о

С 2

£ 5

ад

ад

7

10

5 4 3 2 1

с [моль/л]

Рис. 3. Влияние на максимальную интенсивность хе-милюминесценции (1—3) и квантовый выход фотон/молекула) ХЛ (4, 5) концентраций КОН (1, 4) и ИОЛ (2, 3, 5). Объем реактора — 245 мкл, среда — этанол (1, 2, 4, 5), этанол с 13% Н2О (3). Концентрация ИОЛ - 98 мкмоль/л (1, 4), КОН - 41 ммоль/л (2, 3, 5).

7

7

6

8

9

У

4

Рис. 4. Кинетика ХЛ (а) в присутствии люминола и ИОЛ по зеленому (1) и синему (2) спектральным каналам, 3 — отношение /ДО/ТС^О; при t = 5 с к спиртовому раствору объемом 245 мл, содержащему 0.08 г/л люминола и 0.12 моль/л КОН, добавлено 20 мкл раствора ИОЛ концентрацией 0.9 ммоль/л; б — вычисленные кинетики ХЛ ИОЛ по зеленому спектральному каналу (1) и люминола по синему каналу (2).

Квантовый выход ХЛ ИОЛ в оптимальных условиях составляет ~ 10-7 фотон/молекула.

Возможное участие синглетного кислорода в ХЛ ИОЛ проверяли введением в реакционную смесь азида натрия (№К3). Известно, что азид-анион — специфический тушитель синглетного кислорода [11, 12]. Как оказалось, азид не влияет на ХЛ ИОЛ даже в такой большой концентрации как 0.016 моль/л, что указывает на отсутств

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Химия»