Weird Science

Więcej światła! O fluorescencji rywanolu

Poniższy arty­kuł został opu­bli­ko­wany pier­wot­nie w cza­so­pi­śmie dla nau­czy­cieli Che­mia w Szkole (6/2015):

Ilustracja

Ples M., Więcej świa­tła! O flu­o­re­scen­cji rywa­nolu, Che­mia w Szkole, 6 (2015), Agen­cja AS Józef Szew­czyk, str. 16-18

Tytuł niniej­szego arty­kułu zapo­ży­czy­łem od Johanna Wol­fganga von Goe­thego, zna­ko­mi­tego nie­miec­kiego poety prze­łomu XVIII i XIX wieku [1]. Poza twór­czo­ścią lite­racką z zami­ło­wa­niem zaj­mo­wał się on także nau­kami przy­rod­ni­czymi. Słowa te były nie­stety jego ostat­nimi. Ja jed­nak chciałbym wła­śnie od nich zacząć.

Zja­wi­ska związane z emi­sją świa­tła należą do jed­nych z naj­bar­dziej fascy­nu­jących, przy­najm­niej ze względu na efekt wizu­alny. Lumi­ne­scen­cja czyli ina­czej jarze­nie lub zimne świe­ce­nie należy do takich wła­śnie feno­me­nów. Polega ona na emi­sji fal elek­tro­ma­gne­tycz­nych z zakresu świa­tła widzial­nego (także pod­czer­wieni i ultra­fio­letu) wywo­ła­nej w inny spo­sób niż przez roz­grza­nie ciał do wyso­kiej tem­pe­ra­tury. Ist­nieje wiele rodza­jów lumi­ne­scen­cji, w zależn­o­ści od czyn­nika ją wywo­łu­jącego. Tym razem chciałbym wspom­nieć o flu­o­re­scen­cji, w której czyn­ni­kiem wzbu­dza­jącym jest świa­tło o odpo­wied­niej dłu­go­ści fali. Co ważne, zja­wi­sko uznaje się za flu­o­re­scen­cję, gdy emi­sja zanika bar­dzo szybko (w ciągu 10-8s) po usta­niu pro­mie­nio­wa­nia wzbu­dza­jącego [2].

Flu­o­re­scen­cję wyka­zuje wiele sub­stan­cji. Niek­tóre z nich są pocho­dze­nia natu­ral­nego, z przy­kła­dami w postaci choćby chi­niny C20H24N2O2 i pro­to­por­fi­ryny IX C34H34N4O4. Inne nato­miast zostały wytwo­rzone sztucz­nie, np. flu­o­re­sce­ina C20H12O5 i eozyna Y C20H6Br4Na2O5. Nie wszyst­kie z nich nadają się do wyko­rzy­sta­nia w dzia­łal­no­ści edu­ka­cyj­nej lub popu­la­ry­za­cyj­nej, np. z racji wyso­kiej ceny, nie­do­stęp­no­ści czy tok­sycz­no­ści. Dla­tego w niniej­szym arty­kule chciałbym zapro­po­no­wać Sza­now­nemu Czy­tel­ni­kowi wyko­rzy­sta­nie bar­dzo wydaj­nego, a przy tym nie­tok­sycz­nego, taniego i łatwego do zdo­by­cia flu­o­ro­foru, jakim jest rywa­nol.

Doświad­cze­nie

Rywa­no­lem jest zwy­cza­jowo nazy­wany mle­czan 6,9-dia­mino-2-etok­sy­a­kry­dyny o wzo­rze suma­rycz­nym C18H21N3O4 (Rys.1). Związek ten należy do grupy barw­ni­ków akry­dy­no­wych.

Ilustracja
Rys.1 – Wzór struk­tu­ralny rywa­nolu C18H21N3O4

Z punktu widze­nia eks­pe­ry­men­ta­tora rywa­nol jest bar­dzo obie­cu­jącą sub­stan­cją, ponie­waż wyko­rzy­stuje się go w lecz­nic­twie jako śro­dek odka­ża­jący i z tego powodu jest łatwo dostępny w apte­kach. W tem­pe­ra­tu­rze poko­jo­wej ma on postać drob­nych poma­rańczowo-żółt­ych krysz­tałków (Fot.1A), a formą han­dlową są naj­czę­ściej tabletki lub gotowy roz­twór o stęże­niu 0,1% [4].

