Chemik na tropie - chemiluminescencja aktywowana krwią
Śledztwo
Wiele substancji wykazuje zdolność do chemiluminescencji, między innymi lucyferyna z lucyferazą, biały fosfor, singletowa odmiana tlenu, lofina czy układ pirogalol-formaldehyd. Najsilniejszą luminescencję daje utleniany w środowisku alkalicznym luminol. Świecenie utlenianego luminolu może być inicjowane obecnością krwi; zjawisko to jest wykorzystywane do jej łatwego wykrywania.
Spójrzmy na widoczny poniżej, niewinnie prezentujący się kawałek bibuły:
Papier wygląda na czysty; w toku dzisiejszego doświadczenia sprawdzimy czy zostały na nim zostawione jakieś ślady krwi.
Czego potrzebujemy?
Musimy zgromadzić substancje z poniższej listy.
- Nadtlenek wodoru H2O2 30% (perhydrol),
- wodorotlenek sodu NaOH,
- 3-aminohydrazyd kwasu ftalowego (luminol) C8H7N3O2.
Ostrzeżenie: W tym doświadczeniu wykorzystywany jest NaOH, który jest mocną zasadą i ma silne działanie żrące. Perhydrol jest także żrący; w zetknięciu ze skórą wywołuje zmiany martwicze. Luminol ma działanie alergogenne i jest podejrzewany o właściwości rakotwórcze! Należy bezwzględnie unikać zanieczyszczenia oczu lub skóry! Użycie krwi o nieznanym pochodzeniu może być źródłem zakażenia pewnymi chorobami, należy zachować daleko idącą ostrożność! Konieczne jest stosowanie rękawic i okularów ochronnych! Autor nie bierze jakiejkolwiek odpowiedzialności za wszelkie mogące powstać szkody. Robisz to na własne ryzyko!
3-aminohydrazyd kwasu ftalowego, bardziej znany jako luminol, jest niestety stosunkowo drogim odczynnikiem. Na szczęście jednak są potrzebne bardzo małe jego ilości, więc nawet pół grama tej substancji wystarczy do przeprowadzenia wielu ciekawych reakcji. Jego wzór strukturalny:
Można go też samemu zsyntezować, lecz wymaga to nieco zachodu. Dla chcącego nie ma nic trudnego! Dla tych, którzy chcieliby samodzielnie uzyskać tę substancję, zamieszczam opis przeprowadzonej przeze mnie syntezy luminolu. Poniżej zdjęcie próbki otrzymanego w ten sposób związku, który został wykorzystany także w tym doświadczeniu.
Jeśli posiadamy wszystkie potrzebne składniki to możemy przystąpić do analizy.
Doświadczenie
Musimy przygotować odpowiedni roztwór. W 50cm3 wody destylowanej rozpuszczamy 1g NaOH, a następnie kilka miligramów luminolu (taka ilość będzie wystarczająca, nie ma potrzeby stosować więcej). Luminol stosunkowo opornie rozpuszcza się w wodzie, dlatego konieczne jest mieszanie aż do rozpuszczenia. Dobrym rozwiązaniem jest użycie mieszadła magnetycznego. Tak przygotowany roztwór jest trwały i można go przechowywać.
Następnie tniemy analizowany materiał na niewielkie fragmenty:
Na krótko przed analizą należy dodać do roztworu 1,5cm3 perhydrolu. Do probówki wlewamy około 5cm3 tak przygotowanego roztworu, następnie wrzucamy do niej jeden fragment materiału i mieszamy.
W wyniku przeprowadzonych czynności roztwór zaczyna świecić delikatnym, ale wyraźnie widocznym światłem o niebieskiej barwie.
Luminescencja dowodzi, że na papierze znajdowała się rzeczywiście krew.
Wyjaśnienie
Wykryliśmy krew na papierze. Skąd się ona jednak tam wzięła? Nie dowodzi to tutaj żadnej zbrodni, a raczej tego, że nauka musi pociągać za sobą czasem pewne ofiary: zraniłem się w trakcie przygotowań do innego doświadczenia i już po opatrzeniu rany oraz ustaniu krwawienia przetarłem powierzchnię skóry wyjałowioną bibułką. Nie było widać już nawet śladu krwi, jednak jak się okazuje, na papierze musiała sie osadzić bardzo mała jej ilość. Opisana metoda wykrywa nawet zupełnie niewidoczne dla człowieka, a także zestarzałe ślady krwi. Jest też rzeczywiście wykorzystywana w kryminalistyce.
Mechanizm zachodzących procesów polega na utlenianiu luminolu w środowisku zasadowym za pomocą H2O2 w obecności katalizatora. Dokładny opis tego procesu zawarłem tutaj. Katalizatorem reakcji mogą być związki kompleksowe miedzi lub żelaza. W innych doświadczeniach jako wyzwalacz reakcji stosuje się heksacyjanożelazian(III) potasu K3[Fe(CN)6], lecz jest on z dosyć oczywistych względów nieobecny we krwi. W jaki sposób krew katalizuje utlenianie luminolu i jego świecenie?
Kluczem jest tu czerwony barwnik krwi czyli hemoglobina. Składa się ona z części białkowej - globiny, oraz prostetycznego elementu niebiałkowego, którym jest hem. Część organiczna hemu posiada strukturę analogiczną do porfiryny. W cząsteczce hemu odpowiednia porfiryna posiada związany kation żelaza (Fe2+ lub Fe3+) przez cztery wiązania żelazo-azot. Formalnie dwa z nich to wiązania kowalencyjne, a dwa koordynacyjne, choć w rzeczywistości są one równocenne. Wzór hemu:
Hem dzięki związanemu kompleksowo żelazu wykazuje właściwości katalityczne w kierunku utleniania luminolu przez H2O2. Dzięki temu emisja charakterystycznego dla tego procesu niebieskiego światła może pomagać w wykrywaniu krwi.
Trzeba zaznaczyć, że podobną reakcję dają specyficzne roślinne enzymy, w szczególności peroksydazy. Jeśli chcemy wykluczyć ich pomyłkę z krwią, to badaną próbkę trzeba podgrzać na parę minut do temperatury przynajmniej 100°C. Wysoka temperatura dezaktywuje enzymy, dzięki czemu pozostała luminescencja będzie już mogła świadczyć jedynie o obecności krwi.
Życzę miłej i pouczającej zabawy:)
Marek Ples