Metilen mavisinin işıq udması konsentrasiyadan asılı olaraq niyə dəyişir

Bir şüşə metilen mavisi ehtiyat məhlulu götürün və iki stəkana tökün. Birincini ehtiyat məhlulla, ikincini isə on dəfə durulaşdırılmış məhlulla doldurun. Gözlənildiyi kimi, ikinci stəkandakı məhlul daha solğundur. Diqqətlə baxdıqda başqa bir dəyişiklik də görünür. Rəngin çaları dəyişib. Məhlullardan biri aydın səma mavisinə, digəri isə bənövşəyi çalarlı maviyə meyllidir. Durulaşdırma yalnız intensivliyi azaltmayıb. İşığın böyük hissəsini udan kimyəvi növü də dəyişib.

Bu dəyişikliyin arxasındakı anlayış sadədir. Həll olmuş metilen mavisi tək bir kimyəvi növdən ibarət deyil. Monomer adlanan tək boya kationu ikinci kationla üz-üzə yığılıb dimer əmələ gətirə bilər, dimerlər isə daha böyük aqreqatlara çevrilə bilər. Hər formanın öz udma spektri var. Spektrofotometrin göstərdiyi nəticə həmin şəraitdə həmin küvetdə olan qarışığın bütün komponentlərinin udmasının cəmidir. Qarışığın tərkibini dəyişdikdə spektr də dəyişir, hətta boyanın ümumi miqdarı sadə durulaşdırma nisbətinə uyğun dəyişsə belə.

Monomer və dimer işığı fərqli udur

Monomeri halqa sistemi boyunca müsbət yükün paylandığı yastı bir kart kimi təsəvvür edin. Belə iki kart üz-üzə yerləşə bilər. Müsbət yüklər bir-birini itələyir, lakin yastı aromatik səthlər üst-üstə yığılma qarşılıqlı təsirləri vasitəsilə bir-birini cəzb edir, ətrafdakı su və əks-ionlar isə itələnməni ekranlayır. Nəticədə ortaq elektron hallarına malik bağlı cüt yaranır. Onun icazəli keçidləri monomerin keçidindən daha yüksək enerjiyə uyğun gəlir. Buna görə dimer zolağı monomer zolağından daha qısa dalğa uzunluğunda görünür, daha böyük aqreqatlar isə spektrin mavi tərəfinə doğru çiyin şəklində əlavə töhfə verir.

Təmiz suda çox aşağı konsentrasiyada monomerlər üstünlük təşkil edir və uzun dalğa uzunluqlu zolaq dominant olur. Ümumi konsentrasiya artdıqca cütləşmiş formanın payı artır və daha qısa dalğa uzunluqlu zolaq birinciyə nisbətən güclənir. Buna görə iki zolağın nisbəti birbaşa ümumi konsentrasiyanı deyil, qarışığın tərkibini göstərir. Hansı formanın mövcud olduğuna dair fərziyyə olmadan tək dalğa uzunluğunda ölçmə bu ikisini ayırd edə bilməz.

Buna görə istinad spektrləri həmişə ölçmə şəraiti ilə birlikdə verilməlidir. Metilen mavisi üçün spektral istinad zolaqların mövqelərini onları yaradan həlledici, duz fonu, pH, temperatur və konsentrasiya diapazonu ilə birlikdə cədvəlləşdirir. Pikin mövqeyini bu şərtlərsiz göstərdikdə həmin rəqəm kifayət qədər müəyyənləşdirilmiş olmur. İki laboratoriya eyni boyadan fərqli spektrlər əldə edib hər ikisi düzgün nəticə verə bilər, çünki onlar fərqli qarışıqları ölçüblər.

