Ирина Эланс
Теоретические основы метода поляриметрии
Введение
В аналитической химии часто приходится сталкиваться с определением малых количеств (следов) веществ. Например, содержание примесей в чистых металлах исчисляется тысячными долями процента. Содержание такого количества вещества невозможно определить химическими методами, в таких случаях приходится использовать оптические методы анализа.
К ним относятся методы, основанные на взаимодействии светового излучения с суспензиями:
- турбодиметрия и нефелометрия — анализ основан на поглощении и рассеянии лучистой энергии взвешенными частицами определяемого вещества;
- флуорометрия — основан на измерении вторичного излучения, возникающего при взаимодействии лучистой энергии с анализируемым соединением;
Также к ним относятся методы, которые базируются на явлении поляризации молекул под действием светового излучения:
- рефрактометрия — измерение показателя преломления;
- поляриметрия — измерение угла вращения плоскости поляризации поляризованного луча света, прошедшего через оптически активную среду;
- интерферометрия — измерение сдвига интерференции световых лучей при прохождении их через кюветы с раствором вещества.
Оптические методы анализа неразрывно связаны с использованием современных приборов различной сложности, что увеличивает стоимость анализа, но дает ряд преимуществ по сравнению с классическими химическими методами: экспрессность, неразрушаемость образца, простоту методики, потребность в небольших количествах веществ для анализа, возможность анализировать соединения любой природы и проводить экспресс-анализ многокомпонентных смесей. Кроме того, они повышают чувствительность, точность и воспроизводимость результатов количественных определений.
В настоящее время в пищевой (производство масел, жиров) и фармацевтической промышленности для исследования строения оптически активных веществ и измерения их концентрации широко применяется поляриметрический метод анализа, основанный на измерении поляризационных свойств прошедшего через тестируемое вещество квазимонохроматического излучения различных спектральных диапазонов.
- Теоретические основы метода поляриметрии
Атомы молекул некоторых веществ способны поляризоваться, т.е. приобретать дипольный момент в электрическом поле. Поляризация атомов обусловлена смещением в молекуле атомов разного типа, что связано с несимметричным распределением в молекуле электронной плотности – ассиметрические атомы. Вещества, содержащие такие атомы, обладают оптической активностью. Они способны вызывать вращение плоскости поляризации проходящего через исследуемое вещество света.
Метод исследования веществ, основанный на измерении величины угла вращения плоскости поляризации света при прохождении его через оптически активные вещества, называется поляриметрией. Величина такого вращения в растворах зависит от их концентрации, поэтому поляриметрию широко применяют для измерения концентрации оптически активных веществ, например сахаров.
Вещества, обладающие свойством изменять направление колебаний при прохождении через них поляризованного света, называются оптически анизотропными, или оптически активными.
Оптическая активность веществ обусловлена особенностями строения кристаллической решетки - в этом случае вещества проявляют оптическую активность только в твердом кристаллическом состоянии, или особенностями строения молекул - оптическая активность таких веществ проявляется только в растворах.
К веществам последней группы относятся главным образом такие органические вещества, как сахароза, фруктоза, глюкоза, винная кислота.
Поляриметрический метод разработан для количественного определения веществ именно этой группы.
Оптическая активность вещества характеризуется удельным вращением, под которым понимается угол, на который повернется плоскость поляризации при прохождении поляризованного луча через раствор, в 1 мл которого содержится 1 г растворенного вещества, при толщине слоя раствора (длине поляризационной трубки), равной 1 дм.
Под плоскостью поляризации понимается плоскость, проходящая через поляризованный луч перпендикулярно направлению его колебаний.
Удельное вращение зависит не только от природы вещества, но и от температуры, длины поляризованного света и растворителя, поэтому его принято относить к температуре 200С и желтой линии натрия и обозначать [σ] с указанием растворителя.
Угол вращения плоскости поляризации [α] определяют по формуле
α = [σ] ,
где l – длина трубки, дм;
с – концентрация вещества, г/100 мл;
σ – удельное вращение, град
Вычисляем количество вещества в граммах, содержащееся в 100 мл раствора, т.е. концентрацию (с).
с = ,
Исследования методом поляриметрии осуществляют с помощью прибора поляриметра или его разновидностью сахариметра, с помощью которого можно определять содержание сахарозы в растворе неизвестной концентрации без предварительного взятия навески.
Поляриметрический оптический метод широко используют в практике анализа пищевых продуктов, а именно для количественных определений жиров, масел, сахаристых и других веществ
1.1 Закон Био
Зависимость угла вращения плоскости поляризации линейно поляризованного света, проходящего через слой оптически активного вещества, от его толщины.
