東京理科大学 Ⅰ 部化学研究部 2012 年度春輪講書 化学発光 金曜班 Haruki.K, Takahiro.I, Nami.O, Keisuke.I Kouhei.F, Yuuta.I 1. 目的 化学反応の結果生じる発光を計測することで, 反応基質そのものや発光反応に関与する成分を分析することのできる化学発光計測法が現在, 高感度な分析の手段として注目されている. この化学発光法は, 実験の結果で得られる発光の強度が大きいほど, 測定の対象となる発光物質と発光に関与する成分をより高感度に検出することができる. そのため, 本実験ではどのような条件下の時により強い発光かつ優れた発光効率を有する反応を起こすことができるかを追求していくことを目指す. また, 発光反応に用いた触媒のうち実験で有用な結果が出た金属イオンの定量分析を行うことでその触媒に含まれている何が発光反応に有益な影響を及ぼしているのかを調べる. 2. 背景 化学発光を行うものの中で, 最も有名なのがルミノールである. 現在, ルミノールは警察の科学捜査に欠かせない物質である. 鑑識捜査の場合, ルミノールが励起状態から基底状態に戻る際の発光を利用することで血痕を検出していて, この際に血液中のヘモグロビンが触媒となっている. 他にも特有の発光を生かして, 医療現場での免疫測定や防犯用カラーボール, 化学の演示実験などにも用いられている. だが, まだ私たちの日常生活にはあまり縁のない物質のように思われる. そのような意味では, 今後様々な場面で利用できるように発展させていくことも可能である. 1
3. 原理 (a) 化学発光 化学発光は, 簡単にいうと 化学反応により分子が励起されて励起状態となり, そこから基底状態にもどる際に光を放つ現象 である. 化学反応において基底状態の分子が起こす反応は熱反応であるため光の放出は見られないが, 化学発光においては基底状態の分子が反応して, 光エネルギーを吸収して生じるのと同じような励起状態の分子を生成できるため光の放出がみられる. 化学発光は, 普通, 高くても 300 前後, またしばしば 100 以下でも認められるので 1, 直接反応のエネルギーが分子の電子エネルギーに変換されると考えられる. 化学発光における化学反応はほとんどの場合が酸化反応である. つまり分子が酸化されることにより励起状態になり, 光を放出して基底状態になるが, 実際に光っているものは種類によって違う. 1つは, 励起分子のエネルギーを他の共存する蛍光分子に移行することにより蛍光物質が励起されそれからの光が放出される 間接放出型 である. 祭りなどでよく使うケミカルライトが主な例として挙げられる. 一方, 分子が酸化されることにより励起状態となり光を放出して基底状態になるが, 反応で生成した励起分子から直接可視光として放出される 直接放出型 がある. これは今回の研究で題材とするルミノール反応が主な例である. 直接放出型 酸化発光! 蛍光分子 関接放出型 酸化エネルギー発光! 励起分子 蛍光分子 図 1 直接放出型, 間接放出型の違い 1 神谷功講談社現代の化学シリーズ 8 化学発光 p7~20 2
また, 光,X 線,γ 線, 陰極線,α 線, などの放射線の刺激や, 電気的刺激, 化学変化によって発光が起こるものがあり, これらは総じてルミネッセンスと呼ばれる. ルミネッセンスは光に熱を伴わないため, 冷光とも呼ばれる. また, ルミネッセンスは蛍光, 燐光と大きく二つに分けられる. 刺激を受けている間だけ発光を続け, 刺激がなくなればすぐに発光を停止するものを蛍光という. このように蛍光を発する物質を蛍光物質という. 刺激エネルギーを除いても, 数分から数時間にわたって発行を続けるものを燐光といい, 光を吸収して蓄え, それを徐々に放出する性質を持ち, 長残光性蛍光体や, 蓄光性材料ともいわれている. (b) 様々な化学発光 (b-1) ルミノールアルカリ性の水溶液中, ルミノールは過酸化水素と反応して 460 nm に強い紫青色の発光を示す. この反応は銅, コバルトなどの遷移金属およびその錯体 ( ヘキサシアノ鉄 (III) 酸カリウム K3[Fe(CN)6] など ), ある種の酵素によって触媒される. これを利用して過酸化水素および触媒となる金属種の微量定量 定性試験を行う. ヘミン ヘモグロビンあるいは血液は発光反応の触媒になるので, 血液の鑑識に古くから用いられている. この反応をルミノール反応という. 塩基水溶液中におけるルミノールの反応機構は広く研究されている. ルミノールの化学発光は種々の物質で触媒されることが知られている. オゾン, ハロゲン, ヘモグロビン, ヘミン, 過流酸塩, 鉄錯体, 遷移金属などが主な図 2 ルミノール反応経路例である. 発光機構は条件によりそれぞれ異なるが, 主なものとして, ジアザキノン中間体を経て6 員環ペルオキシド状態を形成しこれが分解して窒素ガスとフタル酸ジアニオンの励起状態が生じこれから光が放出される機構が考えられる. いずれにしても, 最終生成物の2-アミノフタル酸のジアニオンが発光体である. 3