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.1 – Rywa­nol; A – przy zwy­kłym oświe­tle­niu, B – przy oświe­tle­niu świa­tłem ultra­fio­le­to­wym, wyraźnie widoczna flu­o­re­scen­cja

Wystar­czy jed­nak oświe­tlić próbkę rywa­nolu świa­tłem ultra­fio­le­to­wym, by prze­ko­nać się, że związek ten nawet w sta­nie sta­łym posiada silne wła­ści­wo­ści flu­o­re­scen­cyjne. Barwa emi­to­wa­nego świa­tła jest jasno­zie­lona (Fot.1B).

Flu­o­re­scen­cję wyka­zują też wodne roz­twory rywa­nolu. Zadajmy sobie pyta­nie, od czego wła­ści­wie powinna zale­żeć inten­syw­ność flu­o­re­scen­cji takiego roz­tworu przy sta­łej inten­syw­no­ści czyn­nika wzbu­dza­jącego? Może od stęże­nia?

Nie poprze­stańmy jed­nak na roz­wa­ża­niach teo­re­tycz­nych, tym bar­dziej, że nie jest trudno prze­pro­wa­dzić odpo­wied­nie doświad­cze­nie.

Należy przy­go­to­wać roz­twory o odpo­wied­nich roz­cieńcze­niach. Jako wyj­ściowe przyj­mijmy stęże­nie 0,1%, ponie­waż takie wła­śnie posiada han­dlowy roz­twór rywa­nolu uży­wany do odka­ża­nia skóry. Następ­nie przy­go­tujmy serie dzie­sięcio­krot­nych roz­cieńczeń. Ile? To zależy od Czy­tel­nika. Ja pro­po­nuję roz­wi­nięcie serii roz­cieńczeń przy­najm­niej do jed­nej milio­no­wej czę­ści pro­centa. W cha­rak­te­rze próbki kon­trol­nej naj­le­piej zasto­so­wać wodę desty­lo­waną.

Jako źródła świa­tła ultra­fio­le­to­wego naj­ko­rzyst­niej jest użyć lampy kwar­co­wej z fil­trem Wooda, ale spraw­dzają się też „czarne” świe­tlówki kom­pak­towe UV. Bar­dzo dobre wyniki można uzy­skać także z nie­bie­skim wskaźn­i­kiem lase­ro­wym. Warto jed­nak zazna­czyć, że dłu­gość fali świa­tła wysy­ła­nego przez takie wskaźn­iki wynosi zwy­kle 405nm, jest więc to w rze­czy­wi­sto­ści świa­tło fio­le­towe, dosyć bli­skie ultra­fio­le­towi.

Wyniki doświad­cze­nia przed­sta­wia Fot.2. Co cie­kawe, dla stęże­niu 0,1% flu­o­re­scen­cję o bar­wie jasno­zie­lo­nej, tj. takiej samej jak w przy­padku sta­łego rywa­nolu można zaob­ser­wo­wać jedy­nie w przy­po­wierzch­nio­wej war­stwie cie­czy, zaś wiązka lase­rowa nie wnika w głąb roz­tworu (Fot.2A). Przy dzie­sięcio­krot­nym roz­cieńcze­niu można zau­wa­żyć roz­sze­rze­nie się war­stwy świe­cącej cie­czy; zaczyna być także widoczna flu­o­re­scen­cja na dro­dze wiązki lase­ro­wej (Fot.2B). Przy stęże­niu rów­nym 0,001% roz­twór flu­o­ry­zuje już bar­dzo inten­syw­nie w całej objęto­ści (Fot.2C). Przy dal­szym roz­cieńcza­niu inten­syw­ność emi­sji świa­tła maleje, lecz jest wyraźnie zau­wa­żalna (Fot.2D-E). Dla stęże­nia 0,000001% flu­o­re­scen­cja jest zde­cy­do­wa­nie słab­sza, ale w dal­szym ciągu widoczna, szcze­gól­nie w przy­padku oświe­tle­nia lase­rem (Fot.2F). Dla stwier­dze­nia flu­o­re­scen­cji tak roz­cieńczo­nego roz­tworu przy oświe­tle­niu lampą może być konieczne porów­na­nie z próbą kon­trolną nie wyka­zu­jącą efektu (Fot.2G).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.2 – Zależn­ość inten­syw­no­ści flu­o­re­scen­cji roz­tworu rywa­nolu od jego stęże­nia w roz­two­rze wod­nym; A – 0,1%, B – 0,01%, C – 0,001%, D – 0,0001%, E – 0,00001%, F – 0,000001%, G – woda desty­lo­wana; lewa kolumna: oświe­tle­nie lampą UV, prawa kolumna: oświe­tle­nie lase­rem o dłu­go­ści fali λ=405nm (para­me­try eks­po­zy­cji wszyst­kich zdjęć: ISO:100, 0,5s)

