Метилен көгінің жарықты жұтуы концентрацияға қарай неге өзгереді

Метилен көгінің бастапқы ерітіндісі құйылған бір бөтелкені алып, екі стақанға құйыңыз. Біріншісіне бастапқы ерітіндіні, екіншісіне он есе сұйылтылған ерітіндіні құйыңыз. Күткендей, екінші стақандағы ерітіндінің түсі бозғылттау. Мұқият қарасаңыз, тағы бір өзгерісті байқайсыз. Оның реңкі өзгерген. Бір ерітінді ашық аспан көгіне, екіншісі күлгін реңкті көкке жақын. Сұйылту түс қанықтығын азайтумен шектелмеді. Ол жарықты негізінен қай химиялық бөлшектер жұтатынын өзгертті.

Бұл өзгерістің негізіндегі ұғым қарапайым. Еріген метилен көгі бір ғана химиялық түрден тұрмайды. Мономер деп аталатын жеке бояғыш катионы екінші катионмен жазық беттері арқылы қабаттасып, димер түзе алады, ал димерлер одан да ірі агрегаттарға біріге алады. Әр пішіннің өзіндік жұту спектрі бар. Спектрофотометр көрсететін нәтиже — сол кюветада, сол жағдайларда болатын қоспадағы барлық түрлердің қосындысы. Қоспа құрамын өзгертсеңіз, бояғыштың жалпы мөлшері сұйылту қатынасына тура сәйкес өзгерсе де, спектр өзгереді.

Мономер мен димер жарықты әртүрлі жұтады

Мономерді оң заряды сақиналар жүйесіне таралған жалпақ карточка ретінде елестетіңіз. Осындай екі карточка жазық беттерімен бір-біріне қарай орналасуы мүмкін. Оң зарядтар бірін-бірі тебеді, бірақ жалпақ ароматты беттер қабаттасу әрекеттесулері арқылы тартылады, ал қоршаған су мен қарсы иондар тебілуді экрандайды. Нәтижесінде электрондық күйлері ортақ байланысқан жұп түзіледі. Оның рұқсат етілген ауысуларының энергиясы мономер ауысуының энергиясынан жоғары, сондықтан димер жолағы мономер жолағына қарағанда қысқарақ толқын ұзындығында көрінеді. Ірілеу агрегаттар спектрдің одан да қысқа толқынды, көк жағына иықша түрінде үлес қосады.

Таза судағы өте төмен концентрацияда мономерлер басым болып, ұзын толқынды жолақ үстемдік етеді. Жалпы концентрация артқан сайын жұптасқан пішіннің үлесі өсіп, қысқа толқынды жолақ бірінші жолаққа қатысты күшейеді. Сондықтан екі жолақтың арақатынасы жалпы концентрацияны тікелей емес, қоспаның құрамын көрсетеді. Қандай пішін бар екені туралы жорамалсыз, бір толқын ұзындығындағы өлшем бұл екеуін ажырата алмайды.

Сондықтан анықтамалық спектрлер әрдайым өлшеу жағдайларымен бірге берілуі керек. Метилен көгінің спектрлік анықтамалығында жолақтардың орны оларды берген еріткішпен, тұздық ортамен, pH мәнімен, температурамен және концентрация ауқымымен бірге кестеленген. Осы жағдайларды көрсетпей шыңның орнын келтірсеңіз, сан жеткілікті сипатталмайды. Екі зертхана бір бояғыш үшін әртүрлі спектрлер туралы дұрыс мәлімет бере алады, өйткені олар әртүрлі қоспаларды өлшеген.

