Polarimetr - Polarimeter
.svg)
Polarimetru je vědecký nástroj používaný k měření úhlu otočení způsobené průchodem polarizovaného světla přes opticky aktivní látky.
Některé chemické látky jsou opticky aktivní a polarizované (jednosměrné) světlo se při průchodu těmito látkami bude otáčet buď doleva (proti směru hodinových ručiček) nebo doprava (ve směru hodinových ručiček). Velikost, o kterou se světlo otáčí, se nazývá úhel otočení. Směr (ve směru nebo proti směru hodinových ručiček) a velikost rotace odhalí informace o chirálních vlastnostech vzorku , jako je relativní koncentrace enantiomerů přítomných ve vzorku.
Dějiny
Polarizaci odrazem objevil v roce 1808 Étienne-Louis Malus (1775–1812).
Princip měření
Poměr, čistotu a koncentraci dvou enantiomerů lze měřit polarimetrií. Enantiomery jsou charakterizovány svou vlastností otáčet rovinu lineárního polarizovaného světla. Proto se tyto sloučeniny nazývají opticky aktivní a jejich vlastnost se označuje jako optická rotace . Světelné zdroje, jako je žárovka, halogenový wolfram nebo slunce, vyzařují elektromagnetické vlny o frekvenci viditelného světla. Jejich elektrické pole kmitá ve všech možných rovinách vzhledem k jejich směru šíření. Na rozdíl od toho vlny lineárně polarizovaného světla kmitají v rovnoběžných rovinách.
Pokud světlo narazí na polarizátor, může projít pouze část světla, která kmitá v definované rovině polarizátoru. Této rovině se říká rovina polarizace. Rovina polarizace je otočena opticky aktivními sloučeninami. Podle směru, kterým se světlo otáčí, je enantiomer označován jako dextro-rotační nebo levotočivý.
Optická aktivita enantiomerů je aditivní. Pokud existují různé enantiomery společně v jednom roztoku, jejich optická aktivita se sčítá. Proto jsou racemáty opticky neaktivní, protože ruší své optické aktivity ve směru i proti směru hodinových ručiček. Optická rotace je úměrná koncentraci opticky aktivních látek v roztoku. Polarimetry lze proto použít pro měření koncentrace enantiomerově čistých vzorků. Při známé koncentraci vzorku lze použít také polarimetry ke stanovení specifické rotace při charakterizaci nové látky. Specifická rotace je fyzikální vlastností a je definována jako optická rotace α při délce dráhy l 1 dm, koncentraci c 1 g/100 ml, teplotě T (obvykle 20 ° C) a vlnové délce světla λ (obvykle sodík D čára při 589,3 nm):
![[\ alpha] _ {\ lambda}^{T}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/d9e07055346ea7bf6d0866f3117775e36fb87c94)
![[\ alpha] _ \ lambda^T = \ frac {100 \ times \ alpha} {l \ times c}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/20a8fef4067da43e51ab35720b407e80535e92ca)
To nám říká, jak moc se polarizační rovina otáčí, když paprsek světla prochází specifickým množstvím opticky aktivních molekul vzorku. Optická rotace tedy závisí na teplotě, koncentraci, vlnové délce, délce dráhy a analyzované látce.
Konstrukce
Polarimetr se skládá ze dvou hranolů Nicol (polarizátor a analyzátor). Polarizátor je pevná a analyzátor lze otáčet. Hranoly lze považovat za štěrbiny SI a S2. Světelné vlny mohou být považovány za vlny odpovídající řetězci. Polarizátor S1 umožňuje pouze ty světelné vlny, které se pohybují v jedné rovině. To způsobí, že se světlo stane polarizovaným v rovině. Když je analyzátor také umístěn do podobné polohy, umožňuje jím procházet světelné vlny přicházející z polarizátoru. Když je otočen o pravý úhel, žádné vlny nemohou projít pravým úhlem a pole se zdá být tmavé. Pokud je nyní mezi polarizátor a analyzátor umístěna skleněná trubice obsahující opticky aktivní roztok, světlo se nyní otáčí rovinou polarizace o určitý úhel, bude nutné analyzátor otáčet ve stejném úhlu.
Úkon
Polarimetry to měří průchodem monochromatického světla první ze dvou polarizačních desek, čímž vzniká polarizovaný paprsek. Tato první deska je známá jako polarizátor. Tento paprsek se pak při průchodu vzorkem otáčí. Po průchodu vzorkem se druhý polarizátor, známý jako analyzátor, otáčí buď ručním otáčením, nebo automatickou detekcí úhlu. Když je analyzátor otočen tak, že jím může projít veškeré světlo nebo žádné světlo, pak lze najít úhel otočení, který se rovná úhlu, o který byl analyzátor otočen (θ) v předchozím případě nebo (90-θ) v druhém případě.