Sytu­a­cja z Fot.2F odpo­wiada roz­pusz­cze­niu jed­nej stu­mi­li­gra­mo­wej tabletki rywa­nolu w 10 tonach wody. Uzmy­sła­wia to jak wydaj­nym flu­o­ro­fo­rem jest ta sub­stan­cja.

Opi­sane wła­ści­wo­ści rywa­nolu umożl­i­wiają prze­pro­wa­dza­nie efek­tow­nych doświad­czeń. Przy nor­mal­nym świe­tle roz­cieńczony roz­twór rywa­nolu jest bez­barwny, więc nie odróżnia się od czy­stej wody desty­lo­wa­nej. W takich warun­kach nie można więc stwier­dzić, która ze zle­wek przed­sta­wio­nych na Fot.3 zawiera oma­wianą sub­stan­cję.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.3 – Trzy zlewki, jedna z nich zawiera roz­cieńczony roz­twór rywa­nolu, pozo­stałe wodę desty­lo­waną

Pro­po­nuję zaa­ran­żo­wa­nie sytu­a­cji, w której wybrany uczeń na oczach całej grupy zmie­nia kolej­ność naczyń, ale tak by nau­czy­ciel nie wie­dział, w której znaj­duje się rywa­nol. Następ­nie pro­wa­dzący przy uży­ciu źródła świa­tła UV może bar­dzo łatwo roz­po­znać naczy­nie zawie­ra­jące tę sub­stan­cję (Fot.4A). Szcze­gól­nie korzystne wydaje się zasto­so­wa­nie wspom­nia­nego uprzed­nio wskaźn­ika lase­ro­wego, ponie­waż nie wymaga to zaciem­nia­nia pomiesz­cze­nia (Fot.4B).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.4 – Flu­o­re­scen­cja rywa­nolu; A – przy oświe­tle­niu lampą UV, B – przy oświe­tle­niu lase­rem; aste­ry­skiem ozna­czono laser

Wła­ści­wo­ści lumi­ne­scen­cyjne rywa­nolu mogą zna­leźć zasto­so­wa­nie nie tylko w nau­cza­niu che­mii, ale także pokrew­nych dzie­dzin. Obser­wa­cje odbi­cia pro­mie­nia lase­ro­wego w obrębie roz­tworu (Fot.5) przy­wo­dzą na myśl możl­i­wość wyko­rzy­sta­nia tej sub­stan­cji także w nau­cza­niu fizyki, a kon­kret­niej w bar­dzo efek­tow­nej wizu­a­li­za­cji praw optyki.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.5 – Wew­nętrzne odbi­cie pro­mie­nia lasera w roz­two­rze rywa­nolu

Odpo­wied­nie doświad­cze­nie nie jest wyma­ga­jące tech­nicz­nie – wystar­czy oświe­tlić wskaźn­i­kiem lase­ro­wym zwier­cia­dła lub soczewki różn­ego typu zanu­rzone w roz­two­rze rywa­nolu.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.6 – Wizu­a­li­za­cja biegu pro­mieni świa­tła w pro­stych ukła­dach optycz­nych przy wyko­rzy­sta­niu roz­tworu rywa­nolu; A – odbi­cie od zwier­cia­dła wklęsłego, B – odbi­cie od zwier­cia­dła pła­skiego; Z1 – zwier­cia­dło wklęsłe, Z2 – zwier­cia­dło pła­skie, O – ogni­sko zwier­cia­dła Z1

Uzy­skane w ten spo­sób obrazy przed­sta­wia Fot.6. Myślę, że trudno o bar­dziej dobitne wyja­śnie­nie biegu pro­mieni odbi­tych od zwier­cia­dła wklęsłego, zbie­ga­jących się w cha­rak­te­ry­stycz­nym dla każd­ego zwier­cia­dła punk­cie, czyli ogni­sku (Fot.6A). Odbi­cie od zwier­cia­dła pła­skiego przy­po­mina nato­miast o zasa­dzie gło­szącej, że kąt pada­nia jest równy kątowi odbi­cia (Fot.6B).

