સાંદ્રતા સાથે મેથિલીન બ્લૂનું શોષણ કેમ બદલાય છે

મેથિલીન બ્લૂના મૂળ દ્રાવણની એક બોટલ લો અને બે ગ્લાસમાં દ્રાવણ રેડો. પહેલા ગ્લાસમાં મૂળ દ્રાવણ ભરો અને બીજામાં દસ ગણું પાતળું કરેલું દ્રાવણ ભરો. અપેક્ષા મુજબ, બીજા ગ્લાસનો રંગ ઝાંખો છે. ધ્યાનથી જુઓ તો બીજું પણ કંઈક બદલાયું છે. રંગછટા બદલાઈ છે. એક દ્રાવણ ચોખ્ખા આકાશી વાદળી રંગ તરફ ઝૂકે છે અને બીજું જાંબલી છટાવાળા વાદળી તરફ. પાતળું કરવાથી માત્ર તીવ્રતા ઘટી નથી. મોટાભાગનું શોષણ કયું રાસાયણિક સ્વરૂપ કરે છે તે પણ બદલાયું છે.

આ ફેરફાર પાછળનો વિચાર સરળ છે. દ્રાવણમાં રહેલું મેથિલીન બ્લૂ એક જ રાસાયણિક સ્વરૂપમાં હોતું નથી. રંગદ્રવ્યનો એકલ ધનાયન, જેને મોનોમર કહે છે, બીજા ધનાયન સાથે સપાટી સામે સપાટી ગોઠવાઈને ડાઇમર બનાવી શકે છે, અને ડાઇમર મોટા સમૂહોમાં વિકસી શકે છે. દરેક સ્વરૂપનો પોતાનો શોષણ વર્ણપટ હોય છે. સ્પેક્ટ્રોફોટોમીટર જે દર્શાવે છે તે એ ક્યુવેટમાં, એ પરિસ્થિતિઓ હેઠળ હાજર મિશ્રણના શોષણનો સરવાળો છે. મિશ્રણ બદલો તો વર્ણપટ બદલાય છે, ભલે રંગદ્રવ્યની કુલ માત્રા પાતળું કરવાના સીધા ગુણોત્તરને અનુસરતી હોય.

મોનોમર અને ડાઇમર અલગ રીતે શોષણ કરે છે

મોનોમરને એક સપાટ પત્તા જેવું કલ્પો, જેની વલય-પ્રણાલીમાં ધન વિદ્યુતભાર ફેલાયેલો હોય. આવા બે પત્તા સપાટી સામે સપાટી ગોઠવાઈ શકે છે. ધન વિદ્યુતભારો એકબીજાને અપાકર્ષે છે, પરંતુ સપાટ એરોમેટિક સપાટીઓ સ્ટેકિંગ આંતરક્રિયાઓ દ્વારા આકર્ષાય છે, અને આસપાસનું પાણી તથા પ્રતિઆયનો અપાકર્ષણને ઓછું કરે છે. પરિણામે સહિયારી ઇલેક્ટ્રોનિક અવસ્થાઓ ધરાવતું બંધાયેલું જોડું બને છે. તેના અનુમતિપ્રાપ્ત સંક્રમણો મોનોમરના સંક્રમણ કરતાં ઊંચી ઊર્જાએ હોય છે, તેથી ડાઇમરનો બેન્ડ મોનોમરના બેન્ડ કરતાં ટૂંકી તરંગલંબાઈએ દેખાય છે; મોટા સમૂહો વાદળી તરફના ભાગમાં શોલ્ડરરૂપે વધારાનું યોગદાન આપે છે.