Typy polarimetru
Laurentův polostínový polarimetr
Když rovinou polarizované světlo prochází některými krystaly, rychlost světla s levou polarizací je odlišná od rychlosti světla s pravou polarizací, takže se říká, že krystaly mají dva indexy lomu, tj. Dvojitou lomivou konstrukci: Skládá se z monochromatického zdroje S, který je umístěn v ohnisku konvexní čočky L. Hned za konvexní čočkou je Nicol Prism P, který funguje jako polarizátor. H je polostínové zařízení, které rozděluje pole polarizovaného světla vycházejícího z Nicol P na dvě poloviny obecně nestejného jasu. T je skleněná trubice, do které se plní opticky aktivní roztok. Světlo po průchodu T nechá dopadat na analyzující Nicol A, který lze otáčet kolem osy trubice. Otáčky analyzátoru lze měřit pomocí stupnice C.
Práce : Abychom porozuměli potřebě zařízení s polostínem, předpokládejme, že zařízení s polostínem není k dispozici. Poloha analyzátoru je nastavena tak, že zorné pole je tmavé, když je trubice prázdná. Poloha analyzátoru je zaznamenána v kruhovém měřítku. Nyní se zkumavka naplní opticky aktivním roztokem a nastaví se do správné polohy. Opticky aktivní roztok otáčí rovinu polarizace světla vycházejícího z polarizátoru P o určitý úhel. Světlo je tedy přenášeno analyzátorem A a zorné pole dalekohledu se stává jasným. Nyní je analyzátor otočen o konečný úhel, takže zorné pole dalekohledu opět ztmavne. K tomu dojde pouze tehdy, když je analyzátor otočen o stejný úhel, o který je otočena rovina polarizace světla pomocí opticky aktivního roztoku.
Pozice analyzátoru se znovu zaznamená. Rozdíl těchto dvou hodnot vám poskytne úhel natočení roviny polarizace (8).
Ve výše uvedeném postupu je potíž, že když se analyzátor otáčí pro úplnou tmu, pak je dosažen postupně, a proto je obtížné správně najít přesnou polohu, pro kterou je získána úplná tma.
K překonání výše uvedené obtížnosti je mezi polarizátor P a skleněnou trubici T zavedeno polostínové zařízení.
Half Shade Device Skládá se ze dvou půlkruhových desek ACB a ADB. Jedna polovina ACB je vyrobena ze skla, zatímco druhá polovina je z křemene.
Obě poloviny jsou spojeny dohromady. Křemen je řezán rovnoběžně s optickou osou. Tloušťka křemene je vybrána tak, aby byla
zavádí dráhový rozdíl 'A/2 mezi běžným a mimořádným paprskem. Tloušťka skla je zvolena tak, aby absorbovala stejné množství světla, jaké pohltí polovina křemene.
Uvažujte, že vibrace polarizace je podél OP. Při průchodu sklem zůstávají vibrace podél OP. Ale při průchodu polovinou křemene se tyto vibrace rozdělí na součásti 0 a £. Komponenty £ jsou rovnoběžné s optickou osou, zatímco O- komponenta je kolmá na optickou osu. O-komponenta cestuje rychleji v křemeni, a proto bude 0-složka vznikající podél OD namísto OC. Komponenty OA a OD se tedy spojí a vytvoří výsledné vibrace podél OQ, které svírají stejný úhel s optickou osou jako OP. Nyní, pokud je hlavní rovina analyzující Nicol rovnoběžná s OP, pak světlo projde sklem napůl bez překážek. Polovina skla bude tedy jasnější než polovina křemene, nebo můžeme říci, že polovina skla bude jasná a polovina křemene bude tmavá. Podobně, pokud je hlavní rovina analýzy Nicol rovnoběžná s OQ, pak polovina křemene bude jasná a skleněná polovina bude tmavá.
Když je hlavní rovina analyzátoru podél AOB, pak budou obě poloviny stejně světlé. Na druhé straně, pokud je hlavní rovina analyzátoru podél DOC. pak budou obě poloviny stejně tmavé.
Je tedy zřejmé, že pokud je analyzující Nicol z DOC mírně narušena, pak se jedna polovina stane jasnější než druhá. Proto pomocí polostínového zařízení lze přesněji měřit úhel otočení.
