मेथिलीन ब्लू और ल्यूकोमेथिलीन ब्लू: एक रेडॉक्स युग्म, दो रंग

एक छात्रा फ्लास्क में नीले रंजक की कुछ बूँदें डालती है, उसे घुमाती है और रंग गायब होते देखती है। वह फ्लास्क को हिलाती है और नीला रंग लौट आता है। इन दोनों अवस्थाओं के बीच इलेक्ट्रॉनों और हवा के संपर्क के अलावा कुछ भी जोड़ा या हटाया नहीं गया। उस फ्लास्क में इस लेख का पूरा विषय समाया है: मेथिलीन ब्लू और उसका अपचयित साथी, ल्यूकोमेथिलीन ब्लू, एक उत्क्रमणीय रेडॉक्स युग्म में एक-दूसरे में बदलते हैं, जिसमें रंग परिणाम का संकेत है।

पहले व्यावहारिक बात। यहाँ रंग बदलना कोई गौण प्रभाव नहीं है। यह विश्लेषणात्मक संकेत है। मेथिलीन ब्लू से फ़ॉर्मुलेशन बनाने, अनुमापन करने या पढ़ाने वाले हर व्यक्ति को इसकी अर्ध-अभिक्रिया स्मृति से लिखने, इसे बाईं या दाईं ओर ले जाने वाली परिस्थितियाँ बताने और परिणाम को अस्पष्ट करने वाली अशुद्धियों के नाम बताने में सक्षम होना चाहिए।

एक समीकरण में पूरा युग्म

ऑक्सीकृत मेथिलीन ब्लू, मेथिलथायोनिनियम धनायन है: एक समतल फीनोथायाज़िनियम संरचना, जिसके केंद्रीय वलय में सल्फर और नाइट्रोजन तथा दोनों सिरों पर एक-एक डाइमेथिलअमीनो समूह होता है। इसे क्लोराइड लवण के रूप में उपलब्ध कराया जाता है। PubChem इसे मेथिलथायोनिनियम क्लोराइड, C.I. Basic Blue 9 के रूप में दर्ज करता है। पानी में इसका एकलक लगभग 664 nm पर अवशोषण करता है, जिससे आँख को नीला रंग दिखाई देता है।

अपचयित ल्यूकोमेथिलीन ब्लू (LMB) में वही मूल संरचना होती है, लेकिन केंद्रीय वलय का नाइट्रोजन प्रोटोनीकृत होता है और वर्णजनक संरचना टूट जाती है। लगभग उदासीन pH पर यह अनावेशित और लगभग रंगहीन होता है। दृश्य क्षेत्र में इसका अवशोषण नगण्य होता है और लगभग 258 nm पर एक प्रबल पराबैंगनी बैंड होता है (ल्यूकोमेथिलीन ब्लू के लिए PubChem प्रविष्टि, CAS 613-11-6)। अर्ध-अभिक्रिया में प्रोटॉनों की संख्या pH पर निर्भर करती है, क्योंकि अपचयित रूप अम्ल में प्रोटोनीकृत होता है (लगभग 4.5 और 5.8 के निकट pKa मान)। व्यावहारिक सीमा को तीन स्थितियों में समझा जा सकता है:

MB(+) + 2 e(-) + H(+) <=> LMB, नीला <=> रंगहीन (लगभग उदासीन pH, 1 प्रोटॉन)

MB(+) + 2 e(-) + 2 H(+) <=> LMBH(+), नीला <=> रंगहीन (मध्यम अम्लीय, 2 प्रोटॉन)

MB(+) + 2 e(-) + 3 H(+) <=> दो बार प्रोटोनीकृत ल्यूको रूप (प्रबल अम्लीय, 3 प्रोटॉन)

ये तीनों रूप अलग-अलग प्रोटोनीकरण अवस्थाओं में उसी युग्म का वर्णन करते हैं। थायाज़ीन रंजकों के रेडॉक्स व्यवहार से संबंधित साहित्य इस विषय को व्यवस्थित ढंग से प्रस्तुत करता है। pH पर निर्भरता, Ox + mH(+) + 2e(-) <=> Red के लिए नर्न्स्ट समीकरण का अनुसरण करती है, जिससे m = 1, 2, या 3 के लिए प्रति pH इकाई लगभग 29.6, 59.2, या 88.7 mV की ढाल मिलती है। प्रति pH इकाई लगभग 28, 58, और 87 mV की मापी गई ढालें इस निर्धारण की पुष्टि करती हैं, इसलिए pH बताए बिना दिया गया विभव अर्थहीन है।