Tarazlığı nə dəyişir

Konsentrasiya əsas təsir amilidir. Dimerin əmələ gəlməsi üçün iki monomer qarşılaşmalıdır, buna görə onun payı boyanın ümumi miqdarına nəzərən xətti artımdan daha sürətlə artır. Sulu məhlullar üçün bildirilən dimerləşmə sabitləri otaq temperaturuna yaxın şəraitdə minlərlə tərs molyar səviyyəsindədir. Buna görə dimerin payı mikromolyar diapazonda sürətlə artır. Boyanın mikromolyar diapazondan millimolyar diapazona qədər konsentrasiyalarını əhatə edən geniş ümumi uyğunlaşdırma artıq 34 mikromolyardan aşağıda sıfırdan fərqli tetramer töhfəsi aşkar edib. Bu, onlarla mikromolyar səviyyəsində yalnız iki növü nəzərə alan uyğunlaşdırmaya etibar etməmək barədə xəbərdarlıqdır. Dəqiq paylar mühitdən asılıdır, buna görə bu məqalə universal çevirmə cədvəli deyil, dəyişikliklərin istiqamətini verir.

Duz ikinci təsir amilidir. Həll olmuş ionlar iki kation arasındakı itələnməni ekranlayır. Buna görə əlavə edilmiş natrium xlorid və oxşar elektrolitlər eyni boya konsentrasiyasında qarışığı dimerlərə və aqreqatlara doğru yönəldir. Bu təsir metilen mavisinin duzlu və sulu mühitlərdə aqreqasiyasına dair tədqiqatlarda görünür: orada təxminən 1 mikromolyardan 3.4 millimolyara qədər boya konsentrasiyası 0 ilə 0.15 molyar arasında natrium xlorid konsentrasiyalarında ölçülüb. Həmin uyğunlaşdırmada həm boya, həm də duz konsentrasiyasının yüksək olduğu sahədə tetramerin payı təxminən 0.93-ə çatıb. Buna görə suda və fizioloji duz məhlulunda qeydə alınmış spektrlər bir-birini əvəz edən standartlar deyil.

Temperatur əks istiqamətdə təsir göstərir. Üst-üstə yığılma bağlı suyu sərbəst buraxır və istilik hərəkəti bu yığılmaya qarşı təsir edir. Buna görə məhlulun isidilməsi adətən bəzi dimerləri yenidən monomerlərə ayırır, soyutma isə assosiasiyanı dəstəkləyir. Uyğunlaşdırılmış dissosiasiya entalpiyası mənfidir: 282 ilə 333 kelvin arasında hər mol üçün təxminən mənfi 30 kilocoul. Bu, assosiasiyanın ekzotermik olduğunu təsdiqləyir. Soyuducudan çıxarıldıqdan dərhal sonra ölçülən soyuq nümunə, otaq temperaturunda tarazlığa çatdıqdan sonra ölçülən eyni nümunədən daha çox aqreqasiya olunmuş görünə bilər.

Həlledici ilkin vəziyyəti müəyyənləşdirir. Güclü hidrofob təsirə malik su yastı boya kationlarının üst-üstə yığılmasını təşviq edir. Etanol və metanol kimi spirtlər halqaları daha yaxşı solvatlaşdırır və aqreqatları parçalayır. Buna görə eyni boya konsentrasiyası etanolda sudakından daha çox monomer xarakterli görünür. Aprotik birgə həlledicilər də eyni təsiri göstərir: 293 kelvində su və DMSO qarışıqlarına əlavə edilmiş DMSO dimerləşməni zəiflədib. Bu, suyun strukturunun üst-üstə yığılmanı təşviq edən amil olduğunu göstərir. Səthi-aktiv maddələrə münasibətdə hər iki istiqamətdə diqqətli olmaq lazımdır. Kritik misel konsentrasiyasından yuxarıda misellər monomerləri ayrı-ayrılıqda solubilizasiya edə və monomerə bənzər spektri bərpa edə bilər. Bu həddən aşağıda isə əks yüklü səthi-aktiv maddə, əksinə, üst-üstə yığılmanı təşviq edə bilər: 100 mikromolyar boya konsentrasiyasında SDS-in yaratdığı polimerləşmə təxminən 4 millimolyar SDS səviyyəsində, yəni misel əmələgəlmə həddinin təxminən yarısında maksimuma çatıb, daha yüksək səthi-aktiv maddə konsentrasiyalarında isə yenidən paylanma baş verib. Boya-həlledici qarşılıqlı təsirlərinin və təşkilatlanmış mühitlərin metilen mavisinin spektrlərinə təsirinə dair iş müşahidə olunan zolaqları təkcə ümumi konsentrasiyanın deyil, bilavasitə molekulyar ətrafın nə qədər güclü müəyyənləşdirdiyini göstərir.