Stanovení specifické rotace
Aby se určila specifická rotace opticky aktivní látky (řekněme cukru), polarimetrová trubice T se nejprve naplní čistou vodou a analyzátor se upraví na stejný tmavý bod (obě poloviny by měly být stejně tmavé). Poloha analyzátoru se zaznamenává pomocí stupnice. Nyní je polarimetrová trubice naplněna roztokem cukru o známé koncentraci a analyzátor je znovu nastaven tak, aby bylo opět dosaženo stejně tmavého bodu. Pozice analyzátoru se znovu zaznamená. Rozdíl těchto dvou hodnot vám poskytne úhel otočení θ. Specifická rotace S je tedy určena pomocí vztahu.
[S] t λ = θ /LC
Výše uvedený postup lze opakovat pro různé koncentrace.
Biquartzový polarimetr
V biquartzových polarimetrech se používá biquartzová deska. Biquartzová deska se skládá ze dvou půlkruhových desek křemene, každý o tloušťce 3,75 mm. Jedna polovina se skládá z optického aktivního křemene pro praváky, zatímco druhá je opticky aktivní křemen pro leváky.
Lippichův polarimetr
Rentgenový polarimetr
Polarimetr s křemenným klínem
Manuál
Nejranější polarimetry, které se datují do třicátých let 19. století, vyžadovaly, aby uživatel fyzicky otáčel jedním polarizačním prvkem (analyzátorem) při sledování jiným statickým prvkem (detektorem). Detektor byl umístěn na opačném konci zkumavky obsahující opticky aktivní vzorek a uživatel pomocí svého oka posoudil „zarovnání“, když bylo pozorováno nejméně světla. Úhel otočení byl poté odečten z jednoduchého připevnění k pohyblivému polarizátoru přibližně do stupně.
Ačkoli většina dnes vyráběných ručních polarimetrů stále přijímá tento základní princip, mnoho vývojů aplikovaných na původní opto-mechanickou konstrukci v průběhu let výrazně zlepšilo výkon měření. Zavedení půlvlnné destičky zvýšilo „rozlišovací citlivost“, zatímco přesná skleněná stupnice s noniusovým bubnem usnadnila konečné čtení v rozmezí ca. ± 0,05 °. Většina moderních ručních polarimetrů také obsahuje jako světelný zdroj žlutou LED s dlouhou životností místo nákladnější sodíkové obloukové lampy.
Poloautomatický
Dnes jsou k dispozici poloautomatické polarimetry. Obsluha prohlíží obraz pomocí digitálního displeje a upravuje úhel analyzátoru pomocí elektronických ovládacích prvků.
Plně automatické
Plně automatické polarimetry jsou nyní široce používány a jednoduše vyžadují, aby uživatel stiskl tlačítko a počkal na digitální odečet. Rychlé automatické digitální polarimetry poskytují přesný výsledek během několika sekund, bez ohledu na úhel otočení vzorku. Kromě toho poskytují kontinuální měření, což usnadňuje vysoce výkonnou kapalinovou chromatografii a další kinetická zkoumání.
Další vlastností moderních polarimetrů je Faradayův modulátor . Faradayův modulátor vytváří magnetické pole se střídavým proudem. Osciluje rovinu polarizace, aby se zvýšila přesnost detekce tím, že se bod maximální tmy nechá procházet znovu a znovu, a tak se určuje s ještě větší přesností.
Protože teplota vzorku má významný vliv na optickou rotaci vzorku, moderní polarimetry již obsahují Peltierovy prvky pro aktivní řízení teploty. Speciální techniky, jako jsou teplotně řízené zkumavky na vzorky, snižují chyby měření a usnadňují obsluhu. Výsledky lze přímo přenášet do počítačů nebo sítí pro automatické zpracování. Přesné plnění vzorkové kyvety bylo tradičně nutné kontrolovat mimo přístroj, protože vhodné ovládání zevnitř zařízení nebylo možné. V současné době může kamerový systém pomoci monitorovat vzorek a přesné podmínky plnění ve vzorkové komoře. Kromě toho jsou na trhu k dispozici funkce pro automatické plnění zavedené několika společnostmi. Při práci s žíravými chemikáliemi, kyselinami a zásadami může být užitečné nezatěžovat polarimetr ručně. Obě tyto možnosti pomáhají předcházet potenciálním chybám způsobeným bublinami nebo částicemi.
Zdroje chyb
Úhel otočení opticky aktivní látky může být ovlivněn:
- Koncentrace vzorku
- Vlnová délka světla procházejícího vzorkem (obecně je úhel otočení a vlnová délka obvykle nepřímo úměrná)
- Teplota vzorku (obecně jsou tyto dva přímo úměrné)
- Délka vzorkovací cely (zadává uživatel do většiny automatických polarimetrů, aby byla zajištěna lepší přesnost)
- Podmínky plnění (bubliny, teplotní a koncentrační gradienty)
Většina moderních polarimetrů má metody pro kompenzaci nebo kontrolu těchto chyb.
