- Pamats
- Polarimetra veidi
- Rokasgrāmatas
- Automātiska un digitāla
- Darbība un detaļas
- Laurenta polarimetrs
- Biota likums
- Priekšrocības un trūkumi
- Manuālā polarimetra priekšrocības un trūkumi
- Automātisko un digitālo polarimetru priekšrocības un trūkumi
- Lietojumprogrammas
Polarimetriski mēra rotāciju polarizētās gaismas staru tiek pakļauts kad tā iet caur optiski aktīvu vielu, kas var būt stikla (piem turmalīna) vai cukura šķīdumu.
Tā ir vienkārša metode, kas pieder pie optiskajām analīzes metodēm un kurai ir daudz pielietojumu, jo īpaši ķīmiskajā un lauksaimniecības un pārtikas rūpniecībā cukuroto šķīdumu koncentrācijas noteikšanai.
1. attēls. Digitālais automātiskais polarimetrs. Avots: Wikimedia Commons. A.KRÜSS Optronic GmbH, http://www.kruess.com/labor/produkte/polarimeter
Pamats
Šīs tehnikas fiziskais pamats ir gaismas kā elektromagnētiskā viļņa īpašībās, kas sastāv no elektriska un magnētiska lauka, kas pārvietojas savstarpēji perpendikulāri.
Elektromagnētiskie viļņi ir šķērseniski, un tas nozīmē, ka šie lauki, savukārt, izplešas tiem perpendikulārā virzienā saskaņā ar 2. attēlu.
Tomēr, tā kā lauku veido daudzi viļņu vilcieni, kas nāk no katra atoma, un katrs no tiem svārstās dažādos virzienos, dabiskais apgaismojums vai tas, kas nāk no kvēlspuldzes, nav polarizēts.
Turpretī, kad lauka svārstības notiek preferenciālā virzienā, tiek uzskatīts, ka gaisma ir polarizēta. To var panākt, ļaujot gaismas staram iziet cauri noteiktām vielām, kas var bloķēt nevēlamās sastāvdaļas, un caur kurām var iziet tikai viena.
2. attēls. Elektromagnētiskā lauka animācija, kas izplatās pa x asi. Avots: Wikimedia Commons. And1mu.
Ja papildus gaismas vilnis sastāv no viena viļņa garuma, mums ir lineāri polarizēts monohromatiskais stars.
Materiālus, kas to izmanto kā filtrus, sauc par polarizatoriem vai analizatoriem. Un ir vielas, kas reaģē uz polarizētu gaismu, pagriežot polarizācijas plakni. Tās ir pazīstamas kā optiski aktīvās vielas, piemēram, cukuri.
Polarimetra veidi
Parasti polarimetri var būt: manuāli, automātiski, pusautomātiski un digitāli.
Rokasgrāmatas
Manuālos polarimetrus izmanto mācību laboratorijās un mazās laboratorijās, savukārt automātiskiem tiem ir priekšroka, ja nepieciešams liels skaits mērījumu, jo tie samazina mērījumiem patērēto laiku.
Automātiska un digitāla
Automātiskajam un digitālajam modelim ir fotoelektriskais detektors - sensors, kas izstaro reakciju uz gaismas maiņu un ievērojami palielina mērījumu precizitāti. Ir arī tādi, kas piedāvā lasīšanu digitālā ekrānā, un tos ir ļoti viegli vadīt.
Lai ilustrētu polarimetra vispārējo darbību, turpmāk aprakstīts manuālais optiskais tips.
Darbība un detaļas
Pamata polarimetrs izmanto divas Nicol prizmas vai Polaroid loksnes, starp kurām atrodas analizējamā optiski aktīvā viela.
Viljams Nikols (1768-1851) bija skotu fiziķis, kurš lielu daļu savas karjeras veltīja instrumentēšanai. Izmantojot kalcīta vai Islandes lāpstiņas kristālu, minerālu, kas spēj sadalīt krītošo gaismas staru, Nikols 1828. gadā izveidoja prizmu, ar kuru varēja iegūt polarizētu gaismu. To plaši izmantoja polarimetru būvniecībā.
4. attēls. Divslīpējošs kalcīta kristāls. Avots: Wikimedia Commons. APN MJM.
