【概述】

化學(xué)變色反應(yīng)是一個可逆的氧化還原反應(yīng)，以藍胭脂紅染料為氧化還原指示劑。在反應(yīng)中，隨著指示劑的染料被氧化，溶液顏色由綠轉(zhuǎn)紅到黃，之后由于氧氣濃度的降低又被還原，顏色再次變化。高速混合引入氧氣后，反應(yīng)重新開始。色彩變化由于形象易懂，通常是課堂演示和在線視頻的焦點，而反應(yīng)中吸光度的變化可用于表征反應(yīng)動力學(xué)過程。在這個應(yīng)用中，我們描述了如何使用QE Pro光譜儀通過吸光度的變化，進行化學(xué)變色反應(yīng)中的反應(yīng)動力學(xué)分析。另外我們十分樂意為您介紹這款新型光譜儀的優(yōu)化性能。

引言

化學(xué)動力學(xué)研究通過揭示化學(xué)反應(yīng)的速率和機理，解釋了許多我們身邊發(fā)生的事——從人體內(nèi)部的細胞到大氣中的臭氧層變化。表征參數(shù)的影響如反應(yīng)物濃度，溫度，pH值和催化劑都對優(yōu)化反應(yīng)條件和理解反應(yīng)機制至關(guān)重要。在工業(yè)或過程設(shè)置中，對于化學(xué)動力學(xué)細節(jié)的考察有利于判斷Z佳反應(yīng)條件和反應(yīng)物濃度，提高產(chǎn)品產(chǎn)量至Z大化，同時，做到盡可能減少原料浪費。在人體中，化學(xué)動力學(xué)測量用于描述代謝酶催化劑的影響，這對于醫(yī)療過程中準確計量并釋放藥效的至關(guān)重要。

在此應(yīng)用中，QE Pro用于采集吸光度數(shù)據(jù)，描述藍胭脂紅染料（在可逆氧化還原反應(yīng)中作為指示劑）的化學(xué)動力學(xué)變化。藍胭脂紅的化學(xué)太、形態(tài)（氧化態(tài)，還原態(tài)或是中間態(tài)）的存在取決于其反應(yīng)環(huán)境。每種狀態(tài)都有些許不同的化學(xué)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致吸光峰位置不同。當藍胭脂紅與還原劑（葡萄糖）在堿性溶液（NaOH）中混合時，藍胭脂紅就是一個氧化還原過程狀態(tài)指示劑。當溶劑S次由于劇烈晃動進入氧氣時，指示劑處于綠色的氧化態(tài)（在大氣中暴露的顏色）。隨著藍胭脂紅的狀態(tài)由氧化態(tài)漸變?yōu)檫€原態(tài)，顏色逐漸變?yōu)榧t色，然后又變成黃色。

藍胭脂紅變色是由于溶劑中氧濃度的變化。溶劑為黃色，當溶劑劇烈晃動時，氧氣進入溶劑，將指示劑氧化，使顏色變?yōu)榧t色。如果更劇烈的搖晃燒瓶，氧濃度會增加更多，指示劑進一步氧化，變?yōu)榫G色。當溶劑靜置，氧濃度降低，因為與葡萄糖發(fā)生還原反應(yīng)，溶劑變回原始的黃色。此化學(xué)反應(yīng)公式如圖1所示。

圖1：氧化藍胭脂紅（來自www.chem.ed.ac.uk/sites/default/files/outreach/experiments/indigo-teach.pdf)

QE Pro光譜儀是動力學(xué)測量的理想選擇。QE Pro具有光譜儀設(shè)備中Z大的動態(tài)測量范圍，可以探測更寬的光譜，同時降噪效率高。在監(jiān)測動力學(xué)反應(yīng)時，QE Pro高至15000張圖譜的自帶緩存設(shè)備保證了數(shù)據(jù)完整性。這意味著在反應(yīng)的關(guān)鍵階段，即使電腦失去響應(yīng)而無法及時地儲存光譜，也不會有數(shù)

遺失。

實驗細節(jié)

化學(xué)變色反應(yīng)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%藍胭脂紅溶劑混合得到的，采用CVD-VIS-1M盛放。請注意NaOH溶劑具有腐蝕性。請小心NaOH溶劑和混合物，當使用這些溶劑時請采取必要的安全措施。用CVD-COVER將比色皿蓋好，搖晃比色皿使氧氣進入到CUV-UV ，直到顏色變綠，然后將比色皿放入比色皿支架，使用OceanView軟件測量吸光度。OceanView具有帶狀圖表監(jiān)測功能，目標物的吸光度在553nm和759nm波段出現(xiàn)。