Описание:
Закон Био - закон, определяющий угол поворота j плоскости поляризации линейно поляризованного света, проходящего через слой аморфного вещества с естественной оптической активностью (твёрдое тело, раствор или пары):
j = [a]•d•c,
где [a] - постоянная вращения или удельная оптическая активность, d - толщина слоя вещества, с - его концентрация.
Закон установлен Ж. Б. Био. В 1811 году Био независимо от Э. Малюса открыл поляризацию света при его преломлении веществом, в 1815 году независимо от Д. Араго и Д. Брюстера обнаружил и исследовал круговую поляризацию света. В том же году открыл закон вращения плоскости поляризации света (закон Био) и обнаружил наличие веществ, поворачивающих плоскость поляризации вправо или влево - оптически активные, хиральные вещества. Установил неизвестные ранее оптические свойства у некоторых органических соединений, например у раствора сахара. Проведя серию экспериментов, Био получил зависимость угла поворота плоскости поляризации от концентрации раствора, заложив тем самым основу сахарометрии.
В зависимости от направления поворота плоскости поляризации различают право- и левовращающие вещества. Закон Био выражает пропорциональность угла поворота j числу молекул на пути светового луча. Значение [a] определяется природой вещества, слабо зависит от температуры, существенно от длины волны света λ (в первом приближении [a] ~ 1/λ2 и изменяется более сложным образом вблизи полос поглощения вещества) и может значительно изменяться при изменении растворителя вследствие влияния последнего на внутримолекулярные процессы в растворённом веществе.
Оптически активные вещества - вещества, вращающие плоскость поляризации проходящего через них света. Оптически активные вещества делятся на две группы. В первой из них оптическая активность связана с асимметричным строением молекулы, не имеющей ни центра, ни плоскостей симметрии, то есть хиральной. В этом случае оптическая активность вещества проявляется во всех агрегатных состояниях и растворах. Ко второй группе относятся вещества, оптическая активность которых связана с асимметричной структурой самого вещества. Для веществ, оптически активных лишь в асиметричных состояниях (кварц, киноварь и пр.), удельная оптическая активность обозначается просто a и формула Био записывается в виде j = a*d. Другие вещества активны в любом агрегатном состоянии; это означает, что их оптическая активность определяется свойствами отдельных молекул. Удельная оптическая активность зависит не только от рода вещества, но и от агрегатного состояния, температуры, давления, типа растворителя и т. д. Типичные значения [a] в град/дм·г/см3: 66,473+0,0127 с (раствор в воде); 14,83—0,146 с (виннокаменная кислота в воде); –3,068+0,08959 с и –5,7 (яблочная кислота в воде и ацетоне соответственно); –37 (скипидар в воде); 40,9+0,135 с (камфора в этиловом спирте). Здесь с — концентрация растворенного вещества в г на 100 см3 раствора. Первые две величины верны в интервалах концентраций 0—50, [a] для камфары — в интервале 10—50, остальные — при любой концентрации (если вообще зависят от нее) . Эти значения приведены для стандартных условий: длины волны света 589.3 нм (D-линия) и температуры 20 °С.
Закон Био практически всегда выполняется в области низких концентраций, в то время как при высоких концентрациях имеют место существенные отклонения.
1.2 Международная сахарная шкала
Шкала поляриметра-
Пользуясь международной сахарной шкалой, можно непосредственно определять массовую долю сахарозы (%) в анализируемом продукте. Для этого взвешивают 26,0000 г продукта и растворяют его в дистиллированной воде в мерной колбе вместимостью 100 см3. Приготовленный раствор поляриметрируют в трубке длиной 2 дм. Показания шкалы прибора соответствуют массовой доле сахарозы в пробе.
Для лактозы и глюкозы (гексозы) стандартная масса навески продукта составляет 33,0000 г; одно деление шкалы соответствует содержанию гексозы 0,33 г.
- Определение концентрации сахара по углу поворота плоскости поляризации
Раствор сахара является оптически активным веществом. Как известно, величина угла поворота Dj плоскости поляризации линейно поляризованного света прямо пропорциональна концентрации с оптически активного вещества и длине пути L, пройденного светом в этом веществе. Таким образом, график зависимости Dj от с представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат (при постоянной L). Используя график этой зависимости можно определить неизвестную концентрацию оптически активного вещества. Для этого достаточно измерить величину Dj при той же длине L и по графику найти значение концентрации Сx, соответствующей измеренной величине Dj.
Порядок выполнения:
Водный раствор сахара залить в четыре кюветы одинаковой длины. Концентрация сахара в трех кюветах известна, а концентрацию в четвертой кювете надо определить.
1. До размещения кюветы
в гнезде поляриметра
2. Вставьте в гнездо
поляриметра кювету с
Dj=j0-j1
3. Повторите это действие, используя растворы с известной (не менее четырех) и неизвестной концентрацией сахара.
