Luminiscence

Co je to luminiscence a jak k ní dochází?

tl_files/Clanky/Images/CHJ_20_firefly.jpg

Luminiscence je jev, při kterém atomy či molekuly nacházející se v excitovaném stavu vyzařují světlo. Jak se ale atomy do excitovaného stavu dostanou a co to znamená?

Představ si třeba nějakého člověka, který sedí hezky v klidu doma na pohovce. Jeho „energie“ je minimální, protože jen sedí a kouká na televizi. Najednou jej něco vyruší – třeba se polije kávou. Vyskočí z pohovky (čímž mu rychle stoupne „energie“) a snaží se odstranit následky nehody a vrátit se do svého původního stavu – pohodlného sezení na pohovce (s minimální „energií“).

Podobné je to s atomem. I atom řekněme „rád odpočívá“, odborně říkáme, že se nachází v základním stavu, v němž je jeho energie minimální. Pokud se v blízkosti atomu objeví záření ve formě fotonu, atom energii tohoto záření absorbuje. Energie atomu se tedy zvýší (podobně jako se zvýšila „energie“ člověka, který vyskočil z pohovky). Elektrony atomu přeskočí na vyšší energetickou hladinu. Proto říkáme, že se atom nachází v excitovaném (neboli vybuzeném) stavu.  Tento vyšší energetický stav je ale nestabilní, atom se po určité době vrací zpět do základního stavu (tak jako se člověk vrací zpět na pohovku). Aby k tomuto návratu mohlo dojít, je třeba vyzářit nadbytečnou energii a to ve formě fotonu, tedy světla (i člověk musí vydat energii na to, aby si vyčistil oblečení). Tento vyzářený foton má menší energii, tedy větší vlnovou délku než foton absorbovaný a proto dochází ke změně barvy světla.

Jistě si z dětství vzpomeneš na nejrůznější předměty či hračky, které po nasvícení (excitaci) v noci sami svítily (například svítící hvězdičky, náramky nebo ručičky hodinek). Tyto předměty září právě díky luminiscenci - jevu, který je popsán výše.

Různé druhy luminiscence

V tomto konkrétním případě šlo o tzv. fotoluminiscenci, protože k excitaci atomu došlo po jeho ozáření jiným zdrojem záření. Luminiscenci obecně dělíme na fluorescenci a fosforescenci. Rozdíl mezi nimi spočívá v mechanismu, jakým se atom vrací do svého základního stavu (podrobněji viz např. 3. publikace). Nám postačí vědět, že u fluorescence návrat z excitovaného stavu do základního stavu netrvá příliš dlouho (řádově 10-9 s až 10-6 s).  V případě fosforescence návrat trvá déle (řádově 10-4 s až 2 dny), protože při ní se elektrony dostanou do takových energetických hladin, ze kterých je návrat do základního stavu velmi obtížný. Kromě fotoluminiscence existuje také chemiluminiscence a bioluminiscence. Jde o případy luminiscence, kdy probíhající chemická či biochemická reakce uvolní energii, která opět dostane atom do excitovaného stavu. 

Bioluminiscence neboli světélkování živých organismů

Jak je možné, že některé organismy světélkují? V tělech bioluminiscenčních organismů se vyskytují dvě důležité látky, díky nimž je světélkování umožněno. Jde o luciferin a enzym luciferázu. Luciferin se v přítomnosti kyslíku oxiduje na oxyluciferin, čímž se molekula luciferinu dostává do excitovaného stavu a vydává světlo. Enzym luciferáza celou reakci katalyzuje. Bioluminiscenční organismy si luciferin buď sami vyrábí, nebo jej přijímají ve formě potravy (například některé druhy hlubokomořských ryb). Nejvíce bioluminiscenčních organismů se nachází v hlubinách oceánu, nalézt je ale můžeme i na souši. Nejhojnějšími zástupci jsou bioluminiscenční bakterie, které velmi často žijí v symbióze s jinými organismy, například rybami. Právě tyto bakterie způsobují světélkování mrtvých ryb vyvržených oceánem na pobřeží, ale existují i druhy ryb, které jsou schopné bioluminiscence nezávisle na bakteriích. Některé volně žijící druhy bioluminiscenčních bakterií zase mohou za modrozelené světélkování moří. Bioluminiscenční bakterie jsou díky své schopnosti využívány vědci z různých oborů. Mohou sloužit například k detekci toxických látek v životním prostředí, upozorňují na kontaminaci potravin, vody nebo krve. Národní úřad pro letectví a kosmonautiku (NASA) dokonce využil poznatků o bioluminiscenčních bakteriích při zkoumání povrchu planety Mars.

Bioluminiscenční organismy se vyskytují napříč celým klasifikačním systémem, jsou známy bioluminiscenční druhy hub, obrněnek, medúz, měkkýšů, členovců (například světlušky), ostnokožců i obratlovců (ryby). Jedině říše rostlin nezahrnuje ani jeden světélkující organismus. Luminiscence má u různých organismů i různou funkci. Nejčastěji luminiscence slouží jako obranný mechanismus proti predátorům. Světelný záblesk buď predátora na krátkou chvíli oslepí a napadený živočich má čas uniknout, nebo přiláká většího predátora, který je hrozbou pro původního predátora. Další funkcí bioluminiscence je komunikace. Světlušky využívají luminiscenci při námluvách. Samečci poletují a světélkují, zatímco samičky sedí na větvích keřů a samečky pozorují.