સ્વચ્છ પાણીમાં ખૂબ ઓછી સાંદ્રતાએ મોનોમરનું પ્રભુત્વ હોય છે અને લાંબી તરંગલંબાઈનો બેન્ડ મુખ્ય હોય છે. કુલ સાંદ્રતા વધતાં જોડાયેલું સ્વરૂપ વધુ હિસ્સો લે છે અને પહેલા બેન્ડની સરખામણીમાં ટૂંકી તરંગલંબાઈનો બેન્ડ વધે છે. તેથી બે બેન્ડનો ગુણોત્તર મિશ્રણની રચના દર્શાવે છે, કુલ સાંદ્રતા સીધી દર્શાવતો નથી. કયું સ્વરૂપ હાજર છે તેની ધારણા કર્યા વગર એક જ તરંગલંબાઈનું માપન બંનેને અલગ પાડી શકતું નથી.

આથી જ સંદર્ભ વર્ણપટ સાથે પરિસ્થિતિઓ હંમેશાં જોડાયેલી હોવી જોઈએ. મેથિલીન બ્લૂ માટેનો વર્ણપટીય સંદર્ભ બેન્ડનાં સ્થાનો સાથે તેમને ઉત્પન્ન કરનાર દ્રાવક, ક્ષારની પૃષ્ઠભૂમિ, pH, તાપમાન અને સાંદ્રતાની મર્યાદા કોષ્ટકમાં આપે છે. આ પરિસ્થિતિઓ વિના કોઈ શિખરનું મૂલ્ય ટાંકો તો તે સંખ્યા અધૂરી રીતે વ્યાખ્યાયિત છે. એક જ રંગદ્રવ્યના અલગ વર્ણપટ વિશે બે પ્રયોગશાળાઓ બંને સાચી હોઈ શકે છે, કારણ કે તેમણે અલગ મિશ્રણો માપ્યાં હતાં.

સમતુલાને શું બદલે છે

સાંદ્રતા મુખ્ય નિયામક છે. ડાઇમર બનવા માટે બે મોનોમરનું મળવું જરૂરી છે, તેથી કુલ રંગદ્રવ્ય વધતાં તેનો હિસ્સો રેખીય વધારા કરતાં વધુ ઝડપથી વધે છે. ઓરડાના તાપમાનની નજીક નોંધાયેલા જલીય ડાઇમરીકરણ અચળાંકો હજારો per molar જેટલા હોય છે, તેથી micromolar મર્યાદામાં ડાઇમરનો હિસ્સો ઝડપથી વધે છે. micromolarથી millimolar રંગદ્રવ્ય સુધીના ડેટાને આવરી લેતા વ્યાપક સંયુક્ત ફિટમાં 34 micromolarથી નીચે પણ ટેટ્રામરનું બિનશૂન્ય યોગદાન મળ્યું હતું. આ દર્શાવે છે કે દસેક micromolarના સ્તરે માત્ર બે રાસાયણિક સ્વરૂપો ધરાવતા ફિટ પર વિશ્વાસ કરવો જોખમી છે. ચોક્કસ અંશો માધ્યમ પર આધાર રાખે છે, તેથી આ લેખ સાર્વત્રિક રૂપાંતર કોષ્ટકને બદલે ફેરફારની દિશાઓ આપે છે.

ક્ષાર બીજો નિયામક છે. ઓગળેલા આયનો બે ધનાયનો વચ્ચેનું અપાકર્ષણ ઓછું કરે છે, તેથી ઉમેરાયેલું સોડિયમ ક્લોરાઇડ અને સમાન ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ રંગદ્રવ્યની એ જ સાંદ્રતાએ મિશ્રણને ડાઇમર અને સમૂહો તરફ ધકેલે છે. આ અસર ક્ષારયુક્ત અને જલીય માધ્યમોમાં મેથિલીન બ્લૂના સમૂહનના અભ્યાસોમાં દેખાય છે, જેમાં લગભગ 1 micromolarથી 3.4 millimolar રંગદ્રવ્યને 0થી 0.15 molar સોડિયમ ક્લોરાઇડની મર્યાદામાં માપવામાં આવ્યું હતું. એ ફિટમાં, રંગદ્રવ્ય અને ક્ષાર બંને ઊંચા હોય તે સ્થિતિએ ટેટ્રામરનો અંશ લગભગ 0.93 સુધી પહોંચ્યો હતો. તેથી પાણીમાં નોંધાયેલો વર્ણપટ અને શારીરિક ક્ષારદ્રાવણમાં નોંધાયેલો વર્ણપટ એકબીજાના સ્થાને વાપરી શકાય તેવા ધોરણો નથી.