Тепе-теңдікті не өзгертеді

Негізгі фактор — концентрация. Димер түзілуі үшін екі мономер кездесуі керек, сондықтан оның үлесі бояғыштың жалпы концентрациясына тура пропорционал өсуден жылдамырақ артады. Бөлме температурасына жақын жағдайда судағы димерленудің жарияланған тұрақтыларының мәні әр молярға шаққанда мыңдармен өлшенеді, сондықтан димер үлесі микромолярлық ауқымда күрт өседі. Бояғыштың микромолярлықтан миллимолярлыққа дейінгі ауқымын қамтыған кең деректер жиынтығын бірлесіп сәйкестендіру тетрамердің үлесі 34 микромолярдан төмен концентрацияда-ақ нөлден өзгеше болатынын көрсетті. Бұл ондаған микромоляр деңгейінде тек екі түрді ескеретін модельге толық сенуге болмайтынын аңғартады. Нақты үлестер ортаға тәуелді, сондықтан бұл мақала әмбебап қайта есептеу кестесін емес, өзгерістердің бағытын береді.

Екінші фактор — тұз. Еріген иондар екі катион арасындағы тебілуді экрандайды, сондықтан натрий хлоридін және ұқсас электролиттерді қосу бояғыш концентрациясы өзгермесе де, қоспаны димерлер мен агрегаттар жағына ығыстырады. Бұл әсер метилен көгінің тұзды және сулы ортадағы агрегациясын зерттеген жұмыстарда көрінеді: бояғыштың шамамен 1 микромолярдан 3.4 миллимолярға дейінгі концентрациялары натрий хлоридінің 0-ден 0.15 молярға дейінгі концентрацияларында өлшенген. Сол сәйкестендіруде бояғыш та, тұз да жоғары болған жағдайда тетрамер үлесі шамамен 0.93-ке жеткен. Сондықтан суда алынған спектр мен физиологиялық тұз ерітіндісінде алынған спектр бірін-бірі алмастыратын эталондар емес.

Температура қарама-қарсы бағытта әсер етеді. Қабаттасу байланысқан суды босатады, ал жылулық қозғалыс оған қарсы әрекет етеді. Сондықтан ерітіндіні жылыту әдетте димерлердің бір бөлігін қайтадан мономерлерге ыдыратады, ал салқындату бірігуді қолдайды. Модель бойынша анықталған диссоциация энтальпиясы теріс: 282–333 кельвин аралығында бір мольге шамамен минус 30 килоджоуль. Бұл бірігудің экзотермиялық сипатын растайды. Тоңазытқыштан алған бойда өлшенген суық үлгі бөлме температурасымен теңескеннен кейін өлшенген сол үлгіге қарағанда көбірек агрегатталған болып көрінуі мүмкін.

Еріткіш бастапқы жағдайды айқындайды. Күшті гидрофобтық әсері бар су бояғыштың жалпақ катиондарының қабаттасуына ықпал етеді. Этанол мен метанол сияқты спирттер сақиналарды жақсырақ сольваттап, агрегаттарды ыдыратады, сондықтан бояғыштың бірдей концентрациясы этанолда суға қарағанда мономерлік сипатқа жақынырақ болады. Апротонды қосымша еріткіштер де осылай әсер етеді: 293 кельвиндегі су мен DMSO қоспаларында DMSO қосу димерленуді тежеген. Бұл су құрылымының қабаттасуды қозғайтын фактор екенін көрсетеді. Беттік-белсенді заттарды екі бағыттағы әсерін де ескеріп қолдану керек. Олардың критикалық мицелла түзілу концентрациясынан жоғары деңгейде мицеллалар мономерлерді жеке-жеке солюбилизациялап, мономерге тән спектрді қалпына келтіре алады. Ал сол межеден төмен деңгейде қарама-қарсы зарядталған беттік-белсенді зат, керісінше, қабаттасуды күшейтуі мүмкін: бояғыш концентрациясы 100 микромоляр болғанда, SDS туғызған полимерлену SDS концентрациясы шамамен 4 миллимолярға, яғни мицелла түзілу межесінің жартысына жуық мәнге жеткенде ең жоғары болған. Беттік-белсенді зат мөлшері одан әрі артқанда қайта таралу байқалған. Бояғыш–еріткіш әрекеттесулерінің және құрылымданған орталардың метилен көгінің спектрлеріне әсері туралы зерттеу байқалатын жолақтарды жалпы концентрация ғана емес, молекуланың тікелей айналасы да қаншалықты күшті айқындайтынын көрсетеді.

