ScienceBits

“... és lőn világosság.” Fényt kibocsátó kémiai reakciók a világító rudaktól a szentjánosbogarakig

TERMÉSZET VILÁGA

Meglehetősen ritka dolog, hogy kémiai reakció közvetlen eredményeként fény is keletkezzen. Az égések ugyan gyakoriak, és 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 luminol kemilumineszcenciája lombikkísérletben

Azt a jelenséget, amely során kémiai folyamatban keletkezik fény, kemilumineszcenciának nevezik, hogy más mechanizmusú fényképződésektől megkülönböztessék. Egy ilyen kísérletre az 1. ábra mutat be példát: a lombik tartalma kemilumineszcencia miatt világít kékes színnel, de közben egyáltalán nem melegszik a környezet hőmérséklete fölé.

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 bizony igen nagy utánajárással, és persze a legtöbb esetben sötétben kell keresni, mert ha elő is fordul, a kibocsátott fény intenzitása általában eltörpül még egy felhős téli nap fényereje mellett is.

Itt érdemes megjegyezni, hogy a lumineszcenciának többféle változata is ismert a kemilumineszcencián kívül. Talán a leggyakoribb a megvilágítás hatására történő fénykibocsátás, amelyet lehetne szabatosan fotolumineszcenicának is nevezni, de ez a kifejezés nem igazán terjedt el a tudományban. Ez elsőre akár még nevetséges magától értetődőnek is hangozhat, hiszen az anyagok legtöbbje visszaveri a ráeső fényt; a fotolumineszcencia esetében azonban nem erről 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. 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.

Minden lumineszencia-jelenségben közös, hogy egyes molekulák úgynevezett gerjesztett állapotba kerülnek: ez többnyire azt jelenti, hogy a molekulában lévő elektronok közül néhány többletenergiára tesz szert valami módon, és a kötések ugyan még nem hasadnak fel, de megváltoznak, gyengébbekké válnak. Az ilyen gerjesztett állapotokból a legstabilabb állapotba jutás közben az energiafelesleg egy foton, vagyis fény formájában távozik. Persze nem ez a fénykibocsátás egyetlen lehetséges módja: a leghagyományosabb villanyégőkben az izzószál azért világít, mert minden meleg test elektromágneses sugárzást bocsát ki, s az izzószál hőmérsékletén ennek egy része a látható fény tartományába esik. Ebből persze azt is ki lehet találni, hogy a hagyományos izzók hatékonysága igen kicsi: először is energia kell az izzószál felmelegítéséhez, majd a magas hőmérséklet fenntartásához, s a kibocsátott sugárzásnak is csak viszonylag csekély része esik a szemmel látható tartományba. Ezért a lumineszcencián alapuló fényforrások (pl. a fluoreszcenciát használó fénycsövek vagy az elektrolumineszcencián alapuló LED-ek) sokkal hatékonyabb világító eszközök, mint a hagyományos izzók, s így a régi izzókat az Európai Uniós szabályok szerint fokozatosan ki is kell vonni a forgalomból.

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

A lumineszcencia már felsorolt különböző fajtái között az az elvi különbség, hogy a molekulák hogyan jutnak gerjesztett állapotba. 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. Ennek a szerkezeti képletét mutatja be a 2. ábra (A molekula). 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 laboratóriumban könnyen előállítható, s ezért viszonylag olcsón megvásárolható anyag. E sorok írásakor egy kilogrammot mintegy 3,5 millió forintért árulnak. Ez első látásra mindennek tűnhet, csak olcsónak nem, de azt is figyelembe kell venni, hogy luminolból egy kilogramm hatalmas mennyiségnek számít: az 1. ábrán látható, viszonylag nagyobb térfogatú lombikban bemutatott kísérlet elvégzéséhez egy gramm tizedrésze is bőven elegendő.

A luminol fénykibocsátási sajátságai akár valamelyik Helyszínelők tévésorozatból is ismerősek lehetnek a nagyközönség számára, 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. Egy szűk évtizeddel később az is világossá vált, hogy ezért a hatásért a vérben lévő számtalan különböző anyag közül a vasat is tartalmazó hematin a felelős. A módszer több okból is különösen alkalmas a bűnügyi vizsgálatokra. Igen gyorsan, a helyszínen végrehajtható, nem szükségesek hozzá laboratóriumi eszközök. A beszáradt vagy alvadta 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.