फ़ॉर्मुलेशन बनाने वाले को समीकरण क्या बताता है

स्टॉइकियोमेट्री से तीन तथ्य निकलते हैं। पहला, प्रति अणु दो इलेक्ट्रॉन का अर्थ है कि अपनी कुल अभिक्रिया में मेथिलीन ब्लू दो-इलेक्ट्रॉन संकेतक और मध्यस्थ है, न कि एक-इलेक्ट्रॉन वाहक। दूसरा, प्रोटॉन इसमें भाग लेते हैं, इसलिए औपचारिक विभव ऊपर बताए अनुसार pH के साथ बदलता है। तीसरा, pH 7 पर मानक हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड के सापेक्ष औपचारिक विभव लगभग +0.011 V होता है (pH 0 पर लगभग +0.53 V)। इससे यह युग्म हल्के ऑक्सीकारकों की श्रेणी में आता है: NAD(P)H या एस्कॉर्बेट जैसे अच्छे दाताओं से इलेक्ट्रॉन लेने के लिए पर्याप्त प्रबल, और उन्हें घुलित ऑक्सीजन या फेरिक केंद्रों को सौंपने के लिए पर्याप्त दुर्बल। यही बीच की स्थिति रंजक को किसी एक छोर पर अटकने के बजाय चक्रित होने देती है।

सांद्रता एक और जटिलता जोड़ती है। पानी में लगभग एक सौ माइक्रोमोलर से ऊपर, ऑक्सीकृत धनायन एक-दूसरे पर व्यवस्थित होकर द्विलक और बड़े समुच्चय बनाते हैं, जिनका अवशोषण बैंड लगभग 610 से 615 nm की ओर खिसक जाता है। यह pH 7 पर लगभग 170 से 250 uM के बताए गए एकलक-द्विलक वियोजन स्थिरांक के अनुरूप है। इसलिए जिस स्पेक्ट्रम का शिखर अपेक्षित स्थान से हटा हुआ दिखे, वह अशुद्धि के बजाय समुच्चयन का संकेत हो सकता है। पहले तनु करें, फिर निर्णय लें।

प्रत्येक दिशा को आगे बढ़ाने वाली परिस्थितियाँ

नीचे की तालिका प्रयोगशाला में काम करते समय संदर्भ के लिए है। अपचयन के लिए इलेक्ट्रॉन दाता चाहिए; पुनः ऑक्सीकरण के लिए इलेक्ट्रॉन ग्राही चाहिए, और आम तौर पर हवा पर्याप्त होती है।

हर प्रविष्टि उसी समीकरण का पालन करती है। केवल प्रेरक बल बदलता है। इसी अर्थ में यह युग्म उत्क्रमणीय है: मार्ग वही रहता है, लेकिन विपरीत परिस्थितियों में उस पर विपरीत दिशाओं में चला जाता है।

नीली बोतल की व्याख्या

इस प्रदर्शन की क्रियाविधि स्पष्ट रूप से बताना ज़रूरी है, क्योंकि यह छोटे पैमाने पर इसी युग्म को दिखाता है। क्षारीय ग्लूकोज़ विलयन में क्षार ग्लूकोज़ के एनॉलीकरण को बढ़ावा देता है और उससे बना एनडायोलेट मेथिलीन ब्लू को ल्यूकोमेथिलीन ब्लू में अपचयित करता है, इसलिए फ्लास्क रंगहीन हो जाता है। हिलाने पर द्रव के ऊपर के गैसीय स्थान से ऑक्सीजन विलयन में घुलती है, ऑक्सीजन ल्यूको रूप का पुनः ऑक्सीकरण करती है और नीला रंग लौट आता है। स्थिर छोड़ने पर सतह के पास के अभिक्रिया क्षेत्र में घुलित ऑक्सीजन कम हो जाती है और ग्लूकोज़ फिर प्रभावी हो जाता है। ग्लूकोज़ के समाप्त होने तक यह चक्र दोहराता रहता है, और हर बार हिलाना नर्न्स्ट समीकरण का दृश्य प्रदर्शन है: ऑक्सीकारक की सक्रियता बढ़ाएँ और साम्य नीले रूप की ओर खिसक जाता है।

बीच का मुक्त मूलक

कुल अभिक्रिया में दो इलेक्ट्रॉन स्थानांतरित होते हैं, लेकिन मूलभूत चरणों में एक बार में एक इलेक्ट्रॉन स्थानांतरित होता है। नीले धनायन और रंगहीन ल्यूको रूप के बीच एक सेमीक्विनोन मुक्त-मूलक मध्यवर्ती होता है, जो जमा होने के बजाय अधिकांशतः असमानुपातन द्वारा फिर उसी युग्म के दोनों रूपों में बदल जाता है। pH 7 पर इसका एक-इलेक्ट्रॉन विभव लगभग ऋण 0.23 V होता है, जो कुल दो-इलेक्ट्रॉन मध्यबिंदु से काफी नीचे है। इसी कारण स्थिर-अवस्था में मुक्त मूलक की मात्रा बहुत कम रहती है। यह दो कारणों से महत्वपूर्ण है। प्रकाश में रंजक उत्तेजित अवस्थाओं में पहुँचता है, जो मुक्त-मूलक मार्ग खोलती हैं। इसी कारण मेथिलीन ब्लू के विलयन प्रकाश-संवेदनशील होते हैं और किसी भी स्थिरता प्रोटोकॉल में प्रकाश-रसायन को शामिल करना चाहिए। साथ ही, उच्च सांद्रता पर ऑक्सीकृत रूप द्विलक बनाता है, जिससे मूल युग्म बदले बिना स्पेक्ट्रम और प्रेक्षित अभिक्रिया गतिकी बदल जाती है। इनमें से कोई भी तथ्य उत्क्रमणीयता को नहीं तोड़ता। दोनों उन अवलोकनों की व्याख्या करते हैं जो अन्यथा अनुत्क्रमणीयता जैसे लगते हैं।