તાપમાન વિરુદ્ધ દિશામાં અસર કરે છે. સ્ટેકિંગથી બંધાયેલું પાણી મુક્ત થાય છે અને ઉષ્મીય ગતિ તેનો વિરોધ કરે છે, તેથી દ્રાવણ ગરમ કરવાથી સામાન્ય રીતે કેટલાક ડાઇમર છૂટા પડી ફરી મોનોમર બને છે, જ્યારે ઠંડું કરવાથી સંયોજનને અનુકૂળતા મળે છે. ફિટ કરેલી વિયોજન એન્થાલ્પી ઋણ છે, 282થી 333 kelvinની મર્યાદામાં લગભગ ઋણ 30 kilojoules per mole, જે ઉષ્માક્ષેપક સંયોજનની પુષ્ટિ કરે છે. રેફ્રિજરેશન પછી તરત માપેલો ઠંડો નમૂનો, ઓરડાના તાપમાને સમતુલા સુધી પહોંચ્યા પછી માપેલા એ જ નમૂના કરતાં વધુ સમૂહિત દેખાઈ શકે છે.

દ્રાવક મૂળભૂત સ્થિતિ નક્કી કરે છે. પાણીની પ્રબળ જલવિરોધી અસર સપાટ રંગદ્રવ્ય ધનાયનોને સ્ટેકિંગ કરવા પ્રોત્સાહિત કરે છે. ઇથેનોલ અને મિથેનોલ જેવા આલ્કોહોલ વલયોને વધુ સારી રીતે દ્રાવકથી ઘેરે છે અને સમૂહોને તોડે છે, તેથી રંગદ્રવ્યની એ જ સાંદ્રતા પાણી કરતાં ઇથેનોલમાં વધુ મોનોમરરૂપ દેખાય છે. એપ્રોટિક સહદ્રાવકો પણ આવું જ કરે છે: 293 kelvin પર પાણી અને DMSOના મિશ્રણોમાં ઉમેરાયેલા DMSOએ ડાઇમરીકરણ દબાવ્યું હતું, જે દર્શાવે છે કે પાણીની રચના સ્ટેકિંગનું એક પ્રેરક પરિબળ છે. સર્ફેક્ટન્ટ્સ માટે બંને દિશામાં સાવચેતી જરૂરી છે. તેમની ક્રાંતિક મિસેલ સાંદ્રતાથી ઉપર, મિસેલ્સ મોનોમરને વ્યક્તિગત રીતે દ્રાવણમાં સમાવી શકે છે અને મોનોમર જેવો વર્ણપટ પુનઃસ્થાપિત કરી શકે છે. તે બિંદુથી નીચે, વિરુદ્ધ વિદ્યુતભારવાળું સર્ફેક્ટન્ટ સ્ટેકિંગને પ્રોત્સાહિત કરી શકે છે: 100 micromolar રંગદ્રવ્ય પર, SDSથી પ્રેરિત પોલિમરીકરણ લગભગ 4 millimolar SDS નજીક, એટલે કે મિસેલ બિંદુના આશરે અડધા સ્તરે, મહત્તમ થયું હતું; સર્ફેક્ટન્ટના વધુ ઊંચા સ્તરે પછી પુનર્વિતરણ થયું હતું. મેથિલીન બ્લૂના વર્ણપટ પર રંગદ્રવ્ય-દ્રાવક અને સંગઠિત માધ્યમોની અસરો અંગેનું કાર્ય દર્શાવે છે કે માત્ર સમગ્ર દ્રાવણની સાંદ્રતા જ નહીં, પરંતુ તાત્કાલિક આસપાસનું આણ્વિક વાતાવરણ પણ નોંધાયેલા બેન્ડને કેટલી પ્રબળ રીતે નક્કી કરે છે.

