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QE Pro光谱仪用于反应监测:化学变色反应

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内容节点
概述
实验/设备条件
样品提取
实验/操作方法
实验结果/结论
仪器/耗材清单

【概述】

化学变色反应是一个可逆的氧化还原反应,以蓝胭脂红染料为氧化还原指示剂。在反应中,随着指示剂的染料被氧化,溶液颜色由绿转红到黄,之后由于氧气浓度的降低又被还原,颜色再次变化。高速混合引入氧气后,反应重新开始。色彩变化由于形象易懂,通常是课堂演示和在线视频的焦点,而反应中吸光度的变化可用于表征反应动力学过程。在这个应用中,我们描述了如何使用QE Pro光谱仪通过吸光度的变化,进行化学变色反应中的反应动力学分析。另外我们十分乐意为您介绍这款新型光谱仪的优化性能。

 

引言

化学动力学研究通过揭示化学反应的速率和机理,解释了许多我们身边发生的事——从人体内部的细胞到大气中的臭氧层变化。表征参数的影响如反应物浓度,温度,pH值和催化剂都对优化反应条件和理解反应机制至关重要。在工业或过程设置中,对于化学动力学细节的考察有利于判断最佳反应条件和反应物浓度,提高产品产量至最大化,同时,做到尽可能减少原料浪费。在人体中,化学动力学测量用于描述代谢酶催化剂的影响,这对于医疗过程中准确计量并释放药效的至关重要。

 

在此应用中,QE Pro用于采集吸光度数据,描述蓝胭脂红染料(在可逆氧化还原反应中作为指示剂)的化学动力学变化。蓝胭脂红的化学太、形态(氧化态,还原态或是中间态)的存在取决于其反应环境。每种状态都有些许不同的化学结构,导致吸光峰位置不同。当蓝胭脂红与还原剂(葡萄糖)在碱性溶液(NaOH)中混合时,蓝胭脂红就是一个氧化还原过程状态指示剂。当溶剂首次由于剧烈晃动进入氧气时,指示剂处于绿色的氧化态(在大气中暴露的颜色)。随着蓝胭脂红的状态由氧化态渐变为还原态,颜色逐渐变为红色,然后又变成黄色。

 

蓝胭脂红变色是由于溶剂中氧浓度的变化。溶剂为黄色,当溶剂剧烈晃动时,氧气进入溶剂,将指示剂氧化,使颜色变为红色。如果更剧烈的摇晃烧瓶,氧浓度会增加更多,指示剂进一步氧化,变为绿色。当溶剂静置,氧浓度降低,因为与葡萄糖发生还原反应,溶剂变回原始的黄色。此化学反应公式如图1所示。

 

 

图1:氧化蓝胭脂红(来自www.chem.ed.ac.uk/sites/default/files/outreach/experiments/indigo-teach.pdf)

 

QE Pro光谱仪是动力学测量的理想选择。QE Pro具有光谱仪设备中最大的动态测量范围,可以探测更宽的光谱,同时降噪效率高。在监测动力学反应时,QE Pro高至15000张图谱的自带缓存设备保证了数据完整性。这意味着在反应的关键阶段,即使电脑失去响应而无法及时地储存光谱,也不会有数

遗失。

 

实验细节

化学变色反应的混合物是由1.5 mL 2.5%的葡萄糖溶液,1.5 mL 1 M 的NaOH溶液和2滴1%蓝胭脂红溶剂混合得到的,采用CVD-VIS-1M盛放。请注意NaOH溶剂具有腐蚀性。请小心NaOH溶剂和混合物,当使用这些溶剂时请采取必要的安全措施。用CVD-COVER将比色皿盖好,摇晃比色皿使氧气进入到CUV-UV ,直到颜色变绿,然后将比色皿放入比色皿支架,使用OceanView软件测量吸光度。OceanView具有带状图表监测功能,目标物的吸光度在553nm和759nm波段出现。

 

当553 nm和759 nm位置的吸收峰降至基线,用力摇晃比色皿引入氧气使得反应重新开始。摇晃比色皿直到混合物变为绿色,此时,指示剂染料已经充分氧化。如此可以重复摇晃,使得反应反复进行。如果反应太快或吸收峰的强度下降太低,则需要再加入几滴蓝胭脂红试剂到比色皿。

 

结论

对于化学变色反应不同时间的可见光吸光光谱如图2所示。通过完全混合溶剂导入氧气并开始反应后,553 nm的吸光度增加,而759nm的吸光度减少了。直到混合物中的氧气消耗完,在553nm的峰吸光度才增加。当氧浓度增加,553nm的吸光度下降到初始吸光度。

 

化学变色反应在553nm和759nm的吸光度变化趋势峰如图3所示。吸光度的变化趋势表示了指示剂的氧化和还原过程,并伴随颜色变化。溶剂从绿色开始,随着染料蓝胭脂红氧化态的变化,渐渐变红。随着混合物中的氧与葡萄糖反应,氧含量降低,溶剂变为黄色。吸光度的变化在通过用力摇晃比色皿,使得氧气进入后重复出现。

 

图2:化学变色反应中的吸光度图谱

 

化学动力学的表征可以通过改变反应物浓度和对每个反应物设定浓度重复测量实现。为了保证最准确的动力学测量,在反映过程中尽可能多的采集数据非常重要。数据完整性带来巨大的存储需求,对于如今经常多线程任务同时运行的电脑来说是一种挑战。当光谱仪要求数据在指定时间里连续采集,响应光谱仪的电脑内存通常处于滞后状态,结果导致采集丢失。如果在临界反应中电脑存储滞后,可能会导致计算出的反应速率,速率定律和速率数据不准确。

 

QE Pro克服了电脑滞后于光谱仪的问题,高达15000张光谱的缓冲能力保证了数据采集的完整性。这意味着即使电脑滞后或光谱数据采集失败,至多150秒(多于2分钟)的扫描数据不会遗失。大约50分钟的连续数据采集储存在QE Pro上,得到的趋势图如图4所示。

 

其他自带缓冲存储容量小的光谱仪,当每次储存在光谱仪上的光谱超过3个以上,关键的反应动力学数据就会因为电脑滞后于光谱仪的采集速度而丢失。值得一提的是,当QE Pro因为强大的数据缓冲区用于这些测量,我们将保证没有任何数据会在这50分钟的采集时间里遗失, QE Pro可以确保数据的完整性,从而准确的表征反应的动力学特征。

图3:化学变色反应在553nm和759nm的吸光度变化趋势

图4:50分钟内连续采集,在QE Pro的板载缓冲中保存的光谱趋势

 

结论

多彩的化学便反应主要在本科教学实验室中使用。当溶剂颜色由绿到红再到黄色,颜色变化吸引感官视觉。在反应中使用QE Pro光谱仪进行示范的吸光度数据收集,其实在溶剂中有比颜色变化更多的化学变化。指示剂染料的氧化态变化导致了吸光度的变化,可在整个反应中运用QE Pro光谱仪测量没有单个数据点遗失的数据进行分析。对于此类型的动态测量,每一个数据点都至关重要,QE Pro光谱仪保证没有数据在反应中遗失。

QE Pro光谱仪具有高性能,半导体制冷背薄式检测器,优质的动态范围和好的信噪比。可更换狭缝使得QE Pro更具有灵活性,可以满足不同光水平和光学分辨率的多样应用需求。用不同的采样附件和光源,与QE Pro相连,建立您自己的模块测试系统,为测量提供了无限可能。


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