Chemiluminescenza e bioluminescenza: la luce dalle reazioni

Di solito una molecola emette luce dopo aver assorbito luce. Nella chemiluminescenza accade qualcosa di diverso: è una reazione chimica a produrre direttamente uno stato eccitato, che poi emette un fotone. È la «luce fredda», generata senza calore apprezzabile, che si osserva nei bastoncini luminosi, nel test forense con il luminol e, nella sua versione biologica, nella luce delle lucciole e di molti organismi marini.

Vediamo come una reazione possa emettere luce, qual è la differenza con la fluorescenza, che cos’è la bioluminescenza e quali applicazioni hanno questi fenomeni.

Luce dalla reazione, non dalla luce

In una reazione chemiluminescente l’energia liberata dal processo chimico non si disperde tutta come calore: una parte porta una molecola di prodotto in uno stato elettronico eccitato. Quella molecola, tornando allo stato fondamentale, emette un fotone. È il contrario della fluorescenza, dove l’energia per arrivare allo stato eccitato proviene dall’assorbimento di luce: qui la sorgente di energia è la reazione stessa.

La «luce fredda»

La chemiluminescenza viene spesso chiamata luce fredda perché l’energia esce sotto forma di luce invece che di calore: a differenza di una fiamma o di una lampadina a incandescenza, non c’è bisogno di alte temperature. È un modo molto «efficiente» di produrre luce dal punto di vista termico, ed è la ragione per cui un bastoncino luminoso emette luce pur restando freddo al tatto.

Esempi tipici

Due esempi sono entrati nell’uso comune. I bastoncini luminosi contengono reagenti separati che, una volta mescolati piegando il bastoncino, reagiscono producendo luce attraverso un colorante che ne determina il colore. Il luminol è celebre in ambito forense: in presenza di tracce di sangue, il ferro dell’emoglobina catalizza una reazione che fa emettere al luminol una luce bluastra, rivelando macchie altrimenti invisibili. In entrambi i casi è la reazione a «accendere» la luce.

A + B → prodotto* → prodotto + luce  (l’energia di reazione genera uno stato eccitato che emette un fotone)

La bioluminescenza

Quando la chemiluminescenza avviene all’interno di un organismo vivente si parla di bioluminescenza. La luce delle lucciole, di molti organismi degli abissi marini, di alcuni funghi e batteri nasce da una reazione catalizzata da un enzima: una molecola che funge da «combustibile luminoso» viene ossidata, con l’intervento dell’enzima e in presenza di ossigeno, e parte dell’energia liberata viene emessa come luce. È un fenomeno diffusissimo in natura, usato dagli organismi per comunicare, attrarre prede o difendersi.

Le applicazioni analitiche

La chemiluminescenza è preziosa in analisi chimica, perché misurare la luce emessa in assenza di luce di fondo è estremamente sensibile: si rivelano quantità minuscole di sostanza. Su questo principio si basano numerosi test diagnostici e immunologici, la rivelazione di specie biologiche e, sfruttando gli enzimi della bioluminescenza, metodi per misurare molecole come quelle che indicano la presenza di cellule vive. La luce, qui, è il segnale analitico.

Quadro d’insieme

Nella chemiluminescenza è una reazione chimica a generare uno stato eccitato che emette luce, senza bisogno di assorbire luce né di calore: la «luce fredda» dei bastoncini luminosi e del luminol. La bioluminescenza ne è la versione enzimatica negli organismi viventi. L’elevata sensibilità della misura della luce emessa ne fa uno strumento analitico e forense di grande valore.

Domande frequenti

Che cos’è la chemiluminescenza?

È l’emissione di luce prodotta direttamente da una reazione chimica. L’energia liberata dalla reazione, invece di disperdersi come calore, porta una molecola di prodotto in uno stato elettronico eccitato, che tornando allo stato fondamentale emette un fotone. A differenza della fluorescenza, in cui l’energia dello stato eccitato proviene dall’assorbimento di luce, nella chemiluminescenza la sorgente di energia è la reazione chimica stessa.

Perché si parla di «luce fredda»?

Perché l’energia esce sotto forma di luce e non di calore, e quindi non servono alte temperature come in una fiamma o in una lampadina a incandescenza. Un bastoncino luminoso, per esempio, emette luce pur restando freddo al tatto. È un modo termicamente «efficiente» di produrre luce, e l’espressione luce fredda sottolinea proprio l’assenza del calore che accompagna le sorgenti luminose tradizionali.

Qual è la differenza con la fluorescenza?

Sta nella sorgente di energia. Nella fluorescenza la molecola raggiunge lo stato eccitato assorbendo luce, e poi la riemette; nella chemiluminescenza è una reazione chimica a generare lo stato eccitato, senza che sia stata assorbita alcuna luce. In entrambi i casi alla fine si emette un fotone, ma il modo in cui la molecola arriva allo stato eccitato è completamente diverso: luce assorbita nell’una, reazione chimica nell’altra.

Che cos’è la bioluminescenza?

È la chemiluminescenza che avviene all’interno degli organismi viventi, come le lucciole, molti animali degli abissi marini e alcuni funghi e batteri. Nasce da una reazione catalizzata da un enzima, in cui una molecola che funge da combustibile luminoso viene ossidata in presenza di ossigeno, e parte dell’energia liberata viene emessa come luce. Gli organismi la usano per comunicare, attrarre prede o difendersi.

A che cosa serve la chemiluminescenza in laboratorio?

Soprattutto come metodo analitico molto sensibile. Misurare la luce emessa contro uno sfondo buio permette di rivelare quantità piccolissime di sostanza, perché non c’è luce di eccitazione che disturbi il segnale. Su questo principio si basano numerosi test diagnostici e immunologici e metodi per rivelare specie biologiche; sfruttando gli enzimi della bioluminescenza si misurano anche molecole che indicano, per esempio, la presenza di cellule vive.