4. Постройте графики зависимости Dj=f(C) для эталонных растворов, и по этому графику определите концентрацию Сx и погрешность ее определения.
- Мешающие факторы при поляриметрических измерениях
При каждом преломлении и отражении от поверхности, не перпендикулярной направлению света, происходит изменение состояния поляризации падающего света. Из этого следует, что любой вид мутности и пузырей в исследуемом веществе вследствие множества поверхностей сильно снижает поляризацию, и чувствительность измерения может снизиться ниже допустимого уровня. То же самое относится к загрязнениям и царапинам на окнах кювет и на защитных стеклах источника света.
Термические и механические напряжения в защитных стеклах и окнах кювет приводят к двойному преломлению и, следовательно, к эллиптической поляризации, которая накладывается на результат измерения в виде кажущегося поворота. Так как эти явления в большинстве случаев неконтролируемы и не постоянны во времени, следует тщательно следить, чтобы механические напряжения в оптических элементах не появились.
Сильная зависимость оптической активности от длины волны (вращательная дисперсия), которая, например, для сахарозы составляет 0,3%/нм в области видимого света, заставляет использовать в поляриметрии предельно узкие полосы спектра, что обычно требуется лишь в интерферометрии. Поляриметрия является одним из самых чувствительных оптических методов измерения (отношение порога чувствительности к диапазону измерения 1 * 104), поэтому для полноценных поляриметрических измерений можно использовать лишь строго монохроматический свет, т. е. изолированные линии спектра. Горелки высокого давления, которые обеспечивают высокую интенсивность света, непригодны для поляриметрии вследствие расширения спектральных линий при изменении давления и повышенной для этого случая доли фона сплошного излучения. Применение более широких спектральных полос возможно лишь для приборов, в которых предусмотрена компенсация вращательной дисперсии, как, например, в приборах с компенсацией при помощи кварцевого клина (сахариметр с кварцевым клином) и приборах с компенсацией по эффекту Фарадея. В приборах с кварцевым клином возможности компенсации при измерении сахарозы ограничены. При компенсации по эффекту Фарадея путем соответствующего выбора материала вращательную дисперсию можно подчинить различным требованиям; однако достичь универсальности использованных способов не удается.
При измерении с конечной шириной спектральной полосы вблизи полос абсорбционного поглощения под действием абсорбции возникает смещение эффективного центра тяжести распределения длин волн, искажающее результаты измерения, из чего следует, что при исследовании абсорбирующих веществ нужно работать со строго монохроматическим излучением.
При контроле быстротекущих непрерывных потоков растворов возникающая вследствие двойного преломления света потоком эллиптическая поляризация может ухудшить чувствительность поляриметрических методов измерения и привести к грубым ошибкам. Эти затруднения можно устранить лишь тщательным формированием потока, например, обеспечением ламинарного параллельного потока в кюветах и снижением его скорости.
- Поляриметры
Поляриметр - прибор для измерения угла вращения плоскости поляризации монохроматического света в оптически-активных веществах.
Поляриметры используются для измерений концентрации сахаров, аскорбиновой кислоты, крахмала в растительных кормах, белков и аминокислот в растворах, а также для определения активности ферментов, расщепляющих углеводы и другие вещества.
Поскольку существует масса различных областей применения, то конструкции поляриметров могут отличаться, но ключевые элементы одинаковы.
Измерение оптической активности при помощи поляриметра:
1 — источник света, 2 — неполяризованный свет, 3 — поляризатор, 4 — поляризованный свет, 5 — кювета с раствором вещества, 6 — оптическое вращение 30°, 7 — анализатор, 8 — наблюдатель
Источником света чаще всего является натриевая лампа или лампа накаливания с тепловым экраном для защиты образца от ИК излучения и матовым стеклом, дающим равномерную засветку наблюдаемой области. Светофильтр – это элемент, выделяющий определенную область в спектре, так как наблюдать приходится монохроматический свет. Таким элементом может быть пластина из фильтрующего вещества или призма.
В поляриметрах,
построенных по схеме
Рис. 1. Принципиальная схема полутеневого поляриметра:
1 — источник света;
2 — конденсор;
3—4 — полутеневой поляризатор;
5 — трубка с измеряемым оптически-активным веществом;
6 — анализатор с отсчётным устройством;
7 — зрительная труба;
8 — окуляр отсчётного устройства (например, микроскопа-микрометра).
Рис. 2. Полутеневые поляризаторы.
Плоскости поляризации двух половин поляризатора P1 и P2 составляют между собой малый угол 2a. Поэтому, если плоскость поляризации анализатора АА перпендикулярна биссектрисе 2a (а), обе половины I и II поля зрения имеют одинаковую освещённость, т. е. не полностью погашены (полутень, откуда название). При малейшем повороте анализатора относительная освещённость I и II резко меняется (б и в).