pH əsasən kənar qiymətlərdə əhəmiyyət daşıyır. Əksər laboratoriya işlərində istifadə olunan neytrala yaxın diapazonda metilen mavisi öz tanış kationik mavi formasında qalır və spektral dəyişikliklərdə aqreqasiya üstünlük təşkil edir. Güclü turşu və ya qələvi, rəngsiz leyko formasını yaradan oksidləşmə-reduksiya reaksiyaları, yaxud zülallara və hissəciklərə bağlanma monomer-dimer cütündən əlavə hallar yaradır. Bufer əlavə edildikdən sonra spektr dəyişirsə, hər şeyi yalnız pH ilə əlaqələndirməzdən əvvəl buferin tərkibindəki duzları və bağlanmada iştirak edən komponentləri yoxlayın. Kimya və protonlaşma üzrə istinad bu kimyəvi forma məsələlərini burada nəzərdən keçirilən aqreqasiya məsələsindən ayrı saxlayır.

Beer-Lambert düz xətti niyə əyilir

Beer-Lambert münasibətinə görə absorbans udma əmsalının, konsentrasiyanın və optik yol uzunluğunun hasilinə bərabərdir. Bu, sayma qanunudur. O, sayılan obyektlərin sayı dəyişdikcə onların eyni qalmasını fərz edir: yalnız bir işıq udan növ, sabit spektr, konsentrasiya ilə dəyişən kimyəvi proseslərin olmaması, monoxromatik ölçmə işığı, səpilmənin və ya təkrar şüalanmanın olmaması, həmçinin işığın həqiqətən göstərilən yolu keçməsi.

Aqreqasiya birinci fərziyyəni pozur. Formal olaraq ümumi absorbans yenə də növlər üzrə cəm olaraq qalır: optik yol uzunluğu hər növün udma əmsalına və həmin növün konsentrasiyasına vurulur, sonra nəticələr toplanır. Hər növ qanuna tabe olur. Qarışıq isə tabe olmur, çünki növlərin konsentrasiyaları boyanın ümumi konsentrasiyasının qeyri-xətti funksiyalarıdır. Buna görə monomer zolağındakı absorbansın boyanın ümumi konsentrasiyasından asılılığını göstərən kalibrləmə əyrisi çox duru məhlullarda düz xətt kimi başlayır və konsentrasiya artdıqca aşağıya doğru əyilir, çünki hər əlavə artım nisbətən daha az monomer gətirir. Dimer zolağında ölçülən əyri əks istiqamətdə əyilir. Aqreqasiya tədqiqatları müşahidə olunan Lambert-Beer kənaraçıxmalarının mənbəyi kimi məhz bu mexanizmi göstərir. Əyilmiş sahədən düz xətt keçirib onu ekstrapolyasiya etmək tipik səhvdir. Xətt yalnız qurulduğu diapazon və matris daxilində etibarlıdır.

Durulaşdırma bununla əlaqəli başqa bir tələ yaradır. Qatı ehtiyat məhlulun cihazın ölçmə diapazonuna uyğunlaşdırılması üçün durulaşdırılması növlərin nisbətini saxlamır. Durulaşdırılmış küvetdə tarazlıq yenidən monomerə doğru dəyişir. Buna görə onun spektri durulaşdırılmış nümunəni düzgün təsvir edir, lakin ehtiyat məhlulu düzgün təsvir etmir. Absorbans qiymətlərini yuxarı miqyaslamaqla ehtiyat məhlulun spektrini geriyə hesablamaq ümumi miqdarın qiymətləndirilməsini yalnız kalibrləmə artıq bu dəyişikliyi nəzərə aldıqda bərpa edir. Bu, ilkin zolaq formasını heç vaxt bərpa etmir. Konsentratın spektrini duru istinad məhlulunun spektri ilə müqayisə edən şəxs iki fərqli qarışığı müqayisə edir.

