Applications de la chimiluminescence et de la bioluminescence

Criminologie
Le sang contient de l’hémoglobine, qui est une protéine dont la principale fonction est le transport du dioxygène dans l'organisme humain et chez les autres vertébrés. L'hémoglobine se trouve essentiellement à l'intérieur des globules rouges ce qui leur confère leur couleur rouge. L'hémoglobine est constituée de quatre globines et de quatre molécules d'hème. Le nom d'hémoglobine provient de deux mots : hème et globine. On la symbolise par « Hb ». Une molécule d'hème est constituée d'un ion fer complexé par une porphyrine.
La technique utilisée est la suivante : l’enquêteur prépare une solution de luminol et d’eau oxygéne en milieu basique, il la pulvérise sur la scène de crime et éteint la lumière si possible. L’ion fer présent dans le sang va permettre la réaction du luminol en catalysant la décomposition du peroxyde d’hydrogène. En effet, même si les traces de sang ont été nettoyées, il reste encore assez de fer pour catalyser la réaction : il ne faut en effet que très peu de catalyseur.

Dosage de l’ATP
L’ATP (adénosine triphosphate) est une molécule présente dans toutes les cellules vivantes. En effet, son rôle est le transfert d’énergie au sein de la cellule, il s’agit de « la monnaie d’énergie ».
Le principe du dosage de l’ATP est le même que celui de la bioluminescence. On ajoute la luciférine et la luciférase dans l’échantillon à analyser. La réaction de bioluminescence ne se fera qu’en présence d’ATP qui fournit l’énergie nécessaire. Ainsi, la luminescence de l’échantillon révèle la présence d’ATP.
La détection d’ATP permet donc de révéler la présence de cellules vivantes, beaucoup plus rapidement que par les méthodes microbiologiques classiques (cultures de microorganismes qui nécessite un délai de plusieurs jours alors que le résultat est fourni presque immédiatement par ATP-métrie). Grâce à l’ATP-métrie on peut aussi estimer l’activité cellulaire. Les applications sont nombreuses :

• L’estimation de la biomasse du plancton
  
• L’évaluation de la biomasse dans les boues de station de traitement des eaux
  
• Le contrôle de la stérilité des aliments (jus de fruits, eaux minérales, etc)
  
• Le suivi de fermentations (laiterie, vinification, brasserie)
  
• Le contrôle de la stérilité des vaccins, des préparations injectables, des produits cosmétiques, etc.
  
• La détection de moisissures sur des œuvres d’art
  
• L’évaluation de la sensibilité microbienne aux médicaments
  
• La mise en évidence des infections urinaires (augmentation de la concentration en ATP à cause de la croissance du nombre de bactéries)
  
• Le diagnostic médical : détection de l’anémie hémolytique (une anémie hémolytique est due à la destruction excessive des globules rouges) par baisse du taux d’ATP
  
• L’évaluation du pouvoir fertilisant des spermatozoïdes, lié au taux d’ATP

Dosage du monoxyde d’azote
Les oxydes d’azote se forment lorsque de l’azote et de l’oxygène réagissent ensemble à haute température. Ainsi, la combustion de carburants fossiles (charbon, pétrole, gaz naturel) est principalement responsable de leur présence dans l’atmosphère. Les oxydes d’azote proviennent majoritairement des gaz d’échappement des véhicules (à 60%). Les oxydes d’azote les plus importants sont le monoxyde d’azote NO et le dioxyde d’azote NO2.
La détection des oxydes d’azote est importante car il s’agit de polluants atmosphériques qui peuvent avoir des effets néfastes sur la santé humaine. En effet, le NO peut passer dans le sang où il réduit le transport de l’oxygène en se liant à l’hémoglobine. Le NO2 affecte les voies respiratoires. Les troubles apparaissent à partir de 200 µg par m². Les asthmatiques et les enfants y sont particulièrement sensibles.
Le monoxyde d’azote peut être dosé en utilisant la chimiluminescence due à la réaction suivante. L’ozone, généré électriquement, oxyde le monoxyde d’azote en dioxyde d’azote excité. Ce dernier se désexcite en émettant un rayonnement dans l’infrarouge.
On peut également doser le dioxyde d’azote. Il suffit de prélever deux échantillons. Tout d’abord, on mesure la quantité de monoxyde d’azote présente dans le premier échantillon. Puis, grâce à un four métallique, on réduit tout le dioxyde d’azote présent dans le deuxième échantillon en monoxyde d’azote. On dose la quantité totale de NO présente dans le deuxième échantillon. Pour avoir la quantité de dioxyde d’azote contenue dans l’échantillon au départ, on effectue : quantité de NO deuxième échantillon – quantité de NO premier échantillon. Cette méthode est fiable car seul NO donne une réaction de chimiluminescence avec l’ozone. En outre, elle est très sensible : la limite de détection est inférieure à 100 parties par milliard. Cette méthode est actuellement la plus utilisée pour contrôler la concentration de ce constituant atmosphérique du niveau du sol jusqu’à des altitudes de plus de 20km.

