化学発光（ケミルミネッセンス）とは｜原理・仕組み・応用例

化学発光（ケミルミネッセンス）の原理・仕組みを図解で解説し、生体発光や分析・医療・環境などの応用例と測定法までわかりやすく紹介。

著者: Leandro Alegsa

ケミルミネッセンス（またはケモルミネッセンス）は、ルミネッセンスの一種で、化学反応のエネルギーを直接用いて可視光等の光を放出する現象です。生体内で起こる化学発光は一般に生物発光と呼ばれます。

原理・仕組み

化学発光は反応によって生成する分子が励起状態になり、そこから基底状態へ戻る際に光子を放出することで起こります。例えば、AとBの反応で中間体Cの励起状態C*が生成され、C*が光を放出してCに戻るという単純化したステップで表せます。

例（簡略化された2段階反応）
[A]＋[B] → [C*]＋[D]　（化学反応による励起の生成）
C* → C ＋ Light　（励起状態からの光放出）

ここでのC*は、Cの励起状態（電子が高い軌道に上がった状態）を示します。励起状態は基底状態よりもエネルギー的に不安定であり、励起電子が基底状態へと落ちる際に余剰エネルギーを光（フォトン）として放出します。化学発光で生じる光は、熱によるものではなく、化学反応エネルギーの非熱的変換です。

励起状態は直接生成される場合のほか、反応中に生じる電子的再配列、ラジカル中間体、あるいは化学発光色素へのエネルギー移動など多様な経路で生成されます。また、励起状態が一重項（singlet）か三重項（triplet）かによって、放出される光の時間スケールや性質（蛍光的・燐光的）も変わります。

放射強度と量子効率

化学発光で測定される光の量は放射強度と呼ばれます。ここでの放射強度 ICLは、単位時間あたりに放出される光子の数で表され、一般的には

ICL = φCL × Rexc

のように表せます。ここでφCLは化学発光の量子収率（励起状態から光子が放出される確率）、Rexcは励起状態が生成される速度（単位時間あたりの生成数）です。実験では検出器の感度や光学系の損失を考慮して、絶対強度ではなく相対強度（相対ルミネッセンス単位：RLU）で扱うことが多いです。元の記述にならえば、ICLは1秒間に放出される光子の数と考えられます。

代表的な化学発光反応と応用例

  • ルミノール（Luminol）反応：白血球やヘモグロビンなどの酸化触媒で発光するため、法医学で血痕検出に広く用いられる。
  • オキサレート／過酸化水素系：発光物質に色素（発光増強剤、発色団）を加えることで色や強度を調整でき、光るスティック（グロースティック）などの発光材料に利用される。
  • ルシフェラーゼ反応（生物発光）：発光酵素ルシフェラーゼと基質（ルシフェリン）により生体内で光を出す反応。バイオイメージングや遺伝子発現の報告系として研究・医療応用される。
  • 化学発光免疫測定（CLIA）：抗原抗体反応と組み合わせた高感度な分析法で、臨床検査や環境モニタリングに用いられる。
  • 発光センサー：酸素、過酸化物、pH、金属イオンなどの検出において、化学発光を検出信号として利用するセンサーがある。
  • イメージング・分析機器：ルミノメーターやCCDカメラを用いた微弱光検出により、ELISAやウエスタンブロットの発光検出が行われる。

利点・欠点と実用上の留意点

  • 利点：高感度でバックグラウンドノイズ（外部光）が少ないため、微量検出に適する。測定機器が比較的簡便で定量性が高い応用が多い。
  • 欠点：発光反応は一過性であることが多く、光の強度や持続時間が反応条件に依存する。再現性を得るために温度、pH、反応時間、試薬の純度や添加順序などを厳密に管理する必要がある。
  • 反応条件の影響：溶媒、pH、温度、触媒（酵素や金属イオン）、酸化還元環境、消光剤（キュエンチング物質）などが光強度や波長に大きく影響する。感度向上のために発色団（アクセプター）へのエネルギー移動を利用することも多い。

測定と機器

化学発光は微弱光を扱うため、光電子増倍管（PMT）や冷却CCDカメラなどの高感度検出器が用いられます。測定では、時間分解測定により発光の立ち上がり・消衰を解析して反応速度論や生成物の挙動を調べることができます。また、化学発光量は絶対値（光子数）あるいは相対値（RLU）で報告されます。装置によりは単位時間当たりの検出光子数としてICLを直接読むことができます。

まとめ

化学発光は、化学反応エネルギーを非熱的に光に変換する現象であり、原理は励起状態の生成とその放射緩和に基づきます。法科学、診断医療、環境分析、バイオイメージング、発光材料など幅広い分野で利用されています。一方で反応条件に敏感であるため、用途に応じた最適化と適切な測定手法の選択が重要です。

三角フラスコ内の化学発光反応で大量の光が発生するZoom
三角フラスコ内の化学発光反応で大量の光が発生する

分析アプリケーション

作られた光を測定するための装置はシンプルだ。試料を入れるものと、光電子増倍管が必要だ。これを化学計測に利用するには、3つの方法がある。

  1. 欲しかった製品が、別の化合物と反応して光を発することもある。
  2. また、目的の製品を追加すると光量が低下するタイプもあります。
  3. 化学発光反応に目的の生成物を加えると、より多くの光が得られることがある（触媒反応）。

ガスの分析

この方法では、少量の大気汚染物質を測定します。一般的な方法では、一酸化窒素をオゾンと反応させてその量を測定します。作られる光の波長は、600～2800nmです。

液体の分析

液体の化学発光に用いられる化合物としては、ルミノールが最もよく知られている。

細胞小器官の分析

ミトコンドリアなどの細胞内のCa2+（カルシウム）は、エークオリンというクラゲのタンパク質と反応して光を発する。一酸化窒素（NO）は細胞内に存在し、細胞同士が会話をするための手段であり、ルミノールという化合物で測定することができます。

その他の例

  • 自然界の化学発光分子の例として、ホタルのルシフェリンがあります。
  • このプロセスは、グロースティックを作るのにも使われています。

質問と回答

Q:ケミルミネッセンスとは何ですか?


A:化学発光とは、化学反応によって光を作る発光の一種です。

Q: 生物発光とは何ですか?


A: 生物発光とは、生体内で発生する化学発光のことです。

Q: 化学発光の光は熱に関係するのですか?


A: いいえ、化学発光の光は熱とは関係ありません。

Q: 化学発光の例を教えてください。
A: 化学発光反応の簡単な例として、AとBの反応によりC、D、光が生成されます。

Q: 化学発光反応におけるC*とは何ですか?


A: C*は、化学反応のエネルギーによって電子が高い軌道に押し出されたときに生じるCの励起状態です。

Q: Cの励起状態はどのように発光するのですか?


A: 励起状態は基底状態よりも安定性が低いため、励起状態の電子が基底状態に落下して発光しています。

Q: 放射強度とは何ですか?


A: 放射強度とは、化学発光反応によって発生する測定可能な光の量をICL（photons emitted per second）で表したものです。


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