Polarimetra galvenās daļas ir:
- Gaismas avots. Parasti nātrija, volframa vai dzīvsudraba tvaika lampa, kuras viļņa garums ir zināms.
- Polarizatori. Vecāki modeļi izmantoja Nicol prizmas, savukārt modernāki parasti izmanto Polaroid loksnes, kas izgatavotas no garās ķēdes ogļūdeņraža molekulām ar joda atomiem.
- parauga turētājs. Kur ievieto analizējamo vielu, kuras garums ir mainīgs, bet precīzi zināms.
- Okulārs un indikatori, kas aprīkoti ar vernera svariem. Novērotājam precīzi izmērīt parauga rotācijas jaudu. Automātiskajiem modeļiem ir fotoelektriski sensori.
- Papildus temperatūras un viļņa garuma indikatori. Tā kā daudzu vielu rotācijas jauda ir atkarīga no šiem parametriem.
5. attēls. Manuālā polarimetra shēma. Avots: Chang, R. Ķīmija.
Laurenta polarimetrs
Aprakstītajā procedūrā ir nelielas neērtības, kad novērotājs pielāgo gaismas minimumu, jo cilvēka acs nespēj noteikt ļoti mazas gaismas izmaiņas.
Lai novērstu šo problēmu, Laurent polarimetrs pievieno pusviļņu garumu aizkavējošu pusloksni, kas izgatavota no divslīdoša materiāla.
Tādā veidā novērotājam skatītājā ir divi vai trīs blakus esoši dažāda spilgtuma reģioni, kurus sauc par laukiem. Tas acij ļauj vieglāk atšķirt gaismas līmeņus.
Jums ir visprecīzākais mērījums, kad analizatoru pagriež tā, lai visi lauki būtu vienādi blāvi.
6. attēls. Polarimetra manuālais nolasījums. Avots: F. Zapata.
Biota likums
Biota likums saista optiski aktīvās vielas rotācijas jaudu α, ko mēra seksa geimos, ar šīs vielas koncentrāciju c, ja tā ir šķīdums, un optiskās sistēmas ģeometriju.
Tāpēc polarimetra aprakstā tika uzsvērts, ka bija jāzina gaismas un parauga turētāja viļņu garuma vērtības.
Proporcionalitātes konstante tiek apzīmēta un saukta par risinājuma īpatnējo rotācijas jaudu. Tas ir atkarīgs no krītošās gaismas viļņa garuma λ un parauga temperatūras T. Konkrēti, kuru viļņa garums ir 589,3 nm, 20 tabulas vērtības tabulā norāda tabulā.
Atkarībā no analizējamā savienojuma veida Biota likumiem ir dažādas formas:
- Optiski aktīvās cietās vielas: α = .ℓ
- Tīri šķidrumi: α =. ℓ.ρ
- Šķīdumi ar izšķīdinātām vielām, kurām ir optiskā aktivitāte: α =. ℓ.c
- Paraugi ar vairākiem optiski aktīviem komponentiem: ∑α i
Ar šādiem papildu daudzumiem un to vienībām:
- Parauga turētāja garums: ℓ (cietām vielām mm un šķidrumiem dm)
- šķidrumu blīvums: ρ (g / ml)
- Koncentrācija: c (g / ml vai molaritāte)
Priekšrocības un trūkumi
Polarimetri ir ļoti noderīgi laboratorijas instrumenti dažādās jomās, un katram polarimetra veidam ir priekšrocības atbilstoši tā paredzētajam lietojumam.
Pati tehnikas liela priekšrocība ir tā, ka tas ir nesagraujošs tests, kas ir piemērots, analizējot dārgus, vērtīgus paraugus vai kuru kaut kādu iemeslu dēļ nevar dublēt. Tomēr polarimetrija nav piemērojama nevienai vielai, tikai tām, kurām ir optiskā aktivitāte, vai hirālām vielām, jo tās arī ir zināmas.
Jāņem vērā arī tas, ka piemaisījumu klātbūtne rezultātos rada kļūdas.
Analizētās vielas radītais griešanās leņķis atbilst tās īpašībām: molekulu tipam, šķīduma koncentrācijai un pat izmantotajam šķīdinātājam. Lai iegūtu visus šos datus, precīzi jāzina izmantotās gaismas viļņa garums, temperatūra un parauga turētāja trauka garums.
