A szentjánosbogár luciferje

Meglehetősen ritka dolog, hogy kémiai reakció közvetlen eredményeként fény is keletkezzen. Az égések ugyan gyakoriak, például gyertyalángként évezredek óta világításra is használják őket, azonban ezekben a fény keletkezése inkább kapcsolatban van a magas hőmérséklettel és az ezzel kapcsolatos másodlagos folyamatokkal. Egy megfelelő mennyiségű levegővel szabályozott gázláng majdnem színtelen (de persze közben forró, ezért gyakran balesetveszélyes is). A lángokban a fényt okozó jelenségeket a legtöbb esetben pusztán a hőmérséklet növelésével, a lángokban zajló kémiai reakcióktól függetlenül is létre lehet hozni.

A lumineszcencia a fény keletkezésének egyik formája. Különbözik a fénykibocsátás másik formájától a hőmérsékleti sugárzástól, amit minden az abszolút nulla foknál magasabb hőmérsékletű test bocsát ki. Ennek a termikus eredetű elektromágneses sugárzásnak a hőmérséklettől függően lehet a látható fény tartományába eső komponense is.

A lumineszcenciának többféle változata is ismert.

A megvilágítás hatására történő fénykibocsátás, a fotolumineszcenica. Ebben az esetében arról van szó: maga az anyag bocsátja ki az új fotonokat. Ezt az egyszerű fényvisszaverődéstől többféleképpen is meg lehet különböztetni; a legegyszerűbb olyan irányban vizsgálni egy anyag fotonkibocsátását, amerre eleve nem verheti vissza a ráeső fényt. A fotolumineszencián belül fluoreszcenciának nevezik azt az egyébként meglepően gyakori jelenséget, amikor egy anyag addig bocsát ki maga is fényt, amíg a megvilágítás tart. A fluoreszkálás során egy anyag elnyel (abszorbeál) különböző hullámhosszúságú elektromágneses sugárzásokat, és ennek hatására fényt bocsát ki a bejövő sugárzástól eltérő hullámhosszon. A legtöbb esetben a kibocsátott fény hullámhossza hosszabb, és így kisebb energiával rendelkezik, mint az elnyelt sugárzás. Ha az anyag a beeső fény megszűnése után is világít még egy ideig (általában csak a másodperc egy tört részéig, de kivételes esetben akár percekig is), akkor a jelenséget foszforeszcenciának hívják. Létezik még az úgynevezett tribolumineszcencia, ahol a fénykibocsátást mechanikai behatás okozza; erre viszonylag látványos, az Interneten is sok videón megtalálható példa az a kísérlet, amelyben teljes sötétben kockacukrok összetörésekor kék felvillanásokat lehet látni. Az elektrolumineszcencia sem ismeretlen jelenség; ilyenkor a fénykibocsátást elektromos áram vagy erős elektromos tér hozza létre

Azt a jelenséget, amely során kémiai folyamatban keletkezik fény, kemilumineszcenciának nevezik, hogy más mechanizmusú fényképződésektől megkülönböztessék.

A látható fény egy fotonjának energiája olyan tartományba esik, amelyik a kémiai kötési energiák és általában a kémiai reakciókkal járó energiaváltozásokéval azonos. Emiatt a fény gyakran hatással van a kémiai reakciókra, az ilyen kölcsönhatások tanulmányozásával a fotokémia foglalkozik. Ez viszont legtöbbször egyirányú: a fény ugyan gyakran okoz kémiai reakciókat (ilyen például a zöld növényekben lejátszódó fotoszintézis), de a folyamat fordítottját, tehát a kemilumineszcenciát legtöbb esetben sötétben kell keresni, mert ha elő is fordul, a kibocsátott fény intenzitása igen alacsony.

A kemilumineszencia esetében kémiai reakció, vagyis kötések átrendeződése zajlik le, s a folyamatban felszabaduló energia (vagy annak egy része) hozza gerjesztett állapotba a molekulát. Ez meglehetősen ritka dolog: a kémiai reakciókban az energiafeleslegtől való megszabadulásnak sokkal valószínűbb módja a molekulák mozgási sebességének növelése, azaz a hőmérséklet emelkedése. Ezért a kemilumineszcenciás reakciók ritkák és akár kivételesnek sem túlzás nevezni őket.

A legismertebb, és látványos kísérletek között is gyakran bemutatott, fénykibocsátással járó vegyi folyamatban a luminol nevű vegyület játssza a főszerepet. A luminol híg és gyengén lúgos kémhatású (például kevés nátrium-hidroxiddal összekevert) vizes oldatát hidrogén-peroxiddal (H2O2) reagáltatva nagyon kis mennyiségű katalizátor hozzáadására beindul a fénykibocsátás. A katalizátor többféle anyag is lehet, az egyik legegyszerűbb lehetőség a hipoként ismert háztartási tisztítószer higított oldatát használni.

A luminol fénykibocsátási sajátságaival igen gyakran találkozhatunk, amikor bűnügyi filmeket nézünk, hiszen ezen alapul a vérfoltok azonosításának egy igen jól bevált módszere. 1928-ban H. O. Albrecht német kémikus fedezte fel, hogy a vér jelentős erősítő hatással van a luminol fénykibocsátására. Ezért a hatásért a vérben lévő számtalan különböző anyag közül a vasat is tartalmazó hematin a felelős. A beszáradt vagy alvadt vérben több a hematin, mint a frissben, ezért ezek kimutatása igen kicsi mennyiségben is lehetséges, így igen gyakran akár egy alaposabb tisztítást követően is kimutathatók a vérfoltok maradványai. Ráadásul a hematin nem bomlik el a reakció közben, hanem klasszikus katalizátorszerepet játszik, így a teszt akár többször is megismételhető; azaz bármiféle kétség eloszlatható a vizsgálatok újbóli elvégzésével, esetleg gondosabban szabályozott vagy megváltoztatott körülmények között is.