Egy mosdókagyló luminoltesztje az igazságügyi
szakértők gyakorlatában

Maga a teszt a legegyszerűbben úgy végezhető el, hogy a gyanús foltra a vizsgálatot végző a luminol és az oxidálószer oldatának keverékét permetezi. A fénykibocsátás mintegy fél percig tart, persze a szabad szemmel való észleléshez viszonylag sötét helyen kell lenni. Erre a módszerre mutat be egy példát a 3. ábra. Ahogy a képen láthatjuk, a fénykibocsátást megfelelő technika alkalmazásával akár le is lehet fényképezni, így dokumentálható a teszt eredménye. A módszer hátránya, hogy nemcsak a hematin van katalitikus hatással a folyamatra, hanem egyes réztartalmú anyagok is. Mi több, a háztartásokban gyakori hipo (amely egyébként kémiailag nátrium-hipoklorit lúgos oldata) is mutathat ilyen jelenséget. Tehát ha valaki vérfoltot hipoval akar eltávolítani, a luminolteszben általában a teljes hipoval kezelt felület világítani kezd. Így ilyen esetben a vérnyomok már nem láthatók, mert elfedik őket a tisztítás általában sokkal kiterjedtebb nyomai.

Különböző színű világító rudak

A fényt kibocsátó kémiai reakciók adják az alapját a Magyarországon főleg az augusztus 20-i ünnep alkalmával, illetve szilveszter környékén árusított világító rudak működésének (4. ábra). 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 2. ábrán B betűvel jelzett difenil-oxalát, amely kémiai szempontból szintén nem számít bonyolultnak és a luminolhoz hasonlóan az ára is kedvező. Maga a luminol nem ideális ilyen felhasználásra, mert a reakció viszonylag gyorsan, percek alatt véget ér, vagyis a rúd csak rövid ideig világítana.

Minden eddig használt világító rúdban közös, hogy a fényt okozó reakcióban ugyanarra az oxidálószerre, a hidrogén-peroxidra van szükség. A fénykibocsátás a szerves kemilumineszcens anyag és az oxidálószer közötti reakcióban történik. Habár a kibocsátott fény színe valamelyest befolyásolható a használ szerves vegyület megválasztásával, igazából önmagában ezzel nem lehetne a 4. ábrán látható, látványosan sok színű világító rudakat készíteni. Ezért 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 Guinness Rekordok könyvében
lévő, valaha készített legnagyobb
világító rúd működés közben

A világító rudaknak az ünnepek hangulatának emelésén kívül sokkal fontosabb 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. Sokan azt tartják, hogy természeti katasztrófák, például nagy földrengések után a világító rudak az egyetlen biztonságosan használható fényforrás. Katonai támaszpontok vészvilágító rendszere is gyakran kemilumineszcencián alapuló módszert használ fel. Búvárok is előszeretettel használnak világító rudakat, különösen nagyobb mélységekben. A Guinness Rekordok könyve nyilván tartja a világ legnagyobb világító rúdját, ezt az angliai Camber Sands-ben egy fesztivál megnyitásakor használták 2009. április 24-én: 254 cm magas volt és a Csillagok Háborúja filmsorozatban szereplő fegyverhez, a fénykardhoz hasonlított (5. ábra).

Ugyan nem könnyű kemilumineszcenciát mutató reakciót találni, a természet „laboratóriumában”, a több milliárd évnyi evolúció során azért kifejlődött néhány olyan állatfaj, amelyek szervezete ilyen elven bocsát ki fényt. Az élővilágban előforduló, fénykibocsátással járó jelenséget biolumineszcenciának is nevezik. Igazából a hagyományos kemilumineszcenciától való megkülönböztetésnek nincsen elvi jelentősége, hiszen a jelenség a megfelelő molekulák segítségével élő szervezeteken kívül, laboratóriumban is előidézhető. Meg kell jegyezni, hogy időnként a foszforeszcencia is előfordul a természetben; ilyenkor az élőlény lényegében a nappali világosságot „konzerválja” az éjszaka egy részére.

Nagy szentjánosbogár (Lampyris noctiluca) nappal
és biolumineszcenciája éjszaka

A biolumineszcencia legszélesebb körben ismert példája a szentjánosbogár 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. A családhoz nagyjából 2000 különböző faj tartozik, melyek a sarkvidékeken kívül gyakorlatilag mindenhol előfordulnak. A trópusi és szubtrópusi éghajlat a legkedvezőbb számukra, de a hazánkhoz hasonló klímájú, mérsékelt övben sem ismeretlenek. Magyarországon három fajt találtak eddig: ezek a nagy szentjánosbogár (Lampyris noctiluca), a kis szentjánosbogár (Lamprohiza splendidula) és a törpe szentjánosbogár (Phospaenus hemipterus). A 6. ábra a nagy szentjánosbogár egy példányát mutatja be a bal oldalon világosban, a jobb oldalon pedig szürkületben, már fénykibocsátás közben.