Autres applications

• Les petits bâtons lumineux sont utilisés pour amuser les enfants, dans des fêtes, à des concerts,… Les plus grands sont utiles en plongée sous-marine, en spéléologie, pour repérer les naufragés, pour attirer les poissons… Ils sont aussi utilisés par les pompiers en atmosphère de gaz inflammables.
  
• La couleur bleue de la flamme du brûleur (méthane ou butane) d’une gazinière est due à un phénomène de chimiluminescence. Les espèces excitées contribuant à l’émission de lumière sont CO2 (principalement), CH, C2,…
  
• De nombreuses applications analytiques sont basées sur la chimiluminescence :
  • Le contrôle de la concentration de polluants atmosphériques : réaction de l’ozone avec la rhodamine-B ou avec l’éthylène, réaction des composés soufrés avec le dihydrogène gazeux, …
    
  • Le dosage d’une enzyme qui catalyse la formation de peroxyde d’hydrogène, grâce à la chimiluminescence du luminol.
    

Applications de la fluorescence et de la phosphorescence

Quelques exemples de composés fluorescents

• ions inorganiques : uranyle (UO2+), lanthanides (Eu2+, Eu3+, Tb3+,…).
  
• composés organiques.
  
• Certains composés organiques non fluorescents peuvent le devenir en formant un complexe avec un ion métallique.
  

Indicateurs fluorescents : exemple la pyranine (alias HPTS càd 8-hydroxy-1,3,6-pyrenetrisulfonic acid trisodium salt)
La fluorescence de cette molécule dépend du pH (quantité d’ions H+ en solution), on peut donc s’en servir comme indicateur. Vu qu’elle est très soluble dans l’eau, elle peut être utilisée comme traceur en géohydrologie. Ainsi, on peut suivre l’écoulement du cours d’eau, et ainsi prévoir où irait une éventuelle pollution.

Fluorescence en criminologie
Des poudres fluorescentes sont utilisées pour détecter des empreintes digitales. Elles collent aux résidus huileux laissés par les doigts, de sorte que même les empreintes les plus ténues sont détectables, avec une excellente résolution. Pour détecter des empreintes digitales sur du papier, on n’utilise pas de poudres, on préfère tremper le papier dans du colorant fluorescent. Ensuite, dans les deux cas, on révèle l’empreinte sous la lampe UV. NB : pour ne pas être gêné par la fluorescence de l’azurant optique contenu dans le papier, on interpose un filtre orange entre le papier et l’objectif photographique.

Fluorescence dans la vie quotidienne

• Boissons contenant de la quinine (par exemple : le Schweppes ou le Canada Dry)
  
• Marqueurs fluorescents.
  
• Détergents jaunes-verts très lumineux (par exemple, l’Ajax).
  
• Billets de banque : le marquage par fluorescence rend la contrefaçon plus difficile.
  
  
  
  
  
• Azurants optiques : il s’agit de substances absorbant dans le proche UV (domaine de longueurs d’onde présent dans la lumière solaire, et en moindre mesure dans la lumière artificielle) et émettant dans le bleu. Ces substances sont souvent ajoutées à des textiles, des papiers, etc. afin de créer l’illusion optique du blanc. En effet, la teinte naturelle jaunâtre du papier/textile et la fluorescence bleue se combinent pour donner une impression de blanc lumineux, ce qui explique pourquoi certaines lessives lavent « plus blanc que blanc
  
  



• Gilets fluorescents : ils sont destinés à rendre les personnes qui les portent bien visibles, par exemple les usagers vulnérables (piétons, cyclistes). En Belgique, le conducteur et les passagers sont obligés de porter un gilet fluorescent en cas d’immobilisation du véhicule hors agglomération.
  

Phosphorescence dans la vie quotidienne

• Les aiguilles et les chiffres d’un réveil peuvent être recouverts d’une substance phosphorescente afin de pouvoir lire l’heure la nuit.
  
• Les étoiles et moutons pour décorer les chambres d’enfants.
  
• Le marquage et la signalisation à l’aide de composés phosphorescents : ainsi, le chemin vers les sorties de secours reste indiqué même en cas de coupure de courant. Les composés utilisés sont minéraux, et ceux qui possèdent la plus longue durée de vie (10h) contiennent des lanthanides (europium, dysprosium).