Как устроен поляриметр?

Поляриметр — прибор для определения направления поляризации света или вращения оптически активного вещества. Физик Франсуа Жан Доминик Араго сделал на кварце очень важное для поляриметрии открытие. Араго разрезал кристалл кварца перпендикулярно оси кристалла и увидел вращение линейно поляризованного света на срезанном кристалле кварца.

Ученый Жан Батист Био заметил, что вращение оси поляризации существует и в некоторых жидкостях и газах органических веществ. Его убеждение: оптическая активность каким-то образом связана со структурой химического соединения.

Химик Луи Пастер продолжил работу Био, изучая оптическую активность кристаллических форм некоторых солей винной и рацемической кислот с помощью поляриметра. Он понял, что существует четыре различных изомера: против часовой стрелки D (–) 17, по часовой стрелке L (+) 16, так называемый рацемический и один, называемый мезовинной кислотой 18. Мезоформа не вращает плоскость поляризованный свет. Осознав это, он заложил основу для развития поляриметрии.

Поляризация, важное свойство света

Поляризация солнечного света в атмосфере Земли невидима для человека. Для некоторых насекомых, таких как кузнечики, пчелы и муравьи, это ощутимо. Пчелы и другие насекомые используют его как средство навигации, они меняют направление своего полета в зависимости от поляризации падающего света.

Некоторые виды тропических бабочек даже отражают поляризованный свет своими крыльями по определенной схеме. Этот поляризованный «маяк» привлекает самок для спаривания. Явления поляризации скрыты от нас, людей. Мы должны использовать физические инструменты, чтобы наблюдать эффекты поляризации.

Поляризационный фильтр и плоскость колебаний света

Свет, окружающий нас, неполяризован. Это означает, что каждая световая волна колеблется случайным образом в одном пространственном направлении. Для преобразования неполяризованного света в поляризованный используются поляризационные фильтры. Как и поляриметры.

Поляризационный фильтр пропускает только свет с определенным направлением поляризации и подавляет свет с другими направлениями поляризации. Свет, прошедший через поляризационный фильтр, называется поляризованным.

Когда поляризованный свет проходит через второй фильтр, расположенный параллельно первому фильтру, плоскость колебаний сохраняется, и свет достигает экрана. Если второй фильтр повернуть на 90°, он подавляет луч поляризованного света; экран позади него остается темным.

Личный эксперимент

Очень хороший эффект можно увидеть, когда вы поворачиваете 3D-очки или поляризованные солнцезащитные очки перед ЖК-экраном компьютера. При определенном угле поворота прозрачность исчезает. Если очки повернуть дальше, обзор появится снова. Просто попробуйте.

Как измерять поляриметрами?

Оптически активные вещества изменяют направление поляризации световой волны. Оптически активны хиральные вещества, имеющие молекулярные системы, результатом асимметрии которых является хиральность.
Эти хиральные вещества имеют пару несовместимых друг с другом зеркальных форм. Примерами оптически активных сред являются сахар, молочная кислота, кварц, кальцит и хлорат натрия.

Если трубку без оптически активного вещества поместить между двумя параллельными поляризационными фильтрами, плоскость колебаний сохраняется. Свет будет виден на экране в конце.
Если пробирку наполнить оптически активным веществом, например Б. раствором сахарного песка, изменение становится видимым.

… Действие оптически активного вещества имеет следующий эффект: свет на обратной стороне экрана становится гораздо менее заметным. Это происходит потому, что изменилась плоскость колебаний света. Причина: раствор сахара, как оптически активное вещество, повернул направление поляризации. Угол поворота зависит от длины пути в растворе и от концентрации самого раствора, а также от сорта сахара.

Если трубка заполнена сахарным песком (сахарозой), угол вращения правовращающий (по часовой стрелке).

Если трубка заполнена чистой фруктозой, угол вращения левовращательный (против часовой стрелки).

Другой пример: по часовой стрелке - и против часовой стрелки молочная кислота

Молочные кислоты различаются пространственным расположением ОН-группы у центрального атома углерода. Символ элемента говорит о пространственном расположении, но не об угле поворота по часовой стрелке (+) или против часовой стрелки (–). Эта информация получена из (+) и (-).

Пример: в случае L (+) молочной кислоты по часовой стрелке группа OH находится слева (L для греческого laevo = слева). В случае D (-) молочной кислоты против часовой стрелки группа OH находится справа (D для греческого dextro = справа).

Квашеная капуста и натуральные молочные продукты богаты молочнокислыми и молочнокислыми культурами, вращающимися по часовой стрелке. Молочные кислоты, вращающиеся против часовой стрелки, продуцируются продуктами метаболизма некоторых кишечных микробов. Обычно наше тело состоит почти исключительно из молочной кислоты, вращающейся по часовой стрелке. В то время как у нас есть специфический фермент для L (+) – молочной кислоты, который вызывает быструю деградацию, молочная кислота метаболизируется против часовой стрелки очень медленно. По этой причине младенцы не должны потреблять молочную кислоту против часовой стрелки в первые двенадцать месяцев жизни. Их не совсем зрелый кишечник переполнен деградацией.

Важность для фармацевтической промышленности
Многие основные фармакологические агенты являются оптически активными из-за их хиральности и присутствуют в виде энантиомеров. Энантиомеры (сравнимые с левой и правой рукой) обычно лишь незначительно различаются по своим физическим свойствам, таким как плотность или показатель преломления. Их трудно различить и разделить таким образом даже с помощью ВЭЖХ (метод жидкостной хроматографии). Все эти факторы делают еще более важными различия в их способности реагировать с ферментами и сенсорных характеристиках, таких как запах и вкус или физиологический эффект лекарства.

Ярким примером здесь является талидомид: это вещество было в снотворном в виде рацемата (соотношение энантиомеров 1:1). Один из энантиомеров обладал тератогенным действием, т.е. при приеме вызывал пороки развития при беременности у эмбриона. Это ясно и убедительно демонстрирует, что высокоселективный анализ оптического вращения может играть ключевую роль в фармацевтической промышленности.

Что именно измеряет поляриметр?

Поляриметр измеряет направление и степень вращения плоскости поляризации. В зависимости от типа прибора анализатор поворачивается вручную или автоматически до тех пор, пока на детектор не попадет максимальная интенсивность света. Поляриметр представляет собой совокупность источника света, поляризатора, поляриметрической трубки, анализатора и детектора.

В промышленности и в лабораториях с большим количеством измерений используются цифровые поляриметры. В этих устройствах анализатор и детектор управляются автоматически электронным способом. Короткое время измерения, составляющее несколько секунд на измерение, и компьютерный интерфейс позволяют выполнять множество серий измерений.

Что влияет на измерение?

В поляриметрии угол поворота дает информацию о молекулярной структуре, чистоте и концентрации оптически активного вещества, а иногда вы получаете информацию об используемом растворителе.
На оптическую активность также влияют температура, длина волны света и длина оптического пути — чем длиннее путь света через оптически активное вещество, тем больше угол поворота.
Кроме того, для измерения важны концентрация вещества и тип растворителя. Эти переменные очень важны для правильного определения угла поворота.

Применение поляриметра

Угол поворота позволяет установить идентичность и качество веществ, а также их концентрацию в смесях. Он также может указывать на ход реакций и превращений. Поляриметры используются в самых разных областях — от определения чистоты и концентрации ингредиентов в фармацевтических препаратах до проверки зрелости сельскохозяйственных продуктов и измерения содержания сахара в напитках и конфетах.