染料のUV-Vis分光法

吸光度

光が物質と相互作用すると、光の一部が吸収され、残りは反射または透過されます。私たちが色を持っていると認識している物質は、可視範囲の光を反射します。私たちが見ることができる物質の色は、反射される光の波長によって異なります。私たちが青く知覚する物質は、可視スペクトルの青色範囲(430〜480 nm)の光を反射します。カラーホイールによると、同じ物質が反射光を補完する光を吸収します。したがって、青い物質は可視スペクトルのオレンジ領域(590〜630 nm)の光を吸収します。すべての化合物が可視領域に吸収されるわけではなく、その結果、人間の目には無色に見えます。

光は、そのエネルギーEと波長λによって定義されます。ここで、hはプランク定数、cは光速です。

光の波長は、そのエネルギーに反比例します。したがって、高エネルギーの光は波長が短くなります。

染料

色の染料が異なれば、吸収する光の波長も異なります。ほとんどの染料は、二重結合と単結合が交互に交差する共役化合物であり、通常は可視領域の光を吸収します。

色素分子の共役部分は非常に短く、結合度が低く、二重結合と単結合が交互に結合することが少ない場合もあれば、長い結合(二重結合と単結合が交互に多く存在する高度な結合があることを意味する)があります。これらの交互の二重結合は、必ずしも2つの炭素の間だけにある必要はありません。これらの共役結合には、カルボニル基や炭素と酸素の二重結合が含まれます。共役の程度は、化合物が吸収する光の波長を決定します。例えば、コンジュゲーションの度合いが高い化合物は、コンジュゲーションの度合いが低いコンパウンドよりも長い波長を吸収します。

分子軌道理論に基づくと、非局在化電子が分子軌道を占めます。最高占有分子軌道(HOMO)は、電子を持つ最高エネルギー軌道です。最も低い空いている分子軌道(LUMO)は、電子のない最も低いエネルギー軌道です。コンジュゲーションがほとんどまたはまったくない分子は、通常、HOMOとLUMOの間に大きなエネルギーギャップがあります。しかし、共役分子は、HOMOとLUMOの間のエネルギーギャップが小さくなります。

電子を低いエネルギー準位から高いエネルギー準位へ、またはHOMOからLUMOへ励起するためには、分子は2つの軌道間のエネルギーギャップに等しいエネルギーで光を吸収しなければならない。このため、エネルギーギャップの大きい分子は、電子を励起するために紫外線などの高エネルギー光を必要とします。しかし、染料はエネルギーギャップが小さく、電子を励起するために可視光などの低エネルギー光を必要とします。

このため、エネルギーギャップの大きい分子は、電子を励起するために紫外線などの高エネルギー光を必要とします。しかし、染料はエネルギーギャップが小さく、電子を励起するために可視光などの低エネルギー光を必要とします。

光のエネルギーは波長に反比例することを思い出してください。したがって、高エネルギー光は、波長が長い低エネルギー光よりも波長が短くなります。

分光 光度 計

実験的には、光吸光度は紫外可視(UV-Vis)分光光度計を使用して測定されます。この装置は、モノクロメーターによって特定の波長の光に変換され、サンプルを通過してもう一方の端の検出器に入る光源を利用しています。サンプルは液体中にある必要があるため、有機化合物が固体の場合は溶媒が必要です。この溶液は、キュベットと呼ばれるサンプルホルダーに保持されます。サンプルに応じて、キュベットは水晶、ガラス、またはプラスチックでできており、特定の光路長があります。このパス長は、光がサンプルを通過する必要がある距離です。溶媒は光も吸収するため、溶媒のサンプルブランクのみが必要です。したがって、装置がサンプル化合物の吸光度スペクトルを捕捉すると、溶媒のバックグラウンドスペクトルを差し引いて、サンプルのみによって引き起こされる吸光度を表示できます。透過率Tは、サンプルを通過する元の光の割合です。

ここで、P₀は、サンプルに当たる前の光ビームの放射照度、または単位面積あたりの1秒あたりのエネルギーです。Pは、検出器に当たる光ビームの放射照度です。Pは通常、光の一部がサンプルに吸収されるため、P₀より低くなります。

吸光度Aは、透過率の負の対数として定義されます。

吸光度の値の範囲は 0 (吸収なし) から 2 (99% の吸収) です。光が吸収されないとき、P₀はPに等しく、透過率は1に等しくなります。したがって、吸光度はゼロです。光の90%が吸収されると、10%が透過し、Tは0.1に等しくなります。この結果、吸光度は 1 に等しくなります。光の99%が吸収されると、1%が透過し(T = 0.01)、吸光度は2に等しくなります。