Ve střední Evropě, a tedy i v České republice, můžeme kromě světlušek narazit na další bioluminiscenční organismy. Například na žížalu svítivou, kterou můžeme nalézt v horských listnatých či smíšených lesích v trouchnivějícím dřevě a hrabance. Nebo na dřevokaznou houbu václavku obecnou, rostoucí v listnatých i jehličnatých lesích, často v trsech u kmene stromu či pařezu.

Praktické příklady a pokusy

Luminiscence má velmi široké použití. Fluorescence se například využívá v úsporných zářivkách nebo elektroluminiscenčních diodách (LED), dále jsou velmi známá a používaná tzv. fluorescenční barviva, která se využívají například pro ochranu bankovek před paděláním a pro kontrolu kolků, jízdenek, stravenek a jiných důležitých dokumentů. Fluorescenční barviva můžeme také nalézt ve zvýrazňovačích textu. Používají se i k průzkumu toku podzemních vod.  V roce 1877 byl pomocí sodné soli fluoresceinu, která se ve velkém množství vstříkla do země, odhalen tok pramene Dunaje. V neposlední řadě se můžeme s fluorescenčními barvivy setkat i při barvení biologických preparátů určených pro zkoumání pod fluorescenčním mikroskopem.

Fluorescenční látky se vyskytují i v tzv. opticky zjasňujících prostředcích, které jsou součástí pracích prášků a jiných bělidel. Používají se k vybělení jak textilu, tak i kancelářského papíru, což můžeme dokázat, pokud se na papír či bílé oblečení podíváme pod UV lampou, papír i textil budou vydávat modré světlo. S fluorescencí se můžeme setkat i u potravin a nápojů, pokud se podíváme na Tonic proti světlu, uvidíme modré světélkování. Fluorescenci vykazuje i náplň banánků v čokoládě, energetické nápoje obsahující vitamín B2, mléko, nebo podhoubí plísně hermelínu.

Chceš-li zjistit, které další potraviny nebo biologické materiály vykazují luminiscenci a jak to ověřit, klikni na následující odkazy. Najdeš tam mimo jiné obrázky nejrůznějších objektů pod UV lampou a další velmi zajímavé experimenty (jako například Svítící pupeny, Svítící cukr, Červený trpaslík a další) a k nim jednoduché návody. 

http://www.academia.edu/5665148/Luminiscence_v_b%C4%9B%C5%BEn%C3%A9m_%C5%BEivot%C4%9B_i_v_laborato%C5%99i

http://vnuf.cz/sbornik/prispevky/13-14-Konecny.html

https://socv2.nidv.cz/archiv36/getWork/hash/d534a678-a3b7-11e3-98b3-faa932cbcfda

Datum: 26. 01. 2016

Autoři: Klára Baková

Literatura:

  1. CHRISTIAN, Gary D, Purnendu K DASGUPTA a Kevin SCHUG. C2014. Analytical chemistry. 7th ed. Hoboken: Wiley, xxii, 826 s. ISBN 978-0-470-88757-8.
  2. MOČUBOVÁ, Dominika. 2006. Bioluminiscenční organismy. Brno. Bakalářská práce. Masarykova univerzita. Ústav experimentální biologie. Vedoucí práce Pavel Hyršl.
  3. MIDLIK, Adam. 2013. Studium bioluminiscence Eisenia lucens. Brno. Bakalářská práce. Masarykova univerzita. Ústav chemie. Vedoucí práce Petr Táborský.
  4. Fluorescence. 2014. Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation [cit. 2015-10-20]. Dostupné z http://www.wikiskripta.eu/index.php./Fluorescence
  5. MACHAČ, Ondřej. Eisenia lucens - žížala svítivá. Natura Bohemica: Příroda České republiky [online]. 2009 [cit. 2015-11-14]. Dostupné z: http://www.naturabohemica.cz/eisenia-lucens/
  6. Václavka obecná. Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2015 [cit. 2015-11-14]. Dostupné z: https://cs.wikipedia.org/wiki/V%C3%A1clavka_obecn%C3%A1
  7. Fluorescence. Chemie a světlo: školní didaktická souprava [online]. Brno, 2015 [cit. 2015-11-14]. Dostupné z: http://www.chemieasvetlo.cz/?page_id=29
  8. MĚRKA, Pavel. Lučba světelná [online]. Přerov, 2014, [cit. 2015-11-14]. Dostupné z: https://socv2.nidv.cz/archiv36/getWork/hash/d534a678-a3b7-11e3-98b3-faa932cbcfda. Středoškolská odborná činnost. Gymnázium Jakuba Škody. Vedoucí práce Luděk Míka, Pavel Teplý.
  9. Yikrazuul. Photinus pyralis Fyrefly glowing. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Photinus_pyralis_Firefly_glowing.jpg. Tento obrázek je publikován pod licencí  Creative Commons Attribution-Share Alike 2.0 Generic license.

Další zajímavosti na Chemie jasně.