Expériences de bioluminescence, fluorescence et chimiluminescence pour un TPE

La luminescence est un phénomène d’émission de lumière, ici visible donc colorée, par réarrangement électronique dans une molécule, par suite d’excitation de celle-ci par les UV. Quand ce phénomène n’a lieu que durant l’exposition à une source énergétique et cesse avec l’arrêt de l’exposition, le phénomène est appelé fluorescence (étudié ici). Si le phénomène perdure après l’arrêt à l’exposition aux UV il s’agit de phosphorescence (ce 2ème phénomène n’est pas étudié dans ces 3 expériences).

Objets des trois expériences

• Expérience 1 - Émission de lumière colorée par une molécule fluorescente soumise aux UV.
• Expérience 2 - Chimiluminescence : émission de lumière provoquée par une réaction chimique réalisée avec le luminol.
• Expérience 3 - Expérience combinée de chimiluminescence et de fluorescence réalisée avec du luminol et de la fluorescéine.

Notions générales à rappeler avant les manipulations

Rappeler que la lumière blanche est composée de lumières colorées et présenter un spectre obtenu par décomposition de la lumière blanche. Rappeler que la lumière blanche est la superposition intégrale de toutes ces lumières (synthèse additive). Observer que lorsqu’on va du rouge vers le bleu on va vers des rayonnements de plus en plus énergétiques. Les UV sont des rayonnements de forte énergie (juste à gauche du violet sur le graphe) mais invisibles à nos yeux (ils nous paraissent incolores).

Faire comprendre la notion de niveau d’énergie et d’excitation des molécules puis de retour à un état plus stable. Accompagner éventuellement le discours d’une représentation graphique des niveaux d'énergie. Faire comprendre que s’il y a émission de lumière colorée par une molécule cela diffère de la couleur des objets qui nous entourent, qui elle résulte de l’absorption d’une partie de la lumière blanche provenant du soleil (absorption sélective ou synthèse soustractive). Faire observer que le phénomène de fluorescence n'est observable que durant l'exposition à une source d’énergie (UV ou libération d’énergie provoquée par une réaction chimique) et que cela cesse dès qu'on arrête l'excitation.

Expérience 1 - Fluorescéine exposée aux UV : émission de lumière colorée

Matériel et produits

• 2 récipients au choix (éprouvette, bécher de 150 ou 200 mL, fiole jaugée ….)
• 1 lampe UV 365 nm
• Fluorescéine : en faire une solution bien jaune
• Schweppes® tonic (seul le tonic contient de la quinine)
• Papier blanc
• Surligneurs « fluos » de diverses couleurs

Mode opératoire et observations

1. Introduire dans le récipient choisi la solution de fluorescéine. Observer la couleur jaune à la lumière du jour (cette couleur jaune résulte de l’absorption sélective du bleu par la fluorescéine).
2. Éclairer par la lampe UV et observer la lumière verte « flashie » (ou vert brillant) qui apparait sous UV et disparait sans UV. Insister ici sur le fait qu'il y a émission de lumière par la molécule (c’est ce qui donne l’aspect brillant).
3. Puis arrêter les UV et retrouver la couleur jaune mat (sans émission de lumière).
4. Faire de même avec du Schweppes® tonic. On observe une lumière bleue.
5. Faire de même avec papier blanc. On observe une lumière bleue.
6. Faire de même avec des encres de surligneurs préalablement étalées sur un papier.

Explications

La fluorescéine est une molécule qui présente en son sein des électrons qui peuvent acquérir de l’énergie, cad monter à un niveau supérieur instable. Les électrons sont dits dans un état excité et tendent à revenir à un état stable. Lors de ce retour à l’état stable, ils émettent de l’énergie sous forme lumineuse. Ici il s’agit de la lumière verte. Ce phénomène s’arrête si on éteint la lampe UV. Ce phénomène est appelé fluorescence. Et la fluorescéine est dite une molécule fluorescente.