Izvēloties piemērotu aprīkojumu, izšķiroša ir precizitāte, ar kuru vēlaties analizēt paraugu. Un arī tās izmaksas.
Manuālā polarimetra priekšrocības un trūkumi
- Tās mēdz būt lētākas, kaut arī ir arī zemas cenas digitālās versijas. Runājot par to, piedāvājuma ir daudz.
- Tie ir piemēroti izmantošanai mācību laboratorijās un kā apmācība, jo tie palīdz operatoram iepazīties ar tehnikas teorētiskajiem un praktiskajiem aspektiem.
- Gandrīz vienmēr to uzturēšana ir zema.
- Tie ir izturīgi un izturīgi.
- Mērījumu lasīšana ir nedaudz darbietilpīgāka, īpaši, ja analizējamajai vielai ir zema rotācijas jauda, tāpēc operators parasti ir specializēts personāls.
Automātisko un digitālo polarimetru priekšrocības un trūkumi
- Tie ir viegli apstrādājami un lasāmi, un to darbībai nav nepieciešams specializēts personāls.
- Digitālais polarimetrs var eksportēt datus uz printeri vai atmiņas ierīci.
- Automātiskajiem polarimetriem nepieciešams mazāks mērīšanas laiks (apmēram 1 sekunde).
- Viņiem ir iespējas izmērīt ar intervālu.
- Fotoelektriskais detektors ļauj analizēt vielas ar mazu rotācijas jaudu.
- Efektīva temperatūras kontrole, parametrs, kas visvairāk ietekmē mērījumu.
- Daži modeļi ir dārgi.
- tiem nepieciešama apkope.
Lietojumprogrammas
Polarimetrijai ir liels skaits lietojumu, kā minēts sākumā. Teritorijas ir dažādas, un analizējamie savienojumi var būt arī organiski un neorganiski. Šie ir daži no tiem:
- Farmaceitiskās kvalitātes kontrolē, palīdzot noteikt, vai zāļu ražošanā izmantotajām vielām ir atbilstoša koncentrācija un tīrība.
- Pārtikas rūpniecības kvalitātes kontrolei, analizējot cukura tīrību, kā arī tā saturu dzērienos un saldumos. Šādi izmantotie polarimetri tiek saukti arī par saharimetriem, un tie izmanto noteiktu skalu, kas atšķiras no tās, ko izmanto citās lietojumprogrammās: ºZ skala.
7. attēls. Cukura satura kontroli vīnos un augļu sulās veic ar polarimetriju. Avots: Pixabay.
- Arī pārtikas tehnoloģijā to izmanto, lai atrastu cietes saturu paraugā.
- Astrofizikā polarimetriju izmanto, lai analizētu gaismas polarizāciju zvaigznēs un pētītu magnētiskos laukus, kas atrodas astronomiskajā vidē, un to lomu zvaigžņu dinamikā.
- Polarimetrija ir noderīga acu slimību noteikšanai.
- Ar satelīta tālvadības ierīcēm kuģu novērošanai atklātā jūrā, piesārņojuma zonām okeāna vidū vai uz sauszemes, pateicoties lielu kontrastu attēlu uzņemšanai.
- Ķīmiskajā rūpniecībā izmanto polarimetriju, lai atšķirtu optiskos izomērus. Šīm vielām ir identiskas ķīmiskās īpašības, jo to molekulām ir vienāds sastāvs un struktūra, bet viena ir spoguļattēls otrai.
Optiskie izomēri atšķiras pēc tā, kā tie polarizē gaismu (enantiomēri): viens izomērs to dara pa kreisi (ar kreiso roku) un otrs pa labi (ar labo roku), vienmēr no novērotāja viedokļa.
- AGS analītiskā. Kam paredzēts polarimetrs? Atgūts no: agsanalitica.com.
- Chang, R. Ķīmija. 2013. vienpadsmitais izdevums. Makgreiva kalns.
- Gavira, J. Polarimetrija. Atgūts no: triplenlace.com.
- Zinātniskie instrumenti. Polarimetri. Atgūts no: uv.es.
- Valensijas Politehniskā universitāte. Polarimetrijas piemērošana
cukura tīrības noteikšanai. Atgūts no: riunet.upv.es.