Optik yol uzunluğu nəticənin bir hissəsidir

Absorbans işığın nümunə daxilində qət etdiyi məsafə ilə mütənasibdir. Eyni məhlulu saxlayan 10 mm-lik küvet 1 mm-lik küvetdən on dəfə yüksək absorbans verir. Bu miqyaslama yalnız eyni məhlul üçün dəqiqdir və aqreqasiya bu şərti həlledici edir.

Təcrübədə optik yol uzunluğu etibarlı diapazonda qalmaq üçün bir vasitədir. Uzun yol duru, əsasən monomerlərdən ibarət məhlullar üçün həssaslıq təmin edir. Qısa yol isə tarazlığı yenidən dəyişdirəcək güclü durulaşdırma olmadan qatı nümunəni ölçmə diapazonunda saxlayır. Yuxarıdakı rəqəmlərin əldə edildiyi aqreqasiya tədqiqatında məhz bu yanaşma tətbiq olunub: 1.1 ilə 34 mikromolyar arasında boya üçün 1 santimetrlik ölçmə hüceyrələri, 94 mikromolyardan 3.4 millimolyara qədər boya üçün isə 0.01 santimetrlik hüceyrələr istifadə edilib. Mikrohəcmli ölçmə platformaları və lövhə oxuyucuları öz həndəsəsini əlavə edir: qısa və bəzən dəyişən optik yollar, həmçinin kationik boyanın adsorbsiya oluna biləcəyi səthlər. Spektral istinadda həlledici və duz necə göstərilirsə, ölçmə qiyməti ilə birlikdə optik yol uzunluğunu da göstərin. Optik yol uzunluğu göstərilməyən absorbans nəticə deyil. Sadəcə şayiədir.

Ölçmə intizamı bu mexanizmdən irəli gəlir. Ölçmədən əvvəl nümunələri eyni temperaturda tarazlığa gətirin. Eyni tipli və eyni istiqamətdə yerləşdirilmiş küvetlərdən, eyni duz və bufer fonunu ehtiva edən uyğun blank nümunələrindən və təmiz şüşə qablardan istifadə edin. Çünki metilen mavisi şüşə və plastikə adsorbsiya olunur, boyanmış küvet isə son qatı nümunənin izini saxlayır. Aqreqasiya kinetikası əhəmiyyət daşıdıqda nümunəni hazırlandıqdan dərhal sonra ölçün və hər kalibrləmə əyrisini naməlum nümunələrlə eyni matrisdə, eyni optik yol uzunluğunda qurun. Vizual yoxlamalar zamanı gözün zəif spektrometr olduğunu unutmayın. Məhlulun rənginin saflığı müəyyən edib-etməməsi cavabı mənfi olan ayrıca sualdır və aqreqasiya nəticəsində çaların dəyişməsi bunun səbəblərindən biridir.

Cihazın yanında saxlamaq üçün diaqram

Aşağıdakı şəkil məqaləni laboratoriya masası üçün bir istinad diaqramında ümumiləşdirir. Üç məhlulda eyni boya var, lakin onların ümumi konsentrasiyası və duz fonu fərqlidir. Onların sxematik spektrləri üst-üstə yığılma artdıqca uzun dalğa uzunluqlu monomer zolağının payının daha qısa dalğa uzunluqlu dimer zolağına keçdiyini göstərir. Şərtlər şəklin üzərində yazılıb, çünki bunlar olmadan əyrilərdən yenidən istifadə etmək olmaz. Göstərilən şəraitdə ölçülmüş zolaq mövqeləri üçün spektral istinaddan istifadə edin. Boyanın məhlulda olduqdan sonra hüceyrələrə necə daxil olması üçün reduksiya və fazalararası paylanma yolu ilə hüceyrəyə daxilolma məqaləsinə baxın. İşıq dozasının və həndəsənin fotokimyəvi ölçmə nəticələrinə əlavə olaraq necə təsir etməsi üçün işığa məruzqalma və ölçmə həndəsəsi məqaləsinə baxın.

Yadda saxlanmalı qaydanın iki hissəsi var. Spektr göstərilən şəraitdə küvetdə olan qarışığı müəyyənləşdirir. Absorbansı ümumi konsentrasiyaya yalnız həmin şəraitdə qurulmuş kalibrləmə çevirə bilər.