Avec du Schweppes® on observe une lumière brillante bleue sous UV. Elle est due à la molécule fluorescente de quinine présente dans le Schweppes®. Avec du papier blanc pourquoi observe-t-on que le papier blanc émet du bleu quand on l’éclaire par la lampe UV ? Dans la composition du papier il a été ajouté des produits fluorescents dits azurants (comme l’azur : bleu). Pour faire un lien avec la vie de tous les jours, on trouve aussi ces additifs dans les lessives pour améliorer la sensation de blanc des tissus (« plus blanc que blanc »). Cette impression est due au fait que la lumière du soleil contient aussi des UV qui excitent les électrons des azurants.

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C’est le même effet que l’on observe avec les chemises blanches dans les boîtes de nuits où l’on danse en lumière dite noire (qui sont en réalité des UV proches du visible). Le phénomène est le même avec les traces de surligneurs qui ont été étalées sur du papier. Leur encre visible et résistante à la lumière sans pour autant masquer le texte lui-même, contient des agents fluorescents.

On peut citer d’autres composés fluorescents connus : Nombreux minéraux : fluorites (à l’origine du nom de la propriété), quartz, topaze… Monde végétal et vivant : chlorophylle, certains champignons, scorpions… Produit pharmaceutique : éosine Tubes d’éclairage fluorescents. Utilisation de cette propriété dans l'art, aussi bien dans des peintures utilisant des pigments fluorescents que pour analyser les constituants des couches supérieures de peintures. Utilisation pour certains diagnostics médicaux.

Expérience 2 - Chimiluminescence avec le luminol

Matériel et produits

• 1 balance au 1/100e avec capsules plastiques pour pesées + spatules
• 2 grandes éprouvettes de 500 mL, 1 très grande éprouvette de 1000 mL, 2 éprouvettes de 5 mL ou pipettes graduées de 5 mL, 1 pipette graduée de 3 mL ou 5 mL, 1 propipette, 1 cristallisoir
• luminol 0,1 g (5-amino-1,2,3,4-tétrahydrophtalazine-1,4-dione)
• solution d’hydroxyde de sodium NaOH (soude) à 10% 5 mL
• eau distillée (1 L)
• ferricyanure de potassium solide 1,5 g
• eau oxygénée (peroxyde d’hydrogène) à 30% (3 mL)

Mode opératoire

Préparer sous hotte devant le public ou avoir préparé à l’avance (sauf l’ajout de l’eau oxygénée qui doit se faire au dernier moment).

1. Éprouvette A : dissoudre 0,1 g de luminol dans 400 mL d’eau et ajouter 5 mL de soude à 10%.
2. Éprouvette B : dissoudre 1,5 g de ferricyanure de potassium dans 400 mL d’eau. Ajouter à la dernière minute 3 mL d’eau oxygénée à 30%.
3. Rendre sombre la pièce, verser simultanément le contenu des 2 éprouvettes A et B dans un grand entonnoir déposé sur la grande éprouvette à pied : il se produit une magnifique lumière bleue !
4. On peut aussi dans l’éprouvette B ne mettre que l’eau et l’eau oxygénée et introduire quelques cristaux de ferricyanure de potassium solide dans la grande éprouvette où aura lieu l’expérience ; verser simultanément le contenu des 2 éprouvettes A et B : il se produit une magnifique lumière bleue !

Notions à développer et explications

Présentation préalable des produits présents dans les éprouvettes : Éprouvette B : L’eau oxygénée : que tout le monde connait et a dans sa pharmacie ; mais ici elle est beaucoup plus concentrée. C’est un produit très réactif et oxydant, surtout si elle est concentrée. Le ferricyanure est un composé contenant du fer à l’état oxydé [Fe (III)] C’est ici un catalyseur c’est à dire un produit qui va accélérer la réaction que l’on veut observer.