A Magyarországon előforduló szentjánosbogarak mérete öt milliméter és két centiméter között változik. Testük általában viszonylag lapos, külső kitinvázuk nem különösebben kemény, csápjuk rövid. Fejük a tor alá mélyen behúzott, így nem is látható felülről. A világító szervük potrohuk utolsó szelvényeiben van. Lárváik ragadozó életmódot folytatnak: csigákat, apró rovarlárvákat fogyasztanak.

A bogarak 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. Sajnos az elmúlt évtizedekben Magyarországon igen megritkultak ezek a bogarak, így egyre kevesebben figyelhetik meg nyári estéken a fénykibocsátásukat. A bogárfaj közkeletű angol neve ’firefly’, amit tűzlégynek lehetne fordítani. Vajon magyarul akkor miért nevezték el a bogarakat szent Jánosról? A titok nyitja az időbeli egybeesés: a szentjánosbogarak rajzása általában a nyári napforduló, vagyis június 21 környékén a leglátványosabb. Keresztelő szent János születésnapja június 24-re esett, a katolikus egyház ezt ünnepli szent János napjaként, így a látványos fényjelenséget is erről nevezték el eleink.

A szentjánosbogarakban is a már bemutatott, mesterségesen megtervezett módszerekhez hasonló kémiai reakciók eredményezik a fénykibocsátást. A benne központi szerepet játszó szerves vegyületeket összefoglaló néven luciferinnek hívják: az eddigi kutatásokat azt mutatták, hogy különböző fajokban a luciferinek kémiai szerkezete nagyon különböző is lehet. Két molekula szerkezeti képletét mutatja be példáként a 2. ábra (C és D molekulák).

A szentjánosbogárban megtalálható luciferáz enzim
két különböző képe

A laboratóriumi kísérletekhez hasonlóan az élőlényekben is szükséges valamilyen oxidálószer a jelenség kiváltáshoz, itt azonban ezt a szerepet a levegőben lévő oxigén játssza, katalizátorként pedig a luciferáz nevű enzim szolgál. Ennek szerkezete igen összetett: sok-sok aminosavegységből álló fehérje, amelynek két különböző képét mutatja be a 7. ábra. Természetesen a luciferáz összetétele is függ attól, hogy melyik fajban található meg, a 7. ábrán a nagy szentjánosbogárból izolált fehérje szerkezete látható.

A luciferin és luciferáz név alighanem ördögidézőnek tűnhet az olvasók szemében, s a biolumineszcencia általában kékes, gyengén derengő megjelenése is erősítheti ezt a vélt kapcsolatot. Valójában azonban lényegesen ártatlanabb a név eredete: a lucifer eredeti melléknévi jelentése latinul fényhozó, főnévként pedig gyakran az esthajnalcsillagra, vagyis az égbolton fénylő Vénusz bolygóra utalt. Csak jóval később kezdte a keresztény hagyomány ezt a szót az ördög megnevezésére használni.

Bár a luciferineket az adott élőlények szervezete előállítja, mesterséges előállításuk lényegesen drágább, mint a luminolé vagy a difenil-oxaláté, ezért nem is használják őket széles körben. A mesterségesen előállított luciferin (a 2. ábrán C) már egyetlen grammjáért is ötmillió forintot kérnek, a luciferáz enzim pedig legalább tízszer ennyibe kerül. Persze ebből a felhasználók nagyon ritkán vesznek többet, mint egy gramm századrésze.

Biolumineszcens hal a Nemo nyomában című rajzfilmben

A biolumineszcenica jelensége nem korlátozódik a szentjánosbogarakra. Rovarok, halak, polipok, puhatestűk, gombák és baktériumok több tucat családja ismeretes, amelyek fénykibocsátásra képesek. A 2. ábrán látható D molekula például egy olyan luciferin szerkezeti képletét mutatja be, amelyet az Új-Zéland északi szigetén élő Latia neritoides édesvízi csigafajból izoláltak.

Egyes halak biolumineszcenciája a Disney hollywoodi szakembereinek figyelmét is felkeltette. A 2003-ban bemutatott Nemo nyomában című rajzfilm gonosz világító hal figuráját (8. ábra) is egy biolumineszcenciát mutató halfajról mintázták (púpos horgászhal, Melanocetus johnsonii). Bízom benne, hogy a cikk olvasói a jelenségre így már megfelelően részletes magyarázatot tudnak majd adni kíváncsi gyermeküknek.

2016.02.11.