Добрый день, уважаемые читатели. Сегодня мы познакомимся с вами с одной интересной группой красителей — с родаминами.
Итак, родамины — это группа близких по химической структуре флуороновых (ксантеновых) красителей. Отличительной чертой родаминов является их отчётливая флуоресценция (т.е. свечение под действием УФ, если не вдаваться в физическую суть). Типичными представителями родаминов являются Родамин 6G (родамин Ж, родамин 6Ж) и Родамин С (родамин Б, родамин B).
Физически родамин С представляет из себя кристаллический порошок зелёного (тёмно-зелёного) цвета с металлическим блеском, а родамин Ж — кристаллический порошок красно-коричневого (красно-фиолетового) цвета. Родамины С и Ж растворимы в воде, метаноле, этаноле, изопропаноле, ацетоне, дихлорэтане, диметилсульфоксиде (ДМСО), диметилформамиде (ДМФА) и ряде других растворителей. При растворении в органических растворителях (например, ДМСО или ДМФА) интенсивность флуоресценции значительно возрастает.
В подборке фото ниже представлен внешний вид и структурная формула родамина С (фото 1-3), а также внешний вид и структурная формула родамина Ж (фото 4-6).
Благодаря интенсивной флуоресценции родамины нашли широкое применение в науке и технике. Так, например, они используются в флуоресцентной микроскопии; проточной цитометрии; иммуноферментном анализе; в качестве красителя для пластиков, текстовыделителей и стикеров; в качестве альтернативы уранину А при определении утечек в теплосетях и т.д.
В криминалистике родамины используются в виде красителя, наносимого на деньги при даче «взятки» т.к. родамины достаточно плохо смываются с кожи и при этом даже в небольших количествах дают яркую флуоресценцию. Небольшие количества родаминов могут сохраняться на коже до 1-2 недель и при этом давать видимую флуоресценцию.
Отличительной чертой родамина Ж является один из самых высоких квантовых выходов флуоресценции среди органических красителей, приближающийся к единице. Под квантовым выходом флуоресценции в данном случае понимается отношение числа испущенных фотонов (флуоресценции) к числу поглощенных фотонов. Фактически квантовый выход показывает эффективность свечения вещества.
Учитывая широкую распространённость родаминов давайте самостоятельно понаблюдаем за их флуоресценцией?
Для проведения опыта необходимо в колбу (хим.стакан) налить дистиллированную воду и подкислить бромоводородной либо соляной кислотой до pH около 3-4. Далее необходимо включить УФ-подсветку и выключить свет. Теперь необходимо взять всего несколько кристаллов родамина и добавить к полученному раствору. По мере растворения будет наблюдаться яркий светящийся шлейф.
Вживую это выглядит вот так:
И вот так:
Вообще родамин Ж и родамин С в водном растворе способны светиться в достаточно широком диапазоне pH и концентраций. Поэтому опыт можно проводить даже без добавления кислоты. Небольшое подкисление в основном актуально для родамина С т.к. подавляет образование бесцветной лактонной формы. Родамин Ж не образует лактон, но в кислой среде его флуоресценция также остаётся яркой. Впрочем, в реальности всё намного интереснее, но об этом мы поговорим отдельно…
В подборке фото выше не совсем хорошо получилось передать цвет флуоресценции родаминов при освещении УФ-лампой, поэтому проведём опыт повторно, но немного иначе — растворим родамины в органическом растворителе.
В подборке фото ниже представлен цвет раствора и флуоресценция родамина Ж (фото 1-5), а также родамина С (фото 6-9) в ДМФА в высокой концентрации. Следует отметить, что цвет растворов в проходящем и отраженном свете несколько отличается. Впрочем, это справедливо для многих красителей.
В подборке фото ниже представлен цвет следа от родаминов при растирании кристаллов о бумагу. На фото хорошо видно, что родамин С даёт красно-фиолетовый след, а при этом родамин Ж — в основном красно-коричневый (со слабым фиолетовым оттенком).
В подборке фото ниже представлен внешний вид и флуоресценция заготовки плафона фонаря цветомузыкальной установки, напечатанной на 3D-принтере из флуоресцентного пластика, содержащего родамин.
После сборки получится фонарь с оранжево-красным свечением. Сам плафон напечатан полупрозрачным PETG и служит светорассеивателем.
А давайте в качестве ещё нескольких интересных экспериментов посмотрим как ведут себя родамины в разных растворителях при различной концентрации? А также измерим реальные спектры их флуоресценции.
В подборке фото ниже представлен внешний вид и флуоресценция родамина Ж в ДМФА при концентрации 5 мкМ, 50 мкМ и 2000 мкМ. Хорошо видно, что при низкой концентрации раствор имеет розовато-оранжевый цвет, при средней концентрации — желтовато-оранжевый, а при высокой уже красновато-оранжевый. При этом флуоресценция при низкой концентрации имеет зеленоватый оттенок, при средней концентрации — практически чисто-желтая, а при высокой — желтовато-оранжевая.
