アプリケーションノート | ABSOR.B™
吸光度を用いた化学反応速度の測定
by Dimitria Camasão and CEP Noemie Deloire,
応用 科学者、 Rheolution Inc.
概要
- 着色した反応物や生成物が関与する化学反応は、特定の波長における吸光度の経時的な変化を通じて分析することができる。
- ABSOR.B™は、青色の食用着色料と漂白剤からなる混合物の吸光度変化の動態を正確に測定しました。
- 青色染料と漂白剤との化学反応の速度式は、吸光度の経時変化から求めた。
化学反応分析における吸光度測定の概要
はじめに
反応物または生成物のいずれかが着色する化学反応は、経時的な吸光度の測定によって追跡することができます。例えば、色素分子は特定の物質と反応して化学構造が変化し、その結果、光を吸収・反射する性質も同様に変化します。 同様に、酵素と基質との反応によって着色した生成物が生成される場合、酵素の活性をモニタリングすることができます。これら2つの例において、化学反応の速度は、それぞれ反応物の消失や生成物の出現によって表すことができます。
これらの測定値(経時的な吸光度)は、反応速度や反応物の活度に関する情報を提供する。 反応速度(または反応速度式)とは、化学反応の速度が反応物のモル濃度にどのように依存するかを数学的に記述したものです。反応速度式の解明は、化学反応の理解を深め、反応条件を最適化し、さまざまな科学・産業分野において目的の生成物を効率的かつ制御された形で生産するために不可欠です。
こうした観点から、本研究ではABSOR.B™を用いて、食品着色料(青色染料)と次亜塩素酸ナトリウム(漂白剤)との反応の速度論を調査した。 次亜塩素酸イオン(ClO-)は酸化剤であり、染料分子から1つ以上の電子を奪ってその化学構造を変化させ、その結果、染料分子は可視光域の光を吸収できなくなります。 反応中の吸光度の減少は、2種類の異なる濃度の漂白剤を用いて測定されました。得られたデータを用いて、反応速度の化学式が導き出されました。
化学における吸光度の測定に関する実験的アプローチ
材料および方法
10 mLのバイアルに、食品着色料(青色)と次亜塩素酸ナトリウム(漂白剤、NaClO)を2つの濃度(ClO濃度0.134 Mおよび0.269 M)で混合した。バイアルは直ちにABSOR.B™に挿入された。 また、試験は室温下で、 Emitt.635カートリッジ(635 nmの波長で光を放出する発光光学カートリッジ。青色成分の吸光度ピークはこの波長付近にある)を用いて、室温で試験を実施した。. 各試料について、経時的な吸光度値を測定した(各条件につきn=3)。吸光度の経時変化から速度式を算出した(1,2)。
吸光度測定による反応速度の解析
結果と考察
化学反応の実験的モニタリング
図1は、青色染料と混合した各次亜塩素酸ナトリウム濃度について、3回ずつ(n=3)実施した実験結果を示している。予想通り、吸光度の減少が速いことから、次亜塩素酸ナトリウムの濃度が最も高い試料ほど反応が速く進行したことが示されている。 また、各条件における反復測定間の結果の再現性が極めて高いことも確認できる。動物組織に固有の内部変動とサンプル数の少なさ(n=3)が、結果の高い再現性と感度を裏付けている。
図1: 0.269 M(オレンジ)および0.134 M(ターコイズ)の次亜塩素酸ナトリウムと混合した際の、食品用青色着色料の吸光度 (Abs)の経時変化。
化学反応の理論的モデル化
この化学反応とその化学量論係数(m および n)を持つこの化学反応は、次のように表すことができる:
この反応の速度式を、反応物のモル濃度を関数として表すと、次のようになります:
ここで、kは反応速度定数(特定の反応および温度に固有のもの)であり、mおよびnは反応次数を決定する指数である。
この実験では、次亜塩素酸ナトリウムは青色染料に比べて非常に過剰であった。そのため、この化学反応の過程でその濃度はほとんど変化しなかったため、一定と近似してよい。
まず、指数mを求める。この実験では、次亜塩素酸の濃度はほぼ一定と見なせるため、擬似速度定数 (k’) は次のように求めることができる:
したがって、反応速度式は次のように書き換えることができる:
Abs対時間、ln(Abs)対時間、および1/Abs対時間をプロットすることで、青色染料の反応次数を決定することができます。もし:
– 濃度(Abs)と時間の関係は線形である:零次反応(m= 0)
– ln(Abs) 対 時間の関係は直線的である:1次反応(m= 1)
– 1/Abs 対 時間は線形である:2次反応(m= 2)
図2 から、ln(Abs)対時間の曲線において最も高いR²値が得られたことがわかる(R²> 0.99)。したがって、これは青色染料に関して一階反応である(m = 1)。さらに、擬似定数(k’)は、線形回帰直線の傾きの負の値に等しい。この情報をもとに、速度定数( k)を、次のように設定します:
したがって、この反応の反応速度定数(k)は 0.29 (M・s)⁻¹ となり、式(2)を用いると、nも 1 となる。したがって、この化学反応の反応速度式は次のように表すことができる:
図2: 食品用青色着色料について、2種類の濃度の次亜塩素酸ナトリウムを用いた場合の吸光度 (Abs)、ln Abs、および1/Absの平均値の経時変化と、それぞれの線形回帰曲線(n=3)。
結論と展望
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参考文献
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