pH негізінен шеткі мәндерде маңызды. Зертханалық жұмыстардың көбінде қолданылатын бейтарапқа жақын ауқымда метилен көгі өзіне тән көк катиондық пішінін сақтайды, ал спектрлік өзгерістерді негізінен агрегация айқындайды. Күшті қышқыл немесе сілті, түссіз лейко-пішін түзетін тотығу-тотықсыздану реакциялары немесе ақуыздармен және бөлшектермен байланысу мономер–димер жұбынан бөлек қосымша күйлерді туғызады. Буфер қосқаннан кейін спектр өзгерсе, бәрін тек pH мәніне телімес бұрын буфер құрамындағы тұздар мен байланысуға қатысатын компоненттерді тексеріңіз. Химия және протондану жөніндегі анықтамалық осы химиялық сәйкестік мәселелерін мұнда қарастырылған агрегация мәселесінен бөлек ұстайды.

Бер–Ламберттің түзу сызығы неге иіледі

Бер–Ламберт қатынасына сәйкес, оптикалық тығыздық жұту коэффициентінің, концентрацияның және оптикалық жол ұзындығының көбейтіндісіне тең. Бұл — бөлшектер санын есептеуге негізделген заң. Оның жорамалы бойынша, есептелетін нысандар саны өзгерсе де, олардың қасиеттері өзгермейді: жарықты жұтатын бір ғана түр болады, спектр тұрақты қалады, концентрация өзгергенде химиялық өзгеріс болмайды, зондтаушы жарық монохроматты болады, шашырау немесе қайта сәуле шығару болмайды және жарық шынымен көрсетілген жолды өтеді.

Агрегация бірінші жорамалды бұзады. Формалды түрде жалпы оптикалық тығыздық барлық түрлердің үлестерінің қосындысы болып қала береді: оптикалық жол ұзындығы әр түрдің жұту коэффициентіне және сол түрдің өз концентрациясына көбейтіледі. Әр түр заңға бағынады. Ал қоспа бағынбайды, өйткені түрлердің концентрациялары бояғыштың жалпы концентрациясына сызықтық емес түрде тәуелді. Сондықтан мономер жолағындағы оптикалық тығыздықтың бояғыштың жалпы концентрациясына тәуелді калибрлеу қисығы сұйылтылған шекте түзу болып басталып, концентрация артқан сайын төмен қарай иіледі: қосылған әрбір өсімдегі мономердің салыстырмалы үлесі азаяды. Димер жолағында өлшенген қисық кері бағытта иіледі. Агрегация жөніндегі зерттеулер байқалған Ламберт–Бер ауытқуларының себебі ретінде дәл осы механизмді көрсетеді. Иілген аймаққа түзу сызықты сәйкестендіріп, оны экстраполяциялау — жиі кездесетін қате. Түзу сызық тек өзі құрылған ауқымда және матрицада жарамды.

Сұйылту да осыған ұқсас қателікке әкелуі мүмкін. Концентрлі бастапқы ерітіндіні аспаптың өлшеу ауқымына жеткізу үшін сұйылту химиялық түрлердің арақатынасын сақтамайды. Сұйылтылған кюветада тепе-теңдік мономер жағына қайта ығысады, сондықтан оның спектрі сұйылтылған үлгіні дұрыс сипаттайды, бірақ бастапқы ерітіндіні дұрыс сипаттамайды. Оптикалық тығыздық мәндерін ұлғайтып, бастапқы ерітінді спектрін кері есептеу жалпы мөлшердің бағасын тек калибрлеу осы ығысуды алдын ала ескерген жағдайда ғана қалпына келтіреді. Ол бастапқы жолақ пішінін ешқашан қалпына келтірмейді. Концентрат спектрін сұйылтылған анықтамалық ерітіндімен салыстырған кез келген адам екі түрлі қоспаны салыстырып отыр.