Kemilumineszenciát mutató molekulák képlete: A: luminol (C8H7N3O2) B: difenil-oxalát (C14H10O4) C: a szentjánosbogárban megtalálható luciferin (C11H8N2O3S2) D: a Latia fajokban megtalálható luciferin (C15H24O2)

A fényt kibocsátó kémiai reakciók adják a bulik elmaradhatatlan kellékének a világító rudak működésének is. Ezek általában fényt átengedő műanyagból készülnek, és a reakció belül, minden zavaró hatástól elszigetelve játszódik le bennük. Az aktiválás során lényegében összekeverik a két reaktánst; ez gyakran egy a rúdon belüli, vékony falú üvegampulla összetörésével történik, s a rudak utána órákig fényt bocsátanak ki. Sem kikapcsolni, sem újraindítani nem lehet őket, vagyis csak egyszer használatosak. Nagyjából két tucat olyan anyagot fejlesztettek ki eddig, amelyet világító rudakban használnak, az egyik leggyakoribb közülük a difenil-oxalát. Maga a luminol nem ideális ilyen felhasználásra, mert a reakció viszonylag gyorsan, percek alatt véget ér, vagyis a rúd csak rövid ideig világítana.

A rudakban a fényt okozó reakcióhoz oxidálószerre, a hidrogén-peroxidra van szükség. A fénykibocsátás a szerves kemilumineszcens anyag és az oxidálószer közötti reakcióban történik. Egy harmadik komponens is megtalálható az ilyen elegyekben, ez általában egy fluoreszcenciát mutató festék. Rengeteg különböző anyag fluoreszkál, s a kibocsátott fényszíne is könnyen szabályozható a molekulák szerkezetének megválasztásával. Így egy ilyen világító rúdban lényegében az történik, hogy a kémiai reakcióban kibocsátott kékes színű fény jelentős részét a festék még a rúdban lévő oldatban elnyeli, majd a saját fluoreszcenciájának megfelelő színű fényt bocsát ki, amely már elhagyja a rudat.

A világító rudaknak gyakorlati szerepük is van. Hordozhatóak, vízhatlanok, nagy külső nyomás alatt is működnek, hőt gyakorlatilag nem termelnek és nem szükséges elektromos áram a működésükhöz, ezért vészhelyzetek esetén fényforrásként alkalmazzák őket. Búvárok is használják, különösen nagyobb mélységekben.

A természetben is található kemilumineszcenciát ugyanis, az evolúció során kifejlődött néhány olyan állatfaj, amelyek szervezete ilyen elven bocsát ki fényt. Az élővilágban előforduló, fénykibocsátással járó jelenséget biolumineszcenciának is nevezik. Foszforeszcencia is előfordul a természetben; ilyenkor az élőlény lényegében a nappali világosságot "konzerválja" az éjszaka egy részére.

A biolumineszcencia legszélesebb körben ismert példája a szentjánosbogár (közkeletű angol neve 'firefly', amit tűzlégynek lehetne fordítani) esti fénykibocsátása. A biológusok a szentjánosbogár-félék (Lampyridae) családját a rovarok (Insecta) osztályában a bogarak (Coleoptera) rendjébe sorolják, ezen belül pedig a mindenevő bogarak (Polyphaga) alrendjébe. Magyarországon három fajt találtak eddig: ezek a nagy szentjánosbogár (Lampyris noctiluca), a kis szentjánosbogár (Lamprohiza splendidula) és a törpe szentjánosbogár (Phospaenus hemipterus).

A bogarak világító szerve potrohuk utolsó szelvényeiben vannak. Fénykibocsátásnak pontos színe, időtartama és gyakorisága fajonként változik. A fénykibocsátás célja elsősorban a hímek és a nőstények egymásra találása. E célból főleg az ivarérett nőstények világítanak, de a jelenség már korábbi életszakaszokban is megfigyelhető: a lárvák, bábok és tojások is bocsátanak ki némi fényt...

A fénykibocsátásban központi szerepet játszó szerves vegyületeket összefoglaló néven luciferinnek hívják, aminek kémiai szerkezete különböző fajokban nagyon különböző is lehet.

A luciferin elnevezés a latin lucifer szóból származik. A lucifer latin szóösszetétel a lux, lucis (fény) és fero (hozni) szavakból, jelentése "fényhozó".

Az élőlényekben is szükséges valamilyen oxidálószer a jelenség kiváltáshoz, itt ezt a szerepet a levegőben lévő oxigén játssza, katalizátorként pedig a luciferáz nevű enzim szolgál. Ennek szerkezete igen összetett: sok-sok aminosavegységből álló fehérje. Természetesen a luciferáz összetétele is függ attól, hogy melyik fajban található meg.

A szentjánosbogár luciferinjének térmodellje.
sárga: kén, kék: nitrogén, fekete: szén, piros: oxigén, fehér = hidrogén. 

A biolumineszcenica jelensége nem korlátozódik a szentjánosbogarakra. Rovarok, halak, polipok, puhatestűk, gombák és baktériumok több tucat családja ismeretes, amelyek fénykibocsátásra képesek.

Forrás:

https://www.vilaglex.hu/Lexikon/Html/Luminesc_.htm

https://epa.oszk.hu/00600/00691/00179/pdf/EPA00691_mtud_2018_08_1132-1140.pdf

https://csodafizika.hu/fiztan/kozkincs/magypub/pub/modern/lumineszcencia.pdf