Éprouvette A : La soude : elle créé un milieu basique propice à la réaction. Le luminol est une molécule complexe fragile en présence d’oxydant telle que l’eau oxygénée. Si le public est un peu plus averti on peut ajouter que la fragilité concerne une partie seulement de la molécule, là où il y a 2 atomes d’azote liés entre eux.

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Quand les 4 produits sont mis en contact, le luminol et l’eau oxygénée en milieu basique, en présence de ferricyanure de potassium (comme catalyseur) réagissent vivement (ce qui libère une forte énergie) et il se forme du diazote, de l’eau et un di-anion aminophtalate dérivé du luminol, dans un état excité. Cet état résulte de l’énergie libérée par la réaction. Puis ce di-anion se désactive et émet une lumière bleue. La réaction chimique a ainsi créé de l’énergie que l’on observe sous forme lumineuse.

On peut proposer un résumé du type : Source : Le laboratoire des couleurs - Anne Guillerand - BUP vol. 104 ( Déc. 2010)

Exemples et applications

Cette expérience est réalisée par la police scientifique pour rechercher des traces de sang. En effet l’hémoglobine du sang contient du fer à l’état oxydé Fe(II) qui en présence de l’eau oxygénée passe à l’état de Fer(III) qui joue alors le rôle de catalyseur (à la place du ferricyanure que nous avons utilisé). Ce procédé a été repris dans un certain nombre de séries TV policières !

Dans le monde animal, tout le monde a eu l’occasion de voir, lors de promenades nocturnes, des vers luisants ou des lucioles émettre des petites lumières jaunes à verdâtre. Cette lumière résulte d’une réaction chimique, propre à l’animal, dans le corps de la luciole. On parle aussi de bioluminescence. Ces émissions de lumière permettent aux couples de se trouver pour assurer la reproduction. Certains planctons et phytoplanctons sont aussi bioluminescents. Ce processus pouvant à la fois servir selon l’espèce pour le camouflage, l’attraction sexuelle, mais aussi la répulsion ou la communication.

Expérience 3 - Combinaison chimiluminescence + fluorescence (luminol + fluorescéine)

Principe et mode opératoire

Même matériel et mêmes produits qu’en expérience 2 + solution de fluorescéine ou fluorescéine en poudre. Même mode opératoire qu’en 2, mais ajouter dans la solution A initiale de la fluorescéine en poudre ou en solution, de manière à obtenir une solution bien jaune. On peut sans doute utiliser pour cette dernière expérience les produits en quantités divisées par 2. Observer alors une lumière verte.

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Explications

La même réaction chimique du luminol et de l’eau oxygénée conduit au di-anion qui en se désactivant excite la molécule de fluorescéine. Celle-ci en se désactivant à son tour donne la couleur verte qu’elle émettait sous UV (rappel de la 1ère expérience). Cela peut avoir lieu avec tout autre molécule fluorescente ajoutée. On obtiendra l’émission de la couleur caractéristique de la molécule ajoutée.

Application pratique

Les bâtons lumineux festifs que l’on peut acheter lors de concerts ou fêtes et que l’on doit casser délicatement fonctionnent sur un principe comparable. Lors de la fracture du petit tube de verre intérieur, qui séparait les produits, les réactifs sont mis en contact et il se produit une réaction comparable à celle que nous venons d’observer, avec l’eau oxygénée, le luminol et la fluorescéine. Il y a différentes couleurs selon les réactifs fluorescents introduits dans chacun des bâtons.

Bioluminescence : lien avec les phénomènes naturels et modèles moléculaires

La bioluminescence est la production de lumière par des organismes vivants. Ce terme a pour origine le mot grec bios signifiant vie et le mot latin lumen, lumière. Ce phénomène peut être observé chez certaines espèces, la luciole étant la plus connue. Cette lumière du vivant est néanmoins majoritairement présente en milieu marin où en profondeur elle devient commune puisque 95% des individus récoltés à -4000 m sont lumineux.