विडिमेथिलीकृत संबंधित यौगिक पैमाने को बदलते हैं

दो डाइमेथिलअमीनो भुजाओं से मिथाइल समूह हटाने पर युग्म बना रहता है, लेकिन उसके गुण बदल जाते हैं। हर विडिमेथिलीकरण के साथ अवशोषण अधिकतम लगातार छोटी तरंगदैर्घ्य की ओर खिसकता है: मेथिलीन ब्लू लगभग 664 nm, Azure B लगभग 654, Azure A लगभग 630, Azure C लगभग 615 और थायोनिन लगभग 600 nm। एक मिथाइल समूह कम वाला Azure B इसका सबसे निकट संबंधित यौगिक है: मेथिलीन ब्लू का एक प्रमुख चयापचयज और मेथिलीन ब्लू सामग्री में दर्ज अशुद्धि। Azure A और Azure C उसी रेडॉक्स-सक्रिय मूल संरचना के साथ इस क्रम को आगे बढ़ाते हैं। थायोनिन, जिसके दोनों अमीनो समूहों से सभी मिथाइल समूह हट चुके होते हैं, इस क्रम के अंतिम छोर पर है। pH 7 पर इसका औपचारिक विभव लगभग +0.06 V है, जबकि मेथिलीन ब्लू का +0.011 V है, इसलिए इसका अपचयन स्पष्ट रूप से अधिक आसान होता है। इस श्रृंखला के रेडॉक्स विभव माध्यम और इलेक्ट्रोड पर निर्भर करते हैं, इसलिए मानों की तुलना केवल समान परिस्थितियों में करें। इसी कारण अशुद्धि प्रोफ़ाइल का निर्धारण एक रेडॉक्स विषय है, केवल शुद्धता की जाँच पर टिक लगाने का मामला नहीं। कुछ प्रतिशत Azure B का अर्थ है बोतल में कुछ प्रतिशत अलग रेडॉक्स युग्म होना, और अशुद्धि तथा चयापचयज के रूप में Azure B में बताया गया है कि इस अंश को कैसे नियंत्रित किया जाता है।

जीवविज्ञान कहाँ जुड़ता है

लाल रक्त कोशिका के भीतर NADPH मेथिलीन ब्लू को ल्यूकोमेथिलीन ब्लू में अपचयित करता है, और ल्यूको रूप फेरिक हीम आयरन को इलेक्ट्रॉन देता है, जिससे हीमोग्लोबिन की फेरस अवस्था बहाल होती है। यही एकल इलेक्ट्रॉन रिले अर्जित मेथीमोग्लोबिनेमिया में मेथिलीन ब्लू के उपयोग का रासायनिक आधार है। इस रिले के बाद की सारी प्रक्रियाएँ, ऊर्जा चयापचय, माइटोकॉन्ड्रिया में इलेक्ट्रॉन प्रवाह और कोई भी जैविक परिणाम, माइटोकॉन्ड्रिया के इलेक्ट्रॉन परिवहन के विषय हैं और उन्हें जानबूझकर वहीं रखा गया है।

सिर्फ रंग नहीं, युग्म खरीदें

रेडॉक्स रंजक की गुणवत्ता उसके विनिर्देशों पर निर्भर करती है। उच्च शुद्धता महत्वपूर्ण है, क्योंकि गैर-USP मेथिलीन ब्लू आम तौर पर वस्त्र-ग्रेड होता है। इसमें Azure B, भारी धातुएँ या अवशिष्ट विलायक हो सकते हैं, जो रेडॉक्स मापों को बदलते हैं और अनुमापन के अंतिम बिंदुओं को अस्पष्ट करते हैं; किसी भी अभिरंजन प्रोटोकॉल में इनकी जाँच नहीं होती। USP अनुरूपता का दावा करने वाले अधिकांश विक्रेता केवल भारी धातुओं की जाँच करके काम पूरा मान लेते हैं। पूर्ण अनुरूपता में पहचान, मात्रात्मक परख, कार्बनिक अशुद्धियाँ, अवशिष्ट विलायक, तत्त्वीय अशुद्धियाँ, प्रज्वलन पर अवशेष, सूक्ष्मजीवी सीमाएँ और जीवाणु एंडोटॉक्सिन शामिल हैं। औषधीय-ग्रेड मेथिलीन ब्लू कैसे चुनें में इन दस्तावेज़ों को पढ़ने की प्रक्रिया समझाई गई है। Blupreme मेथिलीन ब्लू के एक औषधीय निर्माता के साथ काम करता है, पूरे USP विनिर्देश के अनुसार परीक्षण करता है और संपूर्ण COA प्रकाशित करता है। जब रंग ही माप हो, तो ये दस्तावेज़ भी उपकरण का हिस्सा होते हैं।