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。