pH મુખ્યત્વે છેડાની પરિસ્થિતિઓમાં મહત્ત્વ ધરાવે છે. મોટાભાગના પ્રયોગશાળાના કામમાં વપરાતી તટસ્થની નજીકની મર્યાદામાં મેથિલીન બ્લૂ તેના પરિચિત ધનાયનિક વાદળી સ્વરૂપમાં રહે છે, અને વર્ણપટના ફેરફારોમાં સમૂહનનું પ્રભુત્વ હોય છે. પ્રબળ અમ્લ અથવા ક્ષાર, રંગહીન લ્યુકો સ્વરૂપ બનાવતું રેડોક્સ રસાયણ, અથવા પ્રોટીન અને કણો સાથેનું બંધન—દરેક મોનોમર-ડાઇમર જોડાથી આગળની અવસ્થાઓ ઉમેરે છે. બફર ઉમેર્યા પછી વર્ણપટ બદલાય ત્યારે બધું માત્ર pHને કારણે છે એવું માનતાં પહેલાં બફરની રચનામાં ક્ષાર અને બંધન કરી શકતા ઘટકો તપાસો. રસાયણ અને પ્રોટોનેશનનો સંદર્ભ રાસાયણિક ઓળખના આ પ્રશ્નોને અહીં ચર્ચાયેલા સમૂહનના પ્રશ્નથી અલગ રાખે છે.

Beer-Lambertની સીધી રેખા કેમ વળે છે

Beer-Lambert સંબંધ કહે છે કે શોષણાંક એટલે શોષણક્ષમતા ગુણ્યા સાંદ્રતા ગુણ્યા પ્રકાશપથની લંબાઈ. તે ગણતરીનો નિયમ છે. તે ધારે છે કે ગણાતી વસ્તુઓની સંખ્યા બદલાય છતાં તેમની ઓળખ સમાન રહે છે: એક જ શોષક રાસાયણિક સ્વરૂપ, સ્થિર વર્ણપટ, સાંદ્રતા બદલાતાં કોઈ રાસાયણિક ફેરફાર નહીં, માપન માટે એકવર્ણી પ્રકાશ, કોઈ પ્રકીર્ણન કે પુનઃઉત્સર્જન નહીં, અને પ્રકાશ ખરેખર જણાવેલા માર્ગમાંથી પસાર થતો હોય.

સમૂહન પહેલી ધારણાને તોડે છે. ઔપચારિક રીતે, કુલ શોષણાંક હજી પણ તમામ રાસાયણિક સ્વરૂપોના યોગદાનનો સરવાળો રહે છે: પ્રકાશપથની લંબાઈ ગુણ્યા દરેકની શોષણક્ષમતા ગુણ્યા તે સ્વરૂપની પોતાની સાંદ્રતા. દરેક સ્વરૂપ નિયમને અનુસરે છે. મિશ્રણ અનુસરતું નથી, કારણ કે રાસાયણિક સ્વરૂપોની સાંદ્રતા કુલ રંગદ્રવ્ય સાથે અરેખીય રીતે બદલાય છે. તેથી કુલ રંગદ્રવ્ય સામે મોનોમર બેન્ડના શોષણાંકનો કેલિબ્રેશન વક્ર પાતળા દ્રાવણની મર્યાદામાં સીધો શરૂ થાય છે અને સાંદ્રતા વધતાં નીચે તરફ વળે છે, કારણ કે દરેક વધારા સાથે પ્રમાણસર ઓછો મોનોમર ઉમેરાય છે. ડાઇમર બેન્ડ પર માપેલો વક્ર વિરુદ્ધ દિશામાં વળે છે. સમૂહન અંગેના અભ્યાસો નોંધાયેલા Lambert-Beer વિચલનોના કારણ તરીકે આ જ પ્રક્રિયાને ઓળખાવે છે. વળેલા ભાગમાંથી સીધી રેખા ફિટ કરીને તેને આગળ લંબાવવી એ સામાન્ય ભૂલ છે. રેખા માત્ર એ જ મર્યાદા અને માધ્યમમાં માન્ય છે જેમાં તે તૈયાર કરવામાં આવી હતી.

