Химия и Химики № 4 2015. Опыты с ультрафиолетовым излучением

Обнаружив ошибку на странице, выделите ее и нажмите Ctrl + Enter

Люминесценция хлорофилла в ультрафиолетовом свете

Хлорофилл - зеленый пигмент, благодаря которому растения и некоторые одноклеточные организмы усваивают энергию Солнца, используя ее для синтеза глюкозы из воды и углекислого газа. Процесс называется фотосинтезом. Именно за счет фотосинтеза неорганические вещества превращаются в органические, последние служат строительным материалом и источником энергии для живых организмов. Растения находятся внизу пищевой цепи большинства экосистем. Именно от растений (а, следовательно, и от хлорофилла) зависит существование всего разнообразия жизни. Фотосинтез и зеленые растения - не единственный источник энергии в биосфере, например, некоторые экосистемы существуют благодаря хемосинтезирующим бактериям, но большинство экосистем обязаны своим существованием именно фотосинтезу.

У растений и большинства фотосинтезирующих одноклеточных организмов хлорофилл находится в хлоропластах - микроскопических образованиях (органоидах), которые содержатся в растительных клетках.

Основа молекулы хлорофилла - порфириновое кольцо, в центре которого находится атом магния. У разных хлорофиллов к порфириновому кольцу могут присоединятся разные боковые заместители - соответственно существует целая группа хлорофиллов.

Нетрудно заметить, что гем - основной структурный элемент гемоглобина (красного пигмента крови) имеет структуру, аналогичную структуре хлорофилла, только в центре молекулы гема вместо атома магния расположен атом железа.

Выделить хлорофилл из растений просто. Для этого используют экстракцию хлорофилла этиловым спиртом. Описание приведено, например, в книге Олег Ольгин - Опыты без взрывов [1].

"Еще один опыт - с листьями. Для него нам понадобится водяная баня и стакан с тонкими стенками (если они будут толстыми, стакан, как вы помните, может лопнуть). Свежий лист какого-нибудь растения поместите в сосуд и залейте небольшим количеством разбавленного спирта. Нагрейте воду в бане, снимите ее с огня и поставьте внутрь стакан с листом. Некоторое время спустя пинцетом достаньте листок: он обесцветился, а спирт стал изумрудного цвета. Вот так вы провели экстракцию хлорофилла - зеленого пигмента растений".

Как видите, ничего сложного. Хлорофилл способен к флуоресценции - в ультрафиолетовых лучах он светится красным. Зеленый пигмент светится красным. Неплохо? Такое свойство хлорофилла можно использовать для эффектных демонстраций. - Но это уже не химия, а искусство (артистизм). Мы же ограничимся просто демонстрацией эффекта.

Для того, чтобы наблюдать флуоресценцию хлорофилла, его нужно экстрагировать из полученного спиртового раствора неполярным растворителем (гексан, петролейный эфир), а затем осветить экстракт ультрафиолетовой лампой.

Ниже приведено описание эксперимента, который провел Slavi4 и даны фотографии. В дополнение - видео с сайта https://www.youtube.com/watch?v=f0h3UKuwyrw.

"Итак, я выделил хлорофилл из листиков смородины (еще недавно они росли на огороде). Сначала экстрагировал хлорофилл из листьев кипящим спиртом. Затем из полученного спиртового раствора повторно экстрагировал хлорофилл петролейным эфиром (40 на 70, кажется). Получилась темно-зеленая жидкость со своеобразным запахом травы и яркой багровой люминесценцией в УФ. Аналогично хлорофилл светился в лучах синего и зеленого лазера. Фотоаппарат правильно не передает ни яркости, ни цвета."

__________________________________________________
¹ Олег Ольгин - Опыты без взрывов. ГЛАВА 2. ПЕРВЫЕ ОПЫТЫ. [ссылка]

Смотреть Видео (14 Мб, .mp4 )

Бонус. На фотографиях показан синий лазер, направленный на светофильтр и бюксы с растворами красителей.

Интересный факт. Существует целый род высших растений - (Lathraea, или Петров крест), у которых полностью отсутствует хлорофилл. Род включает пять - семь видов цветковых растений. Данные растения живут за счет того, что паразитируют на корнях деревьев и кустарников. Растения рода Lathraea красивые: не удивительно, ведь это красота за чужой счет - органические вещества для нужд цветка-паразита вырабатывает хлорофилл растения-хозяина.

Флуоресценция хлорофилла под действием солнечного света

Описанная в первой части статьи флуоресценция хлорофилла в ультрафиолетовом свете известна уже давно. То же можно сказать и про флуоресценцию хлорофилла под действием видимого света. Чтобы наблюдать флуоресценцию хлорофилла, не обязательно иметь ультрафиолетовую лампу или светодиод. Даже не обязательно (хотя желательно) экстрагировать хлорофилл гексаном или другим неполярным растворителем из его раствора в спирте.

Приведу отрывок из классической монографии Роберт Вуд - Физическая оптика.

Красная флюоресценция зеленого раствора хлорофилла является одним из давно известных примеров флюоресценции. Зеленые листья, предварительно высушенные в теплой печи, настаивают на спирту, и раствор фильтруется. Приготовленный таким образом раствор держится сколь угодно долго. Если листья предварительно не высушены, то раствор быстро разлагается. Концентрируя линзой солнечный свет на таком растворе, можно наблюдать красную флюоресценцию зеленого раствора.

Проще всего взять аптечную спиртовую настойку. Например, пустырника. - Фактически это готовый экстракт хлорофилла.

Сконцентрируем лупой солнечный свет:

Освещая пузырек ультрафиолетом в темной комнате можно наблюдать красноватое свечение:

Однако свечение гексанового раствора хлорофилла более красиво - чистый красный свет. Поэтому не поленитесь провести экстракцию. Вместо гексана должен подойти бензин для зажигалок.

Кстати, для экспериментов с ультрафиолетовым светом на скорую руку сделал специальный "фонарь Вуда". Верх от старого красного фото-фонаря (Раньше такие фонари использовали, когда печатали фотографии: не проявленная фотобумага допускала освещение тусклым красным светом). Сам фонарь, к сожалению, не сохранился. Он бы подошел идеально: достаточно было красное стекло на светофильтр поменять. Внутри - лампа черного света. Боковой короб согнул из оцинковки, дно из картона. Оклеил стыки "алюминиевым" скотчем (очень удобен для опытов с ультрафиолетом). В боковую часть вставил кусок стекла УФС-6 от старинного УФ-облучателя.

Зеленый чай: экстракция и люминесценция хлорофилла

Сегодня пил зеленый чай и подумал, а ведь в нем тоже есть хлорофилл! Решил экстрагировать.

Высыпал в круглую колбу на 100 мл два пакетика зеленого чая "Гринфилд", залил 20 мл изопропилового спирта, нагрел до кипения и перемешивал 3мин, затем профильтровал горячий экстракт. Фильтровался он долго и я забыл про него на 1.5 ч. В итоге получилось 10 мл очень темного, зеленоватого раствора. Затем данный раствор был разбавлен до 20мл холодной водой и проэкстрагирован 10 мл петролейного эфира (40 на 70). Получился довольно концентрированный раствор хлорофилла с яркой красной люминесценцией в ультрафиолетовом свете.