Dans les réactions de bioluminescence observées dans divers organismes vivants, le composé chimique à l'origine de la luminescence est presque toujours la luciférine. Celle-ci émet de la lumière en subissant une oxydation par le dioxygène grâce à l'intervention d’une enzyme, la luciférase qui joue le rôle de catalyseur. Dès le XIXème siècle, Raphaël Dubois, grâce à plusieurs expériences sur les lucioles, a mis en évidence que la bioluminescence est basée sur une réaction enzymatique : Il préleva sur des vers luisants l'organe lumineux et après broyage dans un mortier avec de l'eau observa que le mélange extrait était lumineux à condition que le milieu contienne de l'oxygène. La luminescence ainsi obtenue avait une belle couleur verte.

Le modèle général implique une oxydation enzymatique où l'énergie chimique est convertie en énergie lumineuse : lorsque ces deux protéines se rencontrent, elles s’associent en un complexe qui catalyse la réaction d’oxydation de la luciférine par le dioxygène (O2). En retournant à son état stable, la luciférine émet un photon qui produit une lumière dans les spectres du bleu et du vert généralement. La première réaction se fait entre l’ATP et la luciférine, accélérée par la luciférase. L’ATP subit une hydrolyse : des molécules d’eau brisent les liaisons entre les phosphates, ce qui libère de l’énergie.

Le photon émis possède une énergie correspondant à une longueur d’onde d’environ 560 nm, ce qui correspond au jaune/vert (pour les lucioles). Chez les lampyres, les rendements sont excellents, avoisinant les 90%, ainsi la lumière est dite froide (elle ne produit pas de chaleur significative).

Fonctions écologiques de la bioluminescence

• Éclairage : certains organismes l’utilisent pour voir ou illuminer leur environnement.
• Accouplement : la bioluminescence permet aux couples de se trouver (exemple des lucioles).
• Défense : la projection de liquide luminescent ou l’émission soudaine peut perturber un prédateur et permettre la fuite.
• Prédation : certains prédateurs utilisent la lumière pour attirer les proies (exemple du Linophryne lucifer).

Le contrôle de cette émission lumineuse peut être plus ou moins direct. Le système nerveux peut intervenir pour réguler la production des réactifs chimiques dans certaines espèces. Dans d’autres cas, la bioluminescence repose sur un modèle unique de réaction enzymatique associée à une oxydation où l'énergie chimique est convertie en énergie lumineuse.

Applications modernes et médiation scientifique

La bioluminescence commence à être utilisée dans de nombreux domaines scientifiques. Au cours de leurs travaux, des chercheurs ont prélevé des enzymes brillantes et séquencé les gènes responsables de la production de ces enzymes pour tenter de transférer ces propriétés luminescentes à d'autres organismes. Par exemple, Glowee, une startup française, produit de la lumière grâce à des bactéries inoffensives et non toxiques. Cette lumière s’obtient grâce à l’activation de molécules particulières et certaines conditions environnementales qui sont présentées dans des dispositifs de médiation et d’exposition immersive.

Une exposition immersive combine science et art pour faire découvrir la bioluminescence : s’émerveiller, comprendre et manipuler permettent d’imaginer d’autres applications possibles pour cette lumière écologique. Il est important aujourd’hui de s’intéresser à ce type d’innovation et de prendre conscience qu’il existe des solutions alternatives aux énergies actuelles. Cependant, la lumière produite par les organismes bioluminescents est souvent trop faible pour éclairer nos rues ou nos maisons ; l’agitation de l’eau et donc des algues entraîne la production de lumière observable en mer.

Tableau récapitulatif des expériences

Ces expériences permettent d’aborder des notions de physique (spectre, énergie des photons), de chimie (réactions d’oxydation, catalyse, milieu basique) et de biologie (bioluminescence, rôle écologique), tout en proposant des démonstrations visuelles fortes adaptées à un TPE ou à une médiation scientifique.

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