પાતળું કરવાથી એક સંબંધિત ફાંસો ઊભો થાય છે. સાધનની માપનમર્યાદામાં પહોંચવા માટે સાંદ્ર મૂળ દ્રાવણને પાતળું કરવાથી રાસાયણિક સ્વરૂપોનો ગુણોત્તર જળવાતો નથી. પાતળું કરેલા દ્રાવણવાળી ક્યુવેટમાં સમતુલા ફરી મોનોમર તરફ ગોઠવાય છે, તેથી તેનો વર્ણપટ પાતળા નમૂનાનું સાચું વર્ણન કરે છે પરંતુ મૂળ દ્રાવણનું ખોટું વર્ણન કરે છે. શોષણાંકોને પ્રમાણસર વધારીને મૂળ દ્રાવણના વર્ણપટની પાછી ગણતરી કરવાથી કુલ માત્રાનો અંદાજ ત્યારે જ પુનઃપ્રાપ્ત થાય છે જ્યારે કેલિબ્રેશનમાં આ ફેરફાર પહેલેથી ધ્યાનમાં લેવાયો હોય. તે મૂળ બેન્ડનો આકાર ક્યારેય પુનઃસ્થાપિત કરતું નથી. સાંદ્ર દ્રાવણના વર્ણપટની પાતળા સંદર્ભ સાથે તુલના કરનાર વ્યક્તિ બે અલગ મિશ્રણોની તુલના કરે છે.

પ્રકાશપથની લંબાઈ પરિણામનો એક ભાગ છે

નમૂનામાંથી પ્રકાશ જેટલું અંતર પસાર કરે છે તેના પ્રમાણમાં શોષણાંક બદલાય છે. એ જ દ્રાવણ ધરાવતી 10 mm ક્યુવેટ, 1 mm ક્યુવેટ કરતાં દસ ગણો શોષણાંક આપે છે. આ પ્રમાણસર ફેરફાર માત્ર એ જ દ્રાવણ માટે ચોક્કસ છે, અને સમૂહનને કારણે આ શરત નિર્ણાયક બને છે.

વ્યવહારમાં, પ્રકાશપથની લંબાઈ માન્ય મર્યાદામાં રહેવાનું સાધન છે. લાંબો પ્રકાશપથ પાતળા, મુખ્યત્વે મોનોમર ધરાવતા દ્રાવણો માટે સંવેદનશીલતા આપે છે. ટૂંકો પ્રકાશપથ, સમતુલા ફરી ગોઠવાઈ જાય એવું મોટા પ્રમાણમાં પાતળું કર્યા વિના, સાંદ્ર નમૂનાને માપનમર્યાદામાં રાખે છે. ઉપરના આંકડાઓ પાછળના સમૂહન અભ્યાસમાં બરાબર આ જ રીત અપનાવાઈ હતી: 1.1થી 34 micromolar રંગદ્રવ્ય માટે 1 centimeter સેલ્સ, અને 94 micromolarથી 3.4 millimolar માટે 0.01 centimeter સેલ્સ. માઇક્રોવોલ્યુમ પેડેસ્ટલ્સ અને પ્લેટ રીડર્સ પોતાની અલગ ભૂમિતિ ઉમેરે છે, જેમાં ટૂંકા અને ક્યારેક બદલાતા પ્રકાશપથ હોય છે, તેમજ એવી સપાટીઓ હોય છે જ્યાં ધનાયનિક રંગદ્રવ્ય અધિશોષિત થઈ શકે છે. વર્ણપટીય સંદર્ભ જેમ દ્રાવક અને ક્ષાર દર્શાવે છે તેમ સંખ્યાની સાથે પ્રકાશપથ પણ દર્શાવો. પ્રકાશપથની લંબાઈ વગરનો શોષણાંક પરિણામ નથી. તે અફવા છે.