Оптикалық жол ұзындығы — нәтиженің бір бөлігі

Оптикалық тығыздық жарықтың үлгі ішінде жүретін қашықтығына пропорционал. Бірдей ерітінді құйылған 10 mm кювета 1 mm кюветаға қарағанда он есе жоғары оптикалық тығыздық береді. Бұл масштабтау тек бірдей ерітінді үшін дәл, ал агрегация осы шартты аса маңызды етеді.

Іс жүзінде оптикалық жол ұзындығы — жарамды өлшеу ауқымында қалудың құралы. Ұзын жол сұйылтылған, негізінен мономерлерден тұратын ерітінділер үшін сезімталдықты арттырады. Қысқа жол концентрлі үлгіні тепе-теңдікті қайта өзгертетін айтарлықтай сұйылтусыз өлшеу шкаласында ұстайды. Жоғарыдағы сандардың негізіндегі агрегацияны зерттеу бағдарламасы дәл осы тәсілді қолданған: бояғыштың 1.1–34 микромоляр концентрациялары үшін 1 сантиметрлік, ал 94 микромолярдан 3.4 миллимолярға дейінгі концентрациялары үшін 0.01 сантиметрлік кюветалар пайдаланылған. Микрокөлемді өлшеу тұғырлары мен микропланшет ридерлерінің өзіндік геометриясы бар: олардың оптикалық жолдары қысқа, кейде айнымалы, әрі беттеріне катиондық бояғыш адсорбциялануы мүмкін. Спектрлік анықтамалық еріткіш пен тұзды қалай көрсетсе, өлшем мәнімен бірге оптикалық жолды да солай көрсетіңіз. Оптикалық жол ұзындығы берілмеген оптикалық тығыздық — нәтиже емес. Ол жай ғана сыбыс.

Өлшеу тәртібі осы механизмнен туындайды. Өлшеу алдында үлгілердің температурасын бірдей деңгейге келтіріңіз. Кюветалардың түрі мен бағдарын бірдей ұстаңыз, тұз бен буфер құрамы бірдей сәйкес бос бақылау үлгілерін және таза зертханалық ыдыстарды пайдаланыңыз. Себебі метилен көгі шыны мен пластикке адсорбцияланады, ал боялған кюветада алдыңғы концентрлі үлгінің ізі қалады. Агрегация кинетикасы маңызды болса, дайындағаннан кейін кідірмей өлшеңіз және әр калибрлеу қисығын белгісіз үлгілермен бірдей матрицада, бірдей оптикалық жол ұзындығында құрыңыз. Көзбен бағалағанда, көздің нашар спектрометр екенін ұмытпаңыз. Ерітінді түсі тазалықты анықтай ала ма деген сұрақ — жауабы теріс болатын бөлек мәселе, ал агрегациядан туатын реңк өзгерістері соның бір себебі.

Аспаптың жанында ұстауға арналған сызба

Төмендегі сурет мақаланы зертханалық жұмыс үстеліне арналған бір анықтамалық сызбаға жинақтайды. Үш ерітіндіде бір бояғыш бар, бірақ оның жалпы концентрациясы мен тұздық ортасы әртүрлі. Олардың сұлбалық спектрлері қабаттасу күшейген сайын ұзын толқынды мономер жолағының үлесі қысқа толқынды димер жолағына ауысатынын көрсетеді. Жағдайлар суреттің өзінде берілген, өйткені оларсыз қисықтарды қайта пайдалануға болмайды. Нақты көрсетілген жағдайларда өлшенген жолақ орындары үшін спектрлік анықтамалықты пайдаланыңыз. Бояғыш ерітіндіде болғаннан кейін жасушаларға қалай енетіні туралы тотықсыздану және фазалар арасында таралу арқылы жасушаға ену мақаласын қараңыз. Жарық дозасы мен геометрия фотохимиялық өлшеу нәтижелеріне қосымша қалай әсер ететіні туралы жарық әсері және өлшеу геометриясы мақаласын қараңыз.

Есте сақтайтын ереженің екі бөлігі бар. Спектр көрсетілген жағдайларда кюветада болатын қоспаны сипаттайды. Оптикалық тығыздықты жалпы концентрацияға тек дәл сол жағдайларда құрылған калибрлеу ғана айналдырады.