Введение

Прибор для измерения оптического вращения

Поляриметр – это научный прибор, используемый для измерения оптического вращения: угла поворота плоскости поляризации, возникающего при прохождении линейно поляризованного света через оптически активное вещество. Некоторые химические вещества обладают оптической активностью, и при прохождении через них линейно поляризованный свет поворачивает плоскость поляризации либо влево (против часовой стрелки), либо вправо (по часовой стрелке). Величина этого поворота называется углом вращения. Направление (по часовой или против часовой стрелки) и величина угла вращения предоставляют информацию о хиральных свойствах образца, таких как относительная концентрация энантиомеров в нём.

История

Поляризация при отражении была обнаружена в 1808 году Этьеном Луи Малюсом (1775–1812). Если свет встречает поляризатор, то только часть света, колеблющаяся в определенной плоскости поляризатора, может пройти сквозь него. Эта плоскость называется плоскостью поляризации. Оптически активные соединения вращают плоскость поляризации. В зависимости от направления вращения света энантиомер называют декстроротаторным или леворотаторным. Оптическая активность энантиомеров является аддитивной. Если различные энантиомеры присутствуют вместе в одном растворе, их оптическая активность суммируется. Именно поэтому рацематы оптически неактивны, поскольку они компенсируют свою правую и левую оптическую активность. Оптическое вращение пропорционально концентрации оптически активных веществ в растворе. Следовательно, поляриметры могут быть использованы для измерения концентрации энантиомерно чистых образцов. При известной концентрации образца поляриметры также могут применяться для определения удельного вращения при характеристике нового вещества. Удельное вращение – это физическая величина, определяемая как оптическое вращение α при длине пути l в 1 дм, концентрации c в 10 г/л, температуре T (обычно 20 °C) и длине волны света λ (обычно линия натрия D при 589,3 нм):

Это показывает, насколько плоскость поляризации поворачивается при прохождении луча света через определенное количество оптически активных молекул образца. Таким образом, оптическое вращение зависит от температуры, концентрации, длины волны, длины пути и анализируемого вещества.

Строительство

Полариметр состоит из двух призм Никола (поляризатора и анализатора). Поляризатор фиксирован, а анализатор можно вращать. Призмы можно рассматривать как щели S1 и S2. Световые волны можно рассматривать аналогично волнам в струне. Поляризатор S1 пропускает только те световые волны, которые колеблются в одной плоскости. Это приводит к поляризации света. Когда анализатор также помещен в аналогичное положение, он пропускает световые волны, исходящие от поляризатора. При повороте анализатора на 90 градусов ни одна волна не проходит, и поле кажется темным. Если теперь между поляризатором и анализатором поместить стеклянную трубку с оптически активным раствором, плоскость поляризации света поворачивается на определенный угол, и анализатор необходимо повернуть на тот же угол.

Операция

Поляриметры измеряют это, пропуская монохроматический свет через первую из двух поляризующих пластин, создавая поляризованный луч. Эта первая пластина называется поляризатором. Затем этот луч вращается при прохождении через образец. После прохождения через образец второй поляризатор, называемый анализатором, вращается либо вручную, либо автоматически определяет угол. Когда анализатор поворачивается таким образом, чтобы через него проходил весь свет или не проходил свет вообще, можно определить угол вращения, который равен углу θ, на который был повернут анализатор в первом случае, или 90°θ во втором случае.

