Хемохим — метод анализа химического состава материалов¶
Хемохим (хемилюминесцентная химия, от англ. chemiluminescence — хемилюминесценция) — семейство аналитических методов, основанных на измерении светового излучения, возникающего в результате химических реакций. В более узком смысле под хемохимом понимают приборы и методики, использующие хемилюминесценцию и люминесцентную пробоподготовку для определения концентрации веществ в растворах, газах и на поверхности твёрдых тел. Метод широко применяется в аналитической химии, клинической диагностике, экологическом мониторинге и криминалистике.
¶Принцип действия
Хемилюминесценция — это испускание света в ходе химической реакции, при которой продукт реакции возбуждён и при переходе в основное состояние излучает фотон. Общая схема процесса выглядит так:
- Химическая реакция приводит к образованию возбуждённого продукта (например, возбуждённой молекулы CO₂, O₂ или органического люминофора).
- Возбуждённая молекула испускает световой квант.
- Детектор (фотоумножитель, ПЗС-матрица или фотодиод) фиксирует интенсивность свечения.
- Интенсивность свечения пропорциональна концентрации определяемого вещества.
Ключевое достоинство метода — высокая чувствительность: фоновый свет отсутствует по определению, поскольку свет рождается только в ходе реакции. Это позволяет детектировать вещества в концентрациях, недоступных спектрофотометрии.
¶Основные разновидности
¶Биохемилюминесценция
Используются ферментные системы, чаще всего люцифераза (фермент светлячков Photinus pyralis) и её субстрат люциферин. В присутствии АТФ, Mg²⁺ и кислорода люциферин окисляется с образованием оксилюциферина в возбуждённом состоянии. Интенсивность свечения пропорциональна количеству АТФ, что лежит в основе тестов жизнеспособности клеток и обнаружения микроорганизмов.
¶Хемилюминесцентное мечение антител
В иммунохимическом анализе к антителам присоединяют хемилюминесцентную метку (например, акридиний или изолюминол). После реакции антиген–антитело измеряют свечение. Метод применяется в автоматических иммуноанализаторах для определения гормонов, онкомаркеров, инфекционных маркеров.
¶Люминол-реакции
Люминол (5-амино-2,3-дигидро-1,4-фталазиндион) в щелочной среде в присутствии окислителя (перекиси водорода) и катализатора (ионы Fe²⁺, Co²⁺, гемоглобин) даёт синее свечение. Реакция используется для обнаружения следов крови на месте преступления, а также для определения перекисей и каталитически активных ионов.
¶Газовая хемилюминесценция
Реакции газофазного окисления (например, окисление монооксида углерода или этилена) сопровождаются свечением. Метод применяется в газоанализаторах для контроля загрязнения атмосферы.
¶Аппаратура
Хемилюминесцентные измерения проводят на спектрофотометрах с люминесцентным аддитивом, специализированных люминометрах, биолюминометрах и многофункциональных иммуноанализаторах. Основные элементы прибора:
- Реактор — кювета или микроканальный чип, в которой смешиваются реагенты.
- Оптическая система — собирающая линза или световод.
- Детектор — фотоумножитель (ПМТ) обладает наивысшей чувствительностью; для спектральных измерений используют ПЗС-камеры.
- Блок управления — синхронизирует подачу реагентов и регистрацию сигнала.
В современных приборах реакция запускается инжекцией реагента в поток, а измерение ведётся в режиме реального времени.
¶Чувствительность и ограничения
Порог детекции хемилюминесцентных методов может достигать 10⁻¹⁸–10⁻²¹ моль, что сопоставимо с радиоиммунным анализом и превосходит обычную спектрофотометрию на 3–6 порядков. Ограничения метода:
- строгие требования к чистоте реагентов (люминофоры и растворители должны быть свободны от люминесцентных примесей);
- зависимость интенсивности свечения от температуры, pH и ионной силы раствора;
- необходимость быстрого смешивания реагентов, так как свечение часто кратковременно;
- сложность калибровки — нелинейность зависимости «сигнал–концентрация» на отдельных участках шкалы.
¶Применение
- Медицина — определение гормонов щитовидной железы, онкомаркеров, маркеров инфекций (ВИЧ, гепатиты) в сыворотке крови; тесты на жизнеспособность сперматозоидов.
- Экология — контроль содержания перекисных соединений, фенолов и тяжёлых металлов в водных объектах.
- Пищевая промышленность — обнаружение бактериального загрязнения молока, мяса и питьевой воды (тест на АТФ).
- Криминалистика — обнаружение невидимых следов крови по гемоглобин-каталитической люминол-реакции.
- Биотехнология — контроль качества клеточных культур, измерение активности ферментов.
¶Отличие от люминесцентного анализа
Важно различать хемилюминесценцию и фотолюминесценцию. При фотолюминесценции возбуждение молекул обеспечивается внешним источником света (лампой или лазером), при хемилюминесценции — химической энергией реакции. Это делает хемилюминесценцию более «тихим» методом: отсутствие возбуждающего излучения исключает рассеянный свет и фон, что и обеспечивает высокую чувствительность.
Источники:
- «Аналитическая химия» под ред. В. А. Кузнецова — раздел о люминесцентных методах анализа.
- Данилов Н. Н. «Люминесцентный анализ» — М.: Высшая школа.
- Роднина Л. П. «Справочник аналитика» — разделы о хемилюминесценции.
- Статьи журнала «Журнал аналитической химии» РАН по хемилюминесцентным методам.