Blütenfarbstoffe, insbesondere Anthocyane, zeigen ein faszinierendes Verhalten in Abhängigkeit von Lösungsmittel und pH-Wert. In diesem Applikationsbeispiel demonstrieren wir die Transmissions-Spektren einer wässrigen Lösung des Blütenfarbstoffes von Krokussen mit unserem DIY-Spektrometer bei unterschiedlichen pH-Werten.

Experimentelle Durchführung

Die Spektren wurden mit einem unserer DIY-Spektrometer aufgenommen.

• Anordnung: Czerny-Turner
• Brenweite: 150 mm
• Spaltgröße: 10 µm
• Gitter: 600 lp/mm
• Detektor: Zeilenkamera e9u-LSMD-1304-STD mit 3648 Pixel
• Auflösung: 0,08 nm/Pixel
• Lichtleiter: Toslink

Für die Messungen wurde eine Transmissions-Messzelle mit Komponenten aus dem 3D-Drucker gebaut. In der Mitte dieser Zelle befindet sich eine Wanne für die Aufnahme einer Küvette als Probengefäß. Beiderseitig können in zwei Halter jeweils Toslink-Lichtleiter so eingesteckt werden, dass diese sich genau gegenüberliegen und die Küvette sich zwischen diesen befindet. Einer dieser Toslink-Lichleiter führt zum Spektrometer, während der zweite mit einer Weißlicht-LED als Lichtquelle verbunden wird.

Bei der Messung durchstrahlt somit das weiße LED-Licht zunächst die Küvette mit deren Inhalt und gelangt dann über den zweiten Lichtleiter zur Analyse ins Spektrometer. Zunächst wird eine Referenzmessung mit reinem Lösungsmittel durchgeführt, deren Signal in den nachfolgenden Spektren rot dargestellt ist. Anschließend wird die Transmission einer Lösung vermessen, in der Blütenfarbstoffe extrahiert wurden. Der jeweilige Transmissionswert ergibt sich dann pixelweise als Quotient aus Messwert und Referenzwert.

Probenvorbereitung

Zur Probenvorbereitung wurden frische Blütenblätter von violetten Krokussen gemörsert und die Farbstoffe in Wasser gelöst. Bei dieser wässrigen Lösung kann später durch Hinzugabe von Säure oder einer Base der pH-Wert beliebig eingestellt werden. Ohne diese Zusätze erhält man aber in Wasser zunächst eine bläuliche Lösung. (Benutzt man übrigens statt Wasser Isopropanol als Lösungsmittel, erhält man eine violette Lösung, was auch der ursprünglichen Farbe der Blüten entspricht.)

Für die Messung wird die gemörsterte Lösung einige Minuten stehen gelassen, damit sich Schwebstoffe absetzen. Dann werden wenige Tropfen dieser Lösung in eine Küvette gegeben und nochmals mit Wasser verdünnt. Die Messung mit dem Spektrometer ist sehr empfindlich, so dass hier wirklich schon eine sehr verdünnte Lösung für aussagekräftige Messergebnisse ausreicht.

Aufnahme der Spektren

Blütenfarbstoff in Wasser (neutraler pH-Wert)

Die schwarze Kurve zeigt das gemessene Spektrum der Krokuslösung und die rote Kurve das Referenzspektrums von reinem Wasser. Rechts oben ist die aus beiden Signalen berechnete Transmission eingeblendet. Ein Einbruch in der Transmission bedeutet hohe Absorption durch die Farbstoffe in diesem Spektralbereich. Die Summe aller absorbierten bzw. transmittierten Wellenlängen tragen dann in Summe zur Farbgebung der Lösung bei.

Hier zeigt das Transmissionsspektrum, dass es im rötlichen Spektralbereich um 600 nm zu relativ starken Absorptionen kommt, während Licht im bläulichen Spektralbereich zwischen 450 nm und 500 nm deutlich besser durchgelassen wird. Es gibt dann zwar noch verminderte Transmissionswerte unter 450 nm, was aber kaum zur Farbwahrnehmung beiträgt. In Summe ergibt sich so eine bläuliche Farbe der Lösung.

Blütenfarbstoff im sauren Milieu (pH-Wert < 7)

Versetzt man die bläuliche Lösung des Blütenfarbstoffs im Mörser mit einigen Tropfen einer Säure (wie z. B. Zitronensäure), so schlägt die ursprünglich blaue Farbe ins Rötliche um.

Auch hier wartet man das Absinken der Schwebstoffe ab und füllt dann wieder einige Tropfen in eine weitere Küvette.

Im Transmissionspektrum zeigt sich nun eine relativ hohe Transmission im roten Spektralbereich, während Wellenlängen unter 600 nm stärker absorbiert werden. In Summe führt dies zur beobachteten rötlichen Färbung der Lösung.

Blütenfarbstoff im basischen Milieu (pH-Wert > 7)

Durch die Zugabe einiger Körnchen Natriumhydroxid in die gemörserte Lösung kann nun der ph-Wert ins Basische verschoben werden. Die Farbe der Lösung schlägt dabei ins Gelbliche um.

Im Transmissionsspektrum beobachtet man nun eine deutliche Reduktion der Transmission im blauen Spektralbereich. Im grünen und roten Spektralbereich bleibt die Transmission jedoch weiterhin relativ hoch, was in Summe zur beobachteten gelblichen Farbe der Lösung führt.

Wollen Sie das Experiment auch durchführen und brauchen Sie Hilfe beim Aufbau der Spektrometers oder bei der Durchführung, dann kontaktieren Sie uns bitte. Wir helfen gern!