Поляриметр Лоранта

Когда плоскополяризованный свет проходит через некоторые кристаллы, скорость левополяризованного света отличается от скорости правополяризованного света, следовательно, эти кристаллы обладают двумя показателями преломления, то есть являются двупреломляющими. Поляриметр состоит из монохроматического источника S, расположенного в фокусе выпуклой линзы L. Сразу за выпуклой линзой находится призма Никаля P, выполняющая функцию поляризатора. H – полутеневое устройство, разделяющее поле поляризованного света, выходящего из призмы Никаля P, на две половины, обычно с неравной яркостью. T – стеклянная трубка, заполненная оптически активным раствором. Свет, пройдя через T, падает на анализирующий Николь A, который можно вращать вокруг оси трубки. Поворот анализатора измеряется с помощью шкалы C. Принцип работы: Чтобы понять необходимость полутеневого устройства, представим, что его нет. Положение анализатора регулируется таким образом, чтобы поле зрения было темным, когда трубка пуста. Положение анализатора фиксируется на круговой шкале. Затем трубка заполняется оптически активным раствором и устанавливается в нужное положение. Оптически активный раствор вращает плоскость поляризации света, выходящего из поляризатора P, на определенный угол, поэтому свет проходит через анализатор A, и поле зрения телескопа становится светлым. Теперь анализатор поворачивается на конечный угол, чтобы поле зрения телескопа снова стало темным. Это произойдет только в том случае, если анализатор будет повернут на тот же угол, на который плоскость поляризации света повернута оптически активным раствором. Положение анализатора снова фиксируется. Разность между двумя показаниями даст угол вращения плоскости поляризации. Сложность, возникающая в описанной процедуре, заключается в том, что при вращении анализатора для достижения полной темноты, это происходит постепенно, и поэтому трудно точно определить положение, при котором достигается полная темнота. Для преодоления этой сложности полутеневое устройство вводится между поляризатором P и стеклянной трубкой T. Полутеневое устройство состоит из двух полукруглых пластин ACB и ADB. Одна половина ACB изготовлена из стекла, а другая половина – из кварца. Обе половины склеены вместе. Кварц ориентирован параллельно оптической оси. Толщина кварца выбирается таким образом, чтобы создать разность хода в λ/2 между обычным и необычным лучами. Толщина стекла выбирается так, чтобы оно поглощало столько же света, сколько и кварцевая половина. Предположим, что колебания поляризации направлены вдоль OP. При прохождении через стеклянную половину колебания остаются направленными вдоль OP. Но при прохождении через кварцевую половину эти колебания разделяются на компоненты O и ε. Компонента ε параллельна оптической оси, а компонент O перпендикулярен оптической оси. Компонент O распространяется быстрее в кварце, и поэтому выходной компонент 0 будет направлен вдоль OD, а не вдоль OC. Таким образом, компоненты OA и OD комбинируются, образуя результирующее колебание вдоль OQ, которое образует тот же угол с оптической осью, что и OP. Теперь, если главная плоскость анализирующего Никаля параллельна OP, свет пройдет через стеклянную половину без препятствий. Следовательно, стеклянная половина будет ярче кварцевой, или, другими словами, стеклянная половина будет светлой, а кварцевая – темной. Аналогично, если главная плоскость анализирующего Никаля параллельна OQ, кварцевая половина будет светлой, а стеклянная – темной. Когда главная плоскость анализатора находится вдоль AOB, обе половины будут одинаково яркими. С другой стороны, если главная плоскость анализатора находится вдоль DOC, обе половины будут одинаково темными. Таким образом, очевидно, что если анализирующий Николь немного отклонить от DOC, одна половина станет ярче другой. Таким образом, используя полутеневое устройство, можно более точно измерить угол вращения. Определение удельного вращения: Для определения удельного вращения оптически активного вещества (например, сахара) трубку поляриметра сначала заполняют чистой водой, а анализатор настраивают на одинаковую темноту (обе половины должны быть одинаково темными). Положение анализатора фиксируется с помощью шкалы. Затем трубку поляриметра заполняют раствором сахара известной концентрации и снова настраивают анализатор таким образом, чтобы снова достичь одинаковой темноты. Положение анализатора снова фиксируется. Разность между двумя показаниями даст угол вращения θ. Следовательно, удельное вращение S определяется как S = θ/LC, где L – оптическая длина пути, а C – концентрация вещества.

Бикварцевый поляриметр

Бикварцевый поляриметр использует бикварцевую пластину, состоящую из двух полукруглых пластин кварца, каждая толщиной 3,75 мм. Одна половина состоит из кварца, обладающего правой оптической активностью, а другая – из кварца, обладающего левой оптической активностью.