માપનની શિસ્ત આ પ્રક્રિયામાંથી જ નીકળે છે. માપતાં પહેલાં નમૂનાઓને એક જ તાપમાને સમતુલા સુધી પહોંચવા દો. એક જ પ્રકારની અને એક જ દિશામાં ગોઠવેલી ક્યુવેટ વાપરો, સમાન ક્ષાર અને બફર ધરાવતા અનુરૂપ બ્લેન્ક્સ વાપરો, અને કાચનાં સાધનો સ્વચ્છ રાખો, કારણ કે મેથિલીન બ્લૂ કાચ અને પ્લાસ્ટિક પર અધિશોષિત થાય છે અને ડાઘવાળી ક્યુવેટમાં અગાઉના સાંદ્ર નમૂનાની અસર રહી જાય છે. સમૂહનની ગતિકી મહત્ત્વ ધરાવતી હોય ત્યારે તૈયારી પછી તરત માપો, અને દરેક કેલિબ્રેશન વક્ર અજ્ઞાત નમૂનાઓ જેવા જ માધ્યમમાં અને એ જ પ્રકાશપથની લંબાઈએ તૈયાર કરો. દૃશ્ય તપાસ માટે યાદ રાખો કે આંખ નબળી સ્પેક્ટ્રોમીટર છે. દ્રાવણનો રંગ શુદ્ધતા સ્થાપિત કરી શકે છે કે નહીં એ અલગ પ્રશ્ન છે, જેનો જવાબ ના છે; સમૂહનથી થતા રંગછટાના ફેરફારો તેનું એક કારણ છે.

સાધનની બાજુમાં રાખવા માટેનું ચિત્ર

નીચેનું ચિત્ર આખા લેખને પ્રયોગશાળાના કાર્યસ્થળ માટેના એક સંદર્ભમાં સમાવે છે. ત્રણ દ્રાવણોમાં એક જ રંગદ્રવ્ય છે, પરંતુ કુલ સાંદ્રતા અને ક્ષારની પૃષ્ઠભૂમિ અલગ છે. તેમના રૂપરેખાત્મક વર્ણપટ દર્શાવે છે કે સ્ટેકિંગ વધતાં લાંબી તરંગલંબાઈના મોનોમર બેન્ડનો હિસ્સો ઘટે છે અને ટૂંકી તરંગલંબાઈના ડાઇમર બેન્ડનો હિસ્સો વધે છે. ચિત્ર પર પરિસ્થિતિઓ દર્શાવેલી છે, કારણ કે તેમના વિના વક્રોનો ફરી ઉપયોગ થઈ શકતો નથી. જણાવેલી પરિસ્થિતિઓ હેઠળ માપેલા બેન્ડનાં સ્થાનો માટે વર્ણપટીય સંદર્ભ વાપરો. રંગદ્રવ્ય દ્રાવણમાં આવ્યા પછી કોષોમાં કેવી રીતે પ્રવેશે છે તે માટે અપચય અને વિભાજન દ્વારા કોષપ્રવેશ જુઓ. પ્રકાશની માત્રા અને ભૂમિતિ પ્રકાશરાસાયણિક માપનોને વધુ કેવી રીતે આકાર આપે છે તે માટે પ્રકાશસંપર્ક અને માપનની ભૂમિતિ જુઓ.

યાદ રાખવાના નિયમના બે ભાગ છે. વર્ણપટ જણાવેલી પરિસ્થિતિઓ હેઠળ ક્યુવેટમાં હાજર મિશ્રણને ઓળખાવે છે. એ જ પરિસ્થિતિઓ હેઠળ તૈયાર કરેલું કેલિબ્રેશન જ શોષણાંકને કુલ સાંદ્રતામાં ફેરવે છે.