Wyja­śnie­nie

Cząstka barw­nika flu­o­re­scen­cyj­nego (rywa­nolu) w nor­mal­nych warun­kach występuje w sta­nie pod­sta­wo­wym o niskiej ener­gii. Można ją wzbu­dzić do stanu o wyższej ener­gii np. za pomocą świa­tła o okre­ślo­nej dłu­go­ści fali. Pamiętajmy także, że dłu­gość fali elek­tro­ma­gne­tycz­nej jest związana z nie­sioną przez nią ener­gią w ten spo­sób, że dłuższym falom odpo­wia­dają niższe war­to­ści ener­gii.

Stan wzbu­dzony jest oczy­wi­ście nie­tr­wały - cząstka pow­raca w bar­dzo krót­kim cza­sie do stanu pod­sta­wo­wego. Uwol­niona przy tym ener­gia zostaje prze­ka­zana do śro­do­wi­ska w postaci fali elek­tro­ma­gne­tycz­nej z zakresu świa­tła widzial­nego. Z racji strat ener­ge­tycz­nych związa­nych m.in. z drga­niami ciepl­nymi cząstek, wypro­mie­nio­wane świa­tło ma więk­szą dłu­gość fali niż poch­ło­nięte. Zja­wi­sko to obser­wu­jemy w opi­sa­nych doświad­cze­niach; świa­tło wzbu­dza­jące pocho­dzi z nie­bie­skiego krańca widma, zaś barwa flu­o­re­scen­cji jest zie­lona, czyli rze­czy­wi­ście prze­su­nięta w kie­runku fal o więk­szej dłu­go­ści (ku czer­wieni). Nazy­wamy to prze­su­nięciem Sto­kesa [5].

Cie­kawe jest też wyja­śnie­nie faktu sła­bej flu­o­re­scen­cji sto­sun­kowo stężo­nych roz­two­rów rywa­nolu (Fot.2A i Fot.2B). Oka­zuje się, że w przy takich war­to­ściach stężeń docho­dzi do pow­sta­nia dime­rów cząste­czek barw­nika. Ener­gia wzbu­dze­nia może być w takiej sytu­a­cji efek­tyw­nie prze­ksz­tałc­ana w ener­gię cieplną. Dodat­ko­wym czyn­ni­kiem może też być pow­tórne poch­ła­nia­nie świa­tła wye­mi­to­wa­nego na dro­dze flu­o­re­scen­cji. Cała ener­gia świa­tła wzbu­dza­jącego zostaje więc bar­dzo szybko roz­pro­szona i dla­tego flu­o­re­scen­cję obser­wu­jemy jedy­nie w przy­po­wierzch­nio­wej war­stwie cie­czy [6].

ak widzimy, nawet tak łatwo dostępna i tania sub­stan­cja jaką jest rywa­nol może nam pomóc w zro­zu­mie­niu praw rządzących na tak pod­sta­wo­wym, mole­ku­lar­nym pozio­mie mate­rii. Rywa­nol nie jest przy tym tok­syczny, a już na pewno nie są nie­bez­pieczne sil­nie roz­cieńczone roz­twory tego związku. Pozwala mi to stwier­dzić, że wyko­rzy­sta­nie tej sub­stan­cji w celach edu­ka­cyj­nych jest jak naj­bar­dziej godne pole­ce­nia.

Lite­ra­tura:

W powyższym tek­ście doko­nano nie­wiel­kich zmian edy­tor­skich w sto­sunku do wer­sji opu­bli­ko­wa­nej w  cza­so­pi­śmie, w celu uzu­pełn­ie­nia i lep­szego przy­sto­so­wa­nia do pre­zen­ta­cji na stro­nie inter­ne­to­wej.

Marek Ples

Aa