得られるスペクトルは、吸光度と波長のプロットです。UV-Vis分光光度計の場合、この範囲は200〜800nmです。

ランベルトビールの法則

特定の化合物の透過率と吸光度は、溶液中の化合物の濃度に関連しています。この関係は、ランベルトビールの法則によって説明されています。

サンプルの吸光度は、化合物の濃度、光路長、およびモル減衰係数の積に等しくなります。この係数は各化合物に固有であり、波長によって異なります。ただし、波長を一定に保つと、濃度の変化に関係なく、モル減衰係数は同じになります。サンプルの最大吸光度に対応する波長(_λmax)も、最大のモル減衰係数を持ちます。

参照

1. Silberberg, M.S. (2012).化学:物質と変化の分子的性質。マサチューセッツ州ボストン:マグロウヒル。
2. ハリス、ワシントンD.C.(2015年)。 定量的化学分析。 ニューヨーク州ニューヨーク:WHフリーマンアンドカンパニー。

光が物質に到達すると、一部はそれに吸収され、残りはそれを介して反射または透過されます。私たちが知覚する物質の色は、それが反射する可能性が最も高い波長によって異なります。たとえば、私たちが青く見える生地には、青色光を強く反射し、オレンジ色と赤色の光を強く吸収する染料が含まれています。

染料は通常、共役化合物であり、二重結合と単結合が交互に存在します。電子は共役系内を自由に移動できます。異なる色の染料は、吸収する光の波長が異なる必要があります。いくつかの例を見ると、吸収される波長は共役の量とともに増加することがわかります。

では、波長は共役の程度とどのように関連しているのでしょうか。分子エネルギーレベルを考えてみましょう。非局在化電子は、分子軌道(MO)を占めると考えることができます。分子は、電子をより高いエネルギーの分子軌道に励起するために必要な正確なエネルギーで光を吸収します。最も可能性の高い遷移は、HOMOと呼ばれる最も高い占有分子軌道から、最も低い非占有分子軌道(LUMO)への遷移です。したがって、最も吸収される波長はHOMO-LUMOのエネルギーギャップと一致すると予想されます。

コンジュゲーションがほとんどまたはまったくない分子は、通常、HOMO - LUMOギャップが大きくなります。紫外線を吸収し、すべての可視光線を反射するため、白色または無色に見えます。共役結合は、特に高エネルギーで分子のエネルギーレベルを下げることにより、分子を安定化させます。コンジュゲーションの度合いが高いほど、HOMO-LUMOギャップは小さくなり、吸収波長が大きくなります。金属と置換もギャップに影響します。

例を見てみましょう。レチノールは小さな共役系を持ち、クロロフィルaは窒素とマグネシウムを含む大きな系を持っています。レチノールは325 nmで吸収され、クロロフィルAは430 nmと662 nmの両方で吸収されます。予想通り、レチノールのエネルギーギャップは大きくなります。

紫外線や可視光線、またはUV-Vis分光光度計を使用して吸収を調べることができます。分光光度計は、光源、サンプルが受け取る波長を制御する方法、および光検出器で構成されています。通常、サンプルは透明な溶液です。吸光度は、特定の波長で測定することも、化合物が複数の波長で吸収することが多いため、波長範囲で測定することもできます。さらに、分子の向きや振動状態が異なるため、各遷移にはさまざまな波長が見られます。

測定中、光は吸収されるか、分子に接触せずに通過するか、溶媒または化合物分子に跳ね返ります。逆方向に跳ね返る少量の光は無視します。分子に吸収される可能性のある光が、代わりに分子に跳ね返ることがあります。物質が特定の波長を独自のモル減衰係数でどれだけうまく透過するかを説明します。吸光度は濃度によって変化しますが、モル減衰係数は変化しません。

測定後、分光光度計は、透過率と呼ばれる比率で受信した光と元の光を比較します。吸光度は、透過率の負の基数 10 対数です。分光光度計に溶媒の吸光度がある場合は、それを差し引いて化合物のみを表示します。通常、結果は吸光度対波長として表示されます。化合物が最も吸収する波長は、ラムダマックスと呼ばれます。各波長のモル減衰係数を計算すると、ラムダ最大で最高になります。

モル減衰係数、吸光度、サンプル濃度、および光路長(光がサンプルを通過した距離)は、ランベルトベールの法則によって関連付けられています。任意の3つの変数がわかっている場合、4番目の変数を計算できます。

このラボでは、UV-Vis分光光度計を使用して、フルオレセイン、ベータカロチン、およびインディゴ色素の吸収特性を分析します。次に、ランベルト ベールの法則を使用して β-カロチンの検量線を作成し、β-カロチン溶液の濃度を決定します。