ルミノール反応のエネルギー準位図は, 図 3 のようになる. 中間体 発熱, 発光 エネルギー ルミノー 2 - アミノフタル酸ジアニオン 反応の経過 図 3 ルミノール反応エネルギー準位図 (b-2) ケミカルライト ( サイリウム ) シュウ酸ジフェニルと蛍光色素の混合物に過酸化水素を混ぜることで, シュウ酸ジフェニルが過酸化水素によって酸化されながら分解し,2 分子のフェノールと 1 分子の過シュウ酸エステルが生じる. 過シュウ酸エステルは更に酸化をして 1,2-ジオキセタンジオンとなり, 自発的に分解をして 2 分子の二酸化炭素となった時に蛍光色素にエネルギーを与え励起をさせ, 基底状態になった時に発光が起こる. 発熱せず, 引火性がないため屋内でも使用す ることができ, 酸素も 図 4 ケミカルライト発光反応式 4
必要としない. 緑, 赤, 黄色, 白, 青, 赤外線などのタイプがあり, 通常 6 8 時間, 長いもので 10 時間以上発光する. また, 数分間 (5 分 ~15 分 ) しか発光しないかわりに高い照度と輝度を有するものもあり, このタイプで代表的なものがウルトラオレンジ (UO) である. 2 (c) 発光のエネルギー, 収率 (c-1) エネルギー 化学発光は, 反応のエネルギーが直接分子の電子エネルギーの励起に用いられる ので, 普通,1 個の分子の反応によって 1 個の励起分子が生成することとなる. この励起生成物は,1 個の光量子を放出する. つまり,1 つの光量子は 1 つの分子 の消失に対応すると考えられる. そこで, 仮に全ての分子の反応が発光に対応したとし,( この場合を量子収率が 1 であるという ) 波長 λ の光が放出したとすると,1 モルの分子の反応によって得ら れる光のエネルギー E は次式のようになる. E = nhc/λ n( 光量子の数 )= 6.02 10 23,h( プランク定数 )= 6.62 10 27 [ erg s ], c = 3.0 10 10 [ cm / s ] である. (c-2) 収率 発光の収率は次式であらわされる. Φcl = Φc Φe Φf Φcl は化学発光量子収率,Φc は化学反応収率,Φe は励起状態の分子の生成収率, Φf は蛍光量子収率である. つまり, 化学発光量子収率 (Φcl) は, 生成物の化学反応収率 (Φc) と励起状態の分子の生成収率 (Φe) および化学反応により生じた励起分子の蛍光量子収率 (Φf) の積として表される. Φclは種々の反応条件 ( 溶媒,PH, 触媒, 温度など ) で著しい影響を受ける. 2 吉川暹化学フロンティア新エネルギー最前線 p46~48 5
4. 実験方法 3 (a) 使用器具ストップウォッチ, 照度計, 試験管,200mL ビーカー 2 つ,400mL ビーカー 1 つ, 撹拌棒,200mL メスシリンダー, 安全メガネ, 保護手袋, 温度計 (b) 使用試薬 10% 水酸化ナトリウム水溶液 3.0% 過酸化水素水 蒸留水 ルミノール 窒素含有複素環式化合物の 1 種で, 塩基性水溶液に可溶. ルミノール反応時に, 窒素ガスが発生するので注意が必要である. ヘキサシアノ鉄 (Ⅲ) 酸カリウム K3[Fe(CN)6] 赤血塩, プルシアンレッドともよばれる赤色結晶性粉末. 光によって配位子の1 部が解離し, 微量のシアン化物イオンが生じ, 毒性を持つようになるので注意が必要である. (c) 実験操作 1, ルミノール 0.10g を 10% 水酸化ナトリウム水溶液 10mL と蒸留水 90mL に溶かす. これを A 液とする. 2, ヘキサシアノ鉄 (Ⅲ) 酸カリウム 0.060g を 3.0% 過酸化水素水 20mL, 蒸留水 180mL と混ぜる. これを B 液とする. 3 今井一洋廣川書店生物発光と化学発光基礎と実験 p57~59,77~83 6
3, A 液と B 液を混ぜると発光がみられるので, ストップウォッチ, 照度計を用い て発光の時間と強度を調べ, プロット, 記録をする. 4, 水酸化ナトリウム, 過酸化水素, ヘキサシアノ鉄 (Ⅲ) 酸カリウムの量を変えなが ら上記の手順と同様に実験をしていく. また, ヘキサシアノ鉄 (Ⅲ) 酸カリウム以外の触媒を用い, 同様の実験を行う. 5, 得られた結果からエネルギー効率, 光量子収率を調べる. ルミノール 0.10 g ヘキサシアノ鉄 (Ⅲ) 酸カリウム 0.060g 10% NaOH 蒸留水 90 ml 蒸留水 180 ml 過酸化水素水 10 ml 20 ml 200 ml ビーカー A 液 200 ml ビーカー B 液 図 5 実験準備図 5. 評価方法 1 実験で得られたデータから, 発光時間, 発光強度を元に指数を出し, 最も効率の良い組み合わせを調べる. また, 他の化学発光法の発光効率と比較し, この発光による検出法が実用に耐えるものなのかを調べる. 2 得られた発光時間, 発光強度等から, 実験に使った金属イオンの定量分析を行えな いか調べる. 7
6. 参考文献 神谷功講談社現代の化学シリーズ 8 化学発光 p7~29 川暹化学フロンティア新エネルギー最前線 p46~48 今井 1 洋廣川書店生物発光と化学発光基礎と実験 p57~59,77~83 戸嶋直樹 尾方 1 郎 大野尚典訳丸善株式会社化学実験とゲーテ p142~145 ヒカリの素ヒカリ工房 http://homepage2.nifty.com/hikarikon/hikarijiten.htm 7. メンバー チーフ 2OK 金丸明樹 サブチーフ 2K 岩佐崇弘 会計 2K 大橋奈実 2K 伊藤憲佑 班員 2K 藤崎康平 2K 井口裕太 8