Руководство

Самые ранние поляриметры, появившиеся в 1830-х годах, требовали от пользователя физического вращения одного поляризующего элемента (анализатора) при наблюдении через другой неподвижный элемент (детектор). Детектор располагался на противоположном конце трубки, содержащей оптически активный образец, и пользователь оценивал "выравнивание" визуально, определяя точку минимальной освещенности. Угол поворота затем считывался с простой шкалы, закрепленной на вращающемся поляризаторе, с точностью до одного градуса. Хотя большинство современных ручных поляриметров по-прежнему основаны на этом базовом принципе, многочисленные усовершенствования, внесенные в оригинальную оптомеханическую конструкцию за прошедшие годы, значительно повысили точность измерений. Введение полуволновой пластины увеличило "различительную способность", а прецизионная стеклянная шкала с нониусом позволила проводить окончательное считывание с точностью до приблизительно ±0,05°. Большинство современных ручных поляриметров также оснащены долговечным желтым светодиодом вместо более дорогостоящей натриевой лампы в качестве источника света.

Полуавтоматические

Сегодня доступны полуавтоматические поляриметры. Оператор просматривает изображение на цифровом дисплее и регулирует угол анализатора с помощью электронных средств управления.

Калибровка

Традиционно для калибровки поляриметров, устанавливающих связь между количеством молекул сахара и вращением плоскости поляризации света, использовался раствор сахарозы с определенной концентрацией. Международная комиссия по единым методам анализа сахара (ICUMSA) сыграла ключевую роль в унификации аналитических методов для сахарной промышленности, установив стандарты для Международной шкалы сахара (ISS) и спецификации для поляриметров, применяемых в сахарной промышленности. Однако растворы сахара подвержены загрязнению и испарению. Более того, оптическое вращение вещества очень чувствительно к температуре. Была найдена более надежная и стабильная эталонная основа: кристаллический кварц, ориентированный и разрезанный таким образом, чтобы его оптическое вращение соответствовало оптическому вращению обычного сахарного раствора, но без указанных выше недостатков. Кварц (диоксид кремния, SiO2) – распространенный минерал, тригональное химическое соединение кремния и кислорода. В настоящее время кварцевые пластины или контрольные кварцевые пластины различной толщины используются в качестве эталонов для калибровки поляриметров и сахариметров. Для обеспечения достоверных и сопоставимых результатов кварцевые пластины могут быть калиброваны и сертифицированы метрологическими институтами. В качестве альтернативы, калибровку можно проверить с помощью эталонного стандарта поляризации, который представляет собой кварцевую пластину, установленную в держателе перпендикулярно пути света. Эти стандарты, прослеживаемые к NIST, можно приобрести, обратившись в Rudolph Research Analytical по адресу: 55 Newburgh Road, Hackettstown, NJ 07840, USA. Калибровка начинается с предварительного теста, в ходе которого проверяется базовая калибровочная способность. Кварцевые контрольные пластины должны соответствовать минимальным требованиям к своим размерам, оптической чистоте, плоскостности, параллельности граней и погрешности оптической оси. После этого фактическое значение измеряемого оптического вращения измеряется с помощью прецизионного поляриметра. Неопределенность измерения поляриметра составляет 0,001° (k=2).

Приложения

Поскольку многие оптически активные химические вещества, такие как винная кислота, являются стереоизомерами, поляриметр можно использовать для идентификации изомера, присутствующего в образце: если он вращает плоскость поляризованного света влево – это лево-изомер, а вправо – декстро-изомер. Его также можно использовать для измерения соотношения энантиомеров в растворах. Угол вращения плоскости поляризации пропорционален концентрации оптически активного вещества в растворе. Таким образом, поляриметрию можно применять для измерения концентрации энантиомерно чистых веществ. При известной концентрации образца поляриметрию также можно использовать для определения удельного вращения (физической характеристики) при идентификации нового вещества.

Химическая промышленность

Многие химические вещества проявляют удельное вращение как уникальное свойство (интенсивное свойство, подобно показателю преломления или удельному весу), которое можно использовать для их идентификации. Поляриметры могут определять неизвестные образцы, основываясь на этом, при условии контроля или хотя бы знания других переменных, таких как концентрация и длина оптического пути. Это применяется в химической промышленности. Соответственно, если удельное вращение образца известно, можно рассчитать концентрацию и/или чистоту раствора, содержащего его. Большинство автоматических поляриметров выполняют этот расчет автоматически, используя данные, введенные пользователем.