Использование поляриметрии для определения концентрации оптически активных веществ (стр. 1 из 2)

Лабораторная работа

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОЛЯРИМЕТРИИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ОПТИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ

Приборы и принадлежности: Поляриметр СМ-3, кювета
с желатином, глюкоза и сахароза.

Цель работы: изучить явления поляризации света и оптической активности. Изучить устройство поляриметра и научиться работать с ним. Приобрести начальные умения в определении концентрации оптически активных веществ с помощью поляриметра.

Краткая теория

Оптической активностью называется вращение плоскости поляризации света при прохождении через оптически активные вещества. К таковым относятся углеводы, аминокислоты, белки, антибиотики и многие лекарственные вещества. Метод исследования вещества, основанный на использовании явления вращения плоскости поляризации света, называется поляриметрией. Поляриметрия широко применяется в медицине, биофизике и фармации для определения концентрации оптически активных веществ в растворе, для определения чистоты лекарственных препаратов, изучения превращений биополимеров.
Свет представляет собой электромагнитную волну. Она рас-пространяется вдоль вектора скорости распространения волны c, абсолютная величина которого равна скорости света в данной среде. Электромагнитная волна характеризуется напряженностями слагающих ее электрического поля (Е) И магнитного поля (Н). В плоской волне все три вектора взаимно перпендикулярны (рис. 7.1). Поскольку вектора Е и Н перпендикулярны направлению распространения, электро-магнитные волны (и соответственно свет) являются поперечными.

Рис. 7.1. Взаимная ориентация векторов

и в плоской волне: L – плоскость поляризации (а); проекция вектора напряженности электрического поля на плоскость M, перпендикулярную L, для плоскополярзованного света (б); то же для естественного света (в); проекция вектора напряженности элекстрического поля Е на оси x и z - Ex и Ez (г)

Плоскость L, проходящую через вектор напряженности электрического поля E и вектор скорости распространения волны с, называют плоскостью поляризации. Волна, у которой вектор напряженности электрического поля Е лежит в одной плоскости (плоскости поляризации), называют плоскополяризованной (рис. 7.1). Ряд веществ обладает разными оптическими свойствами для разных поляризаций, например, свет с одной поляризацией проходит почти полностью, а с прочими - сильно поглощается. Такими свойствами обладает так называемая поляроидная пленка.
Если через такую пленку (назовем ее анализатор) рассматривать естественный свет, который излучает Солнце или ряд других источников света, то при любом повороте такой пленки в плоскости, перпендикулярной лучу, интенсивность проходящего света не изменяется. Если же на пути этого луча предварительно поставить еще одну такую пленку (ее называют поляризатор) и повторить эксперимент, то окажется, что дважды за период вращения анализатора измеряемая интенсивность I света меняется от нуля до максимального значения I0 и подчиняется закону Малюса:

, (7.1)
где φ - угол вращения, отсчитываемый от положения с максимальной интенсивностью света (рис. 7.1). Таким образом,
поляризатор - это устройство, которое из естественного света делает поляризованный.
Плоскость, в которой у поляризованного света лежит вектор напряженности электрического поля Е, называется главной. В качестве поляризатора, кроме поляроидной пленки, можно использовать специальные оптические устройства (призму Николя и др.).
Механизм действия поляризатора состоит в следующем. Ре-альные электромагнитные волны есть сумма волн, излученных отдельными атомами. В естественном свете, который излучает Солнце и ряд других источников в данном направлении, если смотреть навстречу лучу, то у каждой волны вектор напряженности электрического поля Е лежит в своей плоскости (рис. 7.1в). Пусть поляризатор пропускает только свет, у которого плоскость поляризации совпадает с осью z. Тогда вектор Е с амплитудой Е0 можно представить как сумму двух векторов - его проекций на ось х - Ех и на ось z - . Из них сквозь поляризатор пройдет только вторая. Поскольку интенсивность I пропорциональна квадрату напряженности поля, возведя Ez в квадрат, получим закон Малюса.
Вращением плоскости поляризации называется поворот этой плоскости при прохождении через вещество. Вещества, способные вращать плоскость поляризации, называются оптически активными. К ним относятся органические асимметричные молекулы, лишенные зеркальной симметрии. Угол вращения a зависит от длины волны, природы вещества, его концентрации с в растворе, толщины слоя раствора:
, (7.2)
где [a0]D CL - удельное вращение. В этой формуле концентрация C измеряется в единицах г/100 мл раствора; толщина слоя L - в дм. Соответственно величина [a0]DCL имеет размерность: град/((г/100 мл р-ра) • дм). Нижний индекс D в ее обозначении указывает, что эта величина измерена на длине волны 589 нм, соответствующей оранжевому излучению D-линии натрия. Указание на длину волны связано с тем, что величина удельного вращения на длине волны .
Используя формулу (7.2), можно определить концентрацию C:
. (7.3)
Одни вещества вращают плоскость поляризации по часовой стрелке, если смотреть навстречу лучу, выходящему из раствора, их называют правовращающими, другие - против часовой стрелки, их называют левовращающими. Соответственно значения [α0]D могут быть обоих знаков.

Применение поляриметрии в медицинских и биофизических исследованиях:

-измерение концентрации сахаров в растворах;
-измерение степени спиральности белков;
-исследование переходов спираль-клубок в биополимерах;
-контроль денатурации и ренатурации биополимеров под влиянием температуры и различных химических веществ.
Схема поляриметра, основные части, их назначение Поляриметр круговой СМ-3 предназначен для измерения угла вращения плоскости поляризации оптически активными прозрачными растворами (рис. 7.2).

Рис. 7.2. Оптическая схема поляризатора; И – источник света;

СФ – светофильтр; П – поляризатор; ФП – фазовая пластинка; К – кювета с исследуемым веществом; А – анализатор с отчетным устройством; О – окуляр

Половина пучка поляризованного света перекрывается фазовой пластинкой (ФП). Последняя нужна, чтобы обеспечить полутеневой отсчет, который существенно повышает точность измерений (рис. 7.3).

Рис. 7.3. Принцип полутеневого отсчета: кривые – зависимости интенсивности света, прошедшего через поляризатор (кривая 1) и поляризатор + фазовая пластинка (кривая 2) при изменении угла поворота анализатора φ от 0 до π. В кружках – изображения яркости полей зрения при разных углах поворота анализатора: А – φ