Une expérience de chimiluminescence utilisée par la police scientifique pour détecter les traces de sang. Mais avant, quelques explications :

La luminescence

Qu’est-ce que la luminescence ?

La luminescence c’est l’émission de lumière due au retour à l’état fondamental d’une espèce excitée par un autre moyen que le chauffage.

2. Différents types de luminescence

 

On peut citer par exemple la fluorescence qui est une désexcitation rapide d’une molécule. Ou encore la phosphorescence, qui elle est plus longue, mais souvent moins intense, car les électrons passent par des niveaux d’énergie des Orbitales Moléculaires intermédiaires.

 

On peut citer également la chimiluminescence, ce dont on s’intéresse ici particulièrement. C’est une émission de lumière produite par une réaction chimique

Exemples : bâtons lumineux, lumières de secours …

On peut aussi citer la bioluminescence qui est de la chimiluminescence mais appliquée aux organismes vivants. Ceci leur est utile pour se nourrir, pour se protéger des prédateurs, pour s’éclairer parfois, mais surtout pour la reproduction. Plus de 95% des espèces qui sont à 4000 mètres sous le niveau de la mer émettent de la lumière par bioluminescence.

Exemple : la luciole.

Une molécule d’ATP qui en général joue un rôle de source d’énergie, va intervenir ici comme un catalyseur. Se liant à un ion divalent Mg2+, vont permettre l’activité de la luciférase (une enzyme) en se liant à elle. Cette enzyme se lie ensuite à la luciférine (le substrat). Formant une molécule qui se fait oxydée par le dioxygène pour donner l’oxyluciférine une molécule dans un état excitée qui pour se désexciter et retourner à son état fondamental (stable) va émettre de la lumière (photon) dans le domaine du visible.

 La réaction du luminol avec du ferricyanure de potassium

 Manipulation

Matériel :

• un bécher
• 10 mL de solution de luminol préparé en milieu basique (0,1 mol/L)
• 5 mL de solution de peroxyde d’hydrogène (0,1 mol/L)
• 0,4 g de ferricyanure de potassium

Précautions :

Il est absolument impératif de porter des lunettes de protection, des gants ainsi qu’une blouse afin d’être protégé en cas de projection sur la peau ou les habits.

Protocole :

1. Introduire les 5 mL de solution de peroxyde d’hydrogène 0,1 mol/L dans un bécher.
2. Ajouter les 10 mL de solution de luminol préparé en milieu basique 0,1 mol/L.
3. Ajouter ensuite les 0,4 g de ferricyanure de potassium.
4. Mélanger, éteindre la lumière, et observer l’émission de lumière bleue (l=500nm)

 

Etude du mélange réactionnel

Mélange	Luminol + fer	Luminol + peroxyde d’hydrogène	Fer + peroxyde d’hydrogène
Luminescence	Non	Non	Non
Dégagement gazeux	Non	Non	Oui
Coloration	Jaune	Incolore	Jaune

Détails :

Lorsque l’on mélange le luminol avec du fer on n’observe ni dégagement gazeux, ni émission de lumière. La solution est jaune due à la présence du ferricyanure de potassium.
Lorsque le l’on mélange le luminol avec le peroxyde d’hydrogène, il n’y a ni coloration de la solution (les 2 étant incolores), il n’y a pas de luminescence, ni de dégagement gazeux.
Par contre, lorsque l’on mélange le fer avec le peroxyde d’hydrogène, il n’y a pas de luminescence, la solution est jaune due au ferricyanure de potassium. Mais surtout il y’a un dégagement gazeux.

Les 3 réactifs sont donc indispensables à la réaction.

Cependant quel gaz peut être formé lors de la réaction entre le fer et le peroxyde d’hydrogène, et quel rôle a-t’il dans la réaction de chimiluminescence ?

Explications :

La réaction du luminol en milieu oxydant

 

Etape 1 : Dismutation du peroxyde d’hydrogène (H202) par les ions fer en milieu basique

2 H2O2(aq) = 2H2O(l) + O2(g)

La dismutation du H202 est une réaction d’oxydoréduction. Cette réaction est thermodynamiquement possible puisque le H2O2 est à la fois oxydant et réducteur.
H2O2 fait partie de 2 couples redox.

H2O2/H2O dont le potentiel standard est de 1,776 V

O2/H2O2 dont le potentiel standard est de 0,695 V

Cette réaction devrait se faire. Pourtant elle ne se fait pas, c’est parce qu’elle est bloquée cinétiquement (extrêmement lente). Cela n’est pas prévisible. Le fer ajouté joue donc ici le rôle de catalyseur. Il va accélérer la réaction. Et celui-ci sera retrouvé en fin de réaction. Avec ce schéma, nous pouvons comprendre la réaction à l’aide de la règle du gamma. Nous voyons bien que le catalyseur est retrouvé en fin de réaction. Et nous voyons également pourquoi la réaction produit du dioxygène.

Étape 2 : Oxydation du luminol par le dioxygène formé

Il est possible de remplacer le luminol par la Fluorescéine qui permettra d’obtenir une émission de lumière jaune (l=580 nm) ou par la Rhodamine B afin d’obtenir une lumière rouge (l=700nm)

2. Application en criminologie

1. Détection du sang

Cette méthode comme il a été dit dans l’introduction est utilisée par la police scientifique afin de détecter les traces de sang sur les scènes de crime. Pour cela, ils vaporisent une solution commercialisée sous le nom BLUESTAR® (solution de luminol, d’hydroxyde de sodium et de peroxyde d’hydrogène dilué) qui réagit avec le sang présent.