Примеры конструкций полутеневых поляризаторов:
г — схема Липпиха; P1 и P2 — две поляризационные призмы, одна из которых закрывает половину поля зрения, А — анализатор;
д — схема
Лорана; за поляризационной призмой
Р устанавливают фазовую
Однако более распространены автоматические
поляриметры с фотоэлектрической регистрацией,
в которых та же задача сопоставления
двух интенсивностей решается поляризационной
модуляцией светового потока и выделением
на выходе приёмника света сигнала основной
частоты (рис. 3). Современные автоматические
поляриметры позволяют измерять углы
оптического вращения с точностью ~ 0,0002°.
Рис. 3. Схемы автоматических поляриметров с фотоэлектрической регистрацией, основанные на модуляции света по плоскости поляризации (схема б отличается от а лишь наличием магнитооптического модулятора М, поэтому её элементы не снабжены цифровыми обозначениями).
1 — источник света;
2 — конденсор;
3 — поляризатор-модулятор
света по плоскости
4 — ячейка (кювета)
с измеряемым оптически-
5 — анализатор;
6 — фотоприёмник;
7 — усилитель;
РД — реверсивный электродвигатель.
Промодулированный по интенсивности (после прохождения через анализатор) свет преобразуется фотоприёмником в переменное напряжение V2, усиливаемое до V'2 которое подаётся на одну из двух обмоток двухфазного РД, кинематически связанного с анализатором и отсчётным устройством. На другую обмотку подаётся синусоидальное (модулирующее) напряжение V1; его частота равна частоте первой гармоники модулируемого света. РД автоматически поворачивает анализатор на угол, равный измеряемому вращению. Результат измерений не зависит от изменений интенсивности света, амплитуды угловых колебаний плоскости его поляризации и коэффициента усиления в 7, что позволяет проводить измерения для сред с большим поглощением и не требует стабилизации усиления.
Автоматические промышленные поляриметры являются новейшей ветвью поляриметрии; они должны отвечать самым высоким техническим требованиям надежности, длительной стабильности, стойкости к климатическим условиям и т. д. Специфическая и высокая чувствительность к оптически активным компонентам в любом сочетании с оптически неактивными компонентами делает промышленные поляриметры идеальными датчиками для контроля за ходом технологического процесса, в котором оптически активные вещества должны производиться или удаляться, например в фармацевтической промышленности или в производстве сахара. Обычно представляет интерес доля оптически активных веществ в многокомпонентных растворах, поэтому автоматические системы промышленного контроля и управления содержат поляриметры в сочетании с другими измерительными приборами, например с автоматическими рефрактометрами, расходомерами и датчиками температуры. При этом измерительные приборы устанавливают на основной линии производственного потока. Задания на управление и регулирование по заданной программе вырабатывают аналоговые или цифровые вычислительные машины, которые выдают также обширную отчетную документацию о ходе технологического процесса. Промышленные поляриметры уже достигли такого высокого технического уровня, что технологические установки в фармацевтической и крупной сахарной промышленности могут управляться полностью автоматически.
Практическая часть
Какова концентрация глюкозы в растворе, если при поляриметрическом определении получены значения угла оптического вращения α = 5,28; 5,24; 5,30. Для определения использовали кювету длиной 20 см; 25 мл препарата разводили в колбе объемом 50 мл. Удельное вращение [α0] глюкозы – 52,8 град.
Дано:
L=20 см
α=5,28˚;5,24 ˚;5,30 ˚
α0=52,8 град см2/г
V=50 мл
Найти:
С-?
Решение:
α=/α0/*С*L
где С – концентрация раствора
α0 – удельное вращение
α – угол вращения плоскости поляризации
L – длина трубки
Ответ:
Заключение
Поляриметрия широко применяется для исследования оптически активных веществ. Методами поляриметрии анализируются атмосфера и океаны, различные объекты окружающей среды, промышленные изделия и продукты переработки предприятий. Эффективно эти методы используются в электронной промышленности, в медицине, биологии, криминалистике и т.д. Большое значение они имеют в аналитическом контроле окружающей среды и решении экологических проблем. Методы поляриметрии рассматриваются в ряде предметов специальности “Физика”, например, в курсах “Оптические измерения” и “Строение и методы исследования вещества”.
В то же время имеется ряд особенностей исследования оптической активности химических соединений, что связано с неаддитивностью явления, не позволяющей вести расчёты на основе простой схемы, как, например, в случае молекулярной рефракции. Перспективными здесь являются методы поляриметрии, основанные на измерении поляризационных свойств прошедшего через тестируемое вещество монохроматического излучения различных спектральных диапазонов.