А что у нас на спектрах?
По представленным спектрам хорошо видно, что пик флуоресценции при низкой концентрации лежит на длине волны 568 нм, при средней концентрации — на длине волны 577 нм, а при высокой концентрации — на длине волны 601 нм. Таким образом, с повышением концентрации наблюдается батохромный (красный) сдвиг. В первом случае 9 нм, а во-втором — ещё 24 нм т.е.суммарно 33 нм (что достаточно много).
Полученные данные неплохо согласуются с приводимыми в литературе и наблюдаемыми визуально. При низкой концентрации мы наблюдаем флуоресценцию практически чистого мономера родамина Ж. При средней же концентрации наблюдается начало димеризации и пик флуоресценции смещается в область более длинных волн. А при высокой концентрации помимо димеризации протекает ещё и ощутимая агрегация — пик флуоресценции ещё сильнее смещается в область более длинных волн.
А вот с родамином С всё несколько интереснее…
В подборке фото ниже представлен внешний вид и флуоресценция родамина С в ДМФА при концентрации 5 мкМ, 50 мкМ и 2000 мкМ.
По представленным фото хорошо видно, что при низкой и средней концентрации раствор родамина С в ДМФА прозрачен и не обладает флуоресценцией… И только при высокой концентрации раствор окрашен в тёмно-вишневый цвет с красновато-оранжевой флуоресценцией.
Но почему же так произошло?
А дело в том, что родамин С в своей структуре имеет свободную карбоксильную группу орто-положении относительно связи, соединяющей фенильное кольцо с ксантеновым ядром. В определённых условиях данная группа может обратимо замыкаться, образуя спироциклический лактон. При этом разрушается единая π-электронная система хромофора, и окраска вместе с флуоресценцией исчезает.
Равновесие между окрашенной (открытой) и бесцветной (лактонной) формами родамина С зависит от полярности растворителя, протон-донорной способности растворителя и концентрации самого родамина С. В апротонном ДМФА равновесие сдвинуто в сторону образования лактона, хотя и не на 100%.
При низкой и средней концентрациях родамина С доля открытой формы настолько мала, что мы не видим окраску раствора, не регистрируем флуоресценцию глазом и использованным спектрометром. Она ниже порога обнаружения. Раствор кажется бесцветным.
При высокой же концентрации родамина С абсолютное количество открытой формы возрастает — у раствора появляется окраска и флуоресценция.
В связи с этим спектры флуоресценции при низкой и средней концентрации снимем в водном растворе, подкисленном бромоводородной (либо соляной) кислотой до pH около 2. Это позволит сдвинуть равновесие в сторону образования открытой формы родамина С. А спектр флуоресценции при высокой концентрации снимем в ДМФА. Полученные спектры представлены в подборке фото ниже.
По представленным спектрам хорошо видно, что пик флуоресценции при низкой концентрации лежит на длине волны 585 нм, при средней концентрации на длине волны 598 нм, а при высокой концентрации на длине волны 623 нм. Таким образом, с повышением концентрации также наблюдается батохромный (красный) сдвиг. В первом случае 13нм, а во-втором — ещё 25 нм т.е.суммарно 38 нм (что ещё больше, чем у родамина Ж).
Полученные данные также неплохо согласуются с приводимыми в литературе. При низкой концентрации в кислом водном растворе мы наблюдаем флуоресценцию практически чистого мономера родамина С. При средней же концентрации в кислом водном растворе наблюдается начало димеризации и пик флуоресценции смещается в область более длинных волн. А при высокой концентрации в ДМФА помимо димеризации протекает ещё и ощутимая агрегация — пик флуоресценции ещё сильнее смещается в область более длинных волн.
Ну что же, наша статья уже подошла к концу… Думаю она была достаточно интересной и наглядной.
А на этом на сегодня всё. Спасибо, что дочитали до конца!
Список использованной литературы:
- Пара слов о родаминах
- Гордон П., Грегори П. Органическая химия красителей: перевод с английского. — Москва: Мир, 1987 г.
- А.Н. Синельников, В.Я. Артюхов. Флуоресценция лактонной формы молекулы родамина Б // Журнал физической химии.- 2013.- том 87.- №8.- С. 1423-1431. DOI: 10.7868/S004445371308027X
- Lopez Arbeloa I., Ruiz Ojeda P. Molecular forms of rhodamine B // Chemical Physics Letters. — 1981. — Vol. 79, №2. — P. 347–350. — DOI: 10.1016/0009-2614(81)80219-9
- Obukhova O. M., Mchedlov-Petrossyan N. O., Vodolazkaya N. A., Patsenker L. D., Doroshenko A. O. Stability of Rhodamine Lactone Cycle in Solutions: Chain‑Ring Tautomerism, Acid–Base Equilibria, Interaction with Lewis Acids, and Fluorescence // Colorants. — 2022. — Vol. 1. — P. 58–90. — DOI: 10.3390/colorants1010006.