當553 nm和759 nm位置的吸收峰降至基線，用力搖晃比色皿引入氧氣使得反應(yīng)重新開始。搖晃比色皿直到混合物變?yōu)榫G色，此時，指示劑染料已經(jīng)充分氧化。如此可以重復(fù)搖晃，使得反應(yīng)反復(fù)進行。如果反應(yīng)太快或吸收峰的強度下降太低，則需要再加入幾滴藍胭脂紅試劑到比色皿。

結(jié)論

對于化學(xué)變色反應(yīng)不同時間的可見光吸光光譜如圖2所示。通過完全混合溶劑導(dǎo)入氧氣并開始反應(yīng)后，553 nm的吸光度增加，而759nm的吸光度減少了。直到混合物中的氧氣消耗完，在553nm的峰吸光度才增加。當氧濃度增加，553nm的吸光度下降到初始吸光度。

化學(xué)變色反應(yīng)在553nm和759nm的吸光度變化趨勢峰如圖3所示。吸光度的變化趨勢表示了指示劑的氧化和還原過程，并伴隨顏色變化。溶劑從綠色開始，隨著染料藍胭脂紅氧化態(tài)的變化，漸漸變紅。隨著混合物中的氧與葡萄糖反應(yīng)，氧含量降低，溶劑變?yōu)辄S色。吸光度的變化在通過用力搖晃比色皿，使得氧氣進入后重復(fù)出現(xiàn)。

圖2：化學(xué)變色反應(yīng)中的吸光度圖譜

化學(xué)動力學(xué)的表征可以通過改變反應(yīng)物濃度和對每個反應(yīng)物設(shè)定濃度重復(fù)測量實現(xiàn)。為了保證Z準確的動力學(xué)測量，在反映過程中盡可能多的采集數(shù)據(jù)非常重要。數(shù)據(jù)完整性帶來巨大的存儲需求，對于如今經(jīng)常多線程任務(wù)同時運行的電腦來說是一種挑戰(zhàn)。當光譜儀要求數(shù)據(jù)在指定時間里連續(xù)采集，響應(yīng)光譜儀的電腦內(nèi)存通常處于滯后狀態(tài)，結(jié)果導(dǎo)致采集丟失。如果在臨界反應(yīng)中電腦存儲滯后，可能會導(dǎo)致計算出的反應(yīng)速率，速率定律和速率數(shù)據(jù)不準確。

QE Pro克服了電腦滯后于光譜儀的問題，高達15000張光譜的緩沖能力保證了數(shù)據(jù)采集的完整性。這意味著即使電腦滯后或光譜數(shù)據(jù)采集失敗，至多150秒（多于2分鐘）的掃描數(shù)據(jù)不會遺失。大約50分鐘的連續(xù)數(shù)據(jù)采集儲存在QE Pro上，得到的趨勢圖如圖4所示。

其他自帶緩沖存儲容量小的光譜儀，當每次儲存在光譜儀上的光譜超過3個以上，關(guān)鍵的反應(yīng)動力學(xué)數(shù)據(jù)就會因為電腦滯后于光譜儀的采集速度而丟失。值得一提的是，當QE Pro因為強大的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)用于這些測量，我們將保證沒有任何數(shù)據(jù)會在這50分鐘的采集時間里遺失， QE Pro可以確保數(shù)據(jù)的完整性，從而準確的表征反應(yīng)的動力學(xué)特征。

圖3：化學(xué)變色反應(yīng)在553nm和759nm的吸光度變化趨勢

圖4：50分鐘內(nèi)連續(xù)采集，在QE Pro的板載緩沖中保存的光譜趨勢

結(jié)論

多彩的化學(xué)便反應(yīng)主要在本科教學(xué)實驗室中使用。當溶劑顏色由綠到紅再到黃色，顏色變化吸引感官視覺。在反應(yīng)中使用QE Pro光譜儀進行示范的吸光度數(shù)據(jù)收集，其實在溶劑中有比顏色變化更多的化學(xué)變化。指示劑染料的氧化態(tài)變化導(dǎo)致了吸光度的變化，可在整個反應(yīng)中運用QE Pro光譜儀測量沒有單個數(shù)據(jù)點遺失的數(shù)據(jù)進行分析。對于此類型的動態(tài)測量，每一個數(shù)據(jù)點都至關(guān)重要，QE Pro光譜儀保證沒有數(shù)據(jù)在反應(yīng)中遺失。

QE Pro光譜儀具有高性能，半導(dǎo)體制冷背薄式檢測器，優(yōu)質(zhì)的動態(tài)范圍和好的信噪比?？筛鼡Q狹縫使得QE Pro更具有靈活性，可以滿足不同光水平和光學(xué)分辨率的多樣應(yīng)用需求。用不同的采樣附件和光源，與QE Pro相連，建立您自己的模塊測試系統(tǒng)，為測量提供了無限可能。