Kalibrace
Ke kalibraci polarimetrů týkajících se množství molekul cukru k rotaci polarizace světla byl tradičně použit roztok sacharózy s definovanou koncentrací. Mezinárodní komise pro jednotné metody analýzy cukru (ICUMSA) hrála klíčovou roli při sjednocování analytických metod pro cukrovarnický průmysl, stanovování standardů pro mezinárodní stupnici cukru (ISS) a specifikací pro polarimetry v cukrovarnickém průmyslu. Roztoky cukru jsou však náchylné ke kontaminaci a odpařování. Optická rotace látky je navíc velmi citlivá na teplotu. Byl nalezen spolehlivější a stabilnější standard: krystalický křemen, který je orientován a řezán tak, aby odpovídal optické rotaci normálního roztoku cukru, ale aniž by vykazoval výše uvedené nevýhody. Křemen (oxid křemičitý SiO 2 ) je běžný minerál, trigonální chemická sloučenina křemíku a kyslíku. V současné době slouží jako standardy pro kalibraci polarimetrů a sacharimetrů křemenné desky nebo křemenné kontrolní desky různé tloušťky. Aby byly zajištěny spolehlivé a srovnatelné výsledky, mohou být křemenné desky kalibrovány a certifikovány metrologickými instituty. Nicméně,. Alternativně lze kalibraci zkontrolovat pomocí referenčního standardu polarizace, který se skládá z křemenné desky namontované v držáku kolmém na světelnou cestu. Tyto standardy jsou k dispozici s návazností na NIST kontaktováním společnosti Rudolph Research Analytical, se sídlem 55 Newburgh Road, Hackettstown, NJ 07840, USA. Kalibrace se nejprve skládá z předběžného testu, ve kterém se kontroluje schopnost základní kalibrace. Křemenné řídicí desky musí splňovat požadované minimální požadavky s ohledem na jejich rozměry, optickou čistotu, rovinnost, rovnoběžnost ploch a chyby optické osy. Poté se skutečná naměřená hodnota - optická rotace - měří přesným polarimetrem. Nejistota měření polarimetru činí 0,001 ° (k = 2).
Aplikace
Protože mnoho opticky aktivních chemikálií, jako je kyselina vinná , jsou stereoizomery , lze k identifikaci izomeru přítomného ve vzorku použít polarimetr-pokud otáčí polarizovaným světlem doleva, je to levo-izomer a vpravo dextro-izomer. Lze jej také použít k měření poměru enantiomerů v roztocích.
Optická rotace je úměrná koncentraci opticky aktivních látek v roztoku. Polarimetrii lze proto použít pro měření koncentrace enantiomerově čistých vzorků. Při známé koncentraci vzorku lze při charakterizaci nové látky použít také polarimetrii ke stanovení specifické rotace (fyzikální vlastnosti).
Chemický průmysl
Mnoho chemikálií vykazuje specifickou rotaci jako jedinečnou vlastnost ( intenzivní vlastnost, jako je index lomu nebo měrná hmotnost ), kterou lze odlišit. Polarimetry mohou na základě toho identifikovat neznámé vzorky, pokud jsou kontrolovány nebo alespoň známé jiné proměnné, jako je koncentrace a délka délky buněk vzorku. Používá se v chemickém průmyslu.
Ze stejného důvodu, pokud je již známa konkrétní rotace vzorku, lze vypočítat koncentraci a/nebo čistotu roztoku, který jej obsahuje.
Většina automatických polarimetrů provádí tento výpočet automaticky, vzhledem k zadání proměnných od uživatele.
Potravinářský, nápojový a farmaceutický průmysl
Měření koncentrace a čistoty je zvláště důležité pro stanovení kvality produktu nebo přísady v potravinářském a nápojovém a farmaceutickém průmyslu. Mezi vzorky, které zobrazují konkrétní rotace, které lze vypočítat pro čistotu pomocí polarimetru, patří:
Polarimetry se používají v cukrovarnickém průmyslu ke stanovení kvality šťáv z cukrové třtiny i rafinované sacharózy. Rafinerie cukru často používají upravený polarimetr s průtokovou kyvetou (a používá se ve spojení s refraktometrem ) nazývaný sacharimetr . Tyto nástroje používají mezinárodní stupnici cukru, definovanou Mezinárodní komisí pro jednotné metody analýzy cukru (ICUMSA).