Manipulation

Matériel :

• un bécher
• 10 mL de solution de luminol préparé en milieu basique (0,1 mol/L)
• 5 mL de solution de peroxyde d’hydrogène (0,1 mol/L)
• Quelques gouttes de sang.

Précautions :

Il est absolument impératif de porter des lunettes de protection, des gants ainsi qu’une blouse afin d’être protégé en cas de projection sur la peau ou les habits.

Protocole :

• Introduire les 5 mL de solution de peroxyde d’hydrogène 0,1 mol/L dans un bécher.
• Ajouter les 10 mL de solution de luminol préparé en milieu basique 0,1 mol/L.
• Ajouter ensuite les quelques gouttes de sang.
• Mélanger, éteindre la lumière, et observer l’émission de lumière bleue.
• La réaction était donc la même que précédemment, mais nous avons simplement remplacé le
• ferricyanure de potassium par quelques gouttes de sang animal.

Observations

Luminescence + dégagement gazeux

La réaction fonctionnait très bien. La lumière émise était simplement moins intense.

Nous avons donc voulu savoir pourquoi cette réaction fonctionnait, puisque comme nous l’avons vu précédemment, la présence d’un catalyseur était nécessaire afin que la réaction se produise étant déterminée par la synthèse du dioxygène.

Nous nous sommes donc intéressé à la composition du sang, afin de mieux comprendre ce qui pouvait se passer.

Le fer dans le sang

Composition du sang :

• Globules blancs ® défense immunitaire
• Plaquettes ® coagulation du sang
  

  

• Plasma ® transport des cellules sanguines et des nutriments
• Globules rouges ® transport de l’oxygène et du dioxyde de carbone

• Globules rouges

• Contient l’hémoglobine
  L’Hémoglobine est une protéine constituée de quatre chaînes d’acides aminés, deux α et deux β, (qui diffèrent par leurs structures mais ceci n’a pas d’importance pour notre expérience) chacune associée à un groupement appelé l’hème
  L’Hème est molécule constituée d’un ion fer(II) complexé par un groupement porphyrine

C’est cet ion fer(II) qui va jouer le rôle de catalyseur dans la réaction avec le

Luminol comme nous l’avons vu précédemment

Un peu de culture générale
Lorsque beaucoup de O2 est présent autour de la porphyrine, celle-ci change de conformation (sa forme est modifiée), l’ion fer(II) se retrouve à la surface de cette molécule est va donc se lier au dioxygène (O=O), qui sera ensuite transporté pour oxygéner les muscles et d’autres organes. Lorsque l’ion fer(II) se lie au dioxygène, il est oxydée en ion fer(III). Si c’est du dioxyde de carbone (O=C=O) qui est présent en grande quantité, la porphyrine ne changera pas de conformation, car elle sait différencier les 2 géométries. L’ion fer(II) ne pourra donc pas se lier avec le dioxyde de carbone. Cependant, le monoxyde de carbone (C=O) a une géométrie voisine de O2, et la porphyrine n’est pas capable de les différencier. Elle va donc changer de conformation, l’ion fer(II) va se lier au monoxyde de carbone, mais ceci est irréversible (contrairement à la liaison avec le dioxygène). Le O2 ne pourront donc plus remplacer le CO sur cet ion. C’est pour cela que les intoxications au monoxyde de carbone sont extrêmement dangereuses, et tuent très rapidement. Le seul moyen pour que les molécules de CO soient expulser est de mettre la personne dans un caisson hyperbare, où la forte pression d’oxygène va permettre le départ de ces CO.
Certains animaux ont une couleur de sang différente de la notre. On peut citer certains crustacés notamment la limule (crabe). Le sang porte alors le nom de hémolymphe. Et l’hémoglobine est remplacée par l’hémocyanine. La différence avec notre sang c’est que l’ion fer(II) est remplacé par un ion Cu(II) donnant alors une couleur bleue-vert. La couleur verte de la chlorophylle est due à la présence de Mg(II).
La couleur que notre œil perçoit est celle qui n’est pas absorbée par la substance. La substance absorbe toutes les autres couleurs de la lumière sauf celle-ci. Les différentes teintes que nous percevons est donc due à la « superposition » des différentes couleurs que la substance n’absorbe pas entièrement. On peut également dire que la couleur que nous percevons est celle qui est diamétralement opposée sur le cercle monochromatique à la longueur d’onde (couleur) la plus absorbée par la substance.
Des maladies du sang :
Tous les métaux sont présents en plus ou moins grande quantité dans notre corps. De nombreux éléments du tableau périodique sont également présents. Un seul dérèglement de l’un d’entre eux peut avoir des conséquences importantes sur notre organisme car beaucoup sont liés les uns aux autres, chacun ayant une fonction bien précise.
Hémochromatose : trop de fer dans le sang due à une hyper-absorption du fer alimentaire par le duodénum (une partie du tube digestif). Si le fer est présent en trop grande quantité, le seul moyen de l’éliminer est de faire des saignées.
Anémie : diminution de la concentration d’hémoglobine dans le sang, pour diverses raisons (maladie génétique : thalassémie, drépanocytose ; destruction trop rapide des globules rouges, manque de production de globules rouges). Il faut alors faire des transfusion sanguine dans les cas les plus graves.
On peut également nommer le saturnisme qui est un excès de plomb dans le sang.
Pour conclure, voici d’autres applications de la chimiluminescence : Celui des loisirs avec les bâtons lumineux dans la plongée sous marine ou pour la sécurité (signalisation de sécurité), dans l’agro-alimentaire (contrôles de stérilité) ou encore en médecine (tests biochimiques)

Auteurs:

• FETRE Amandine
• DA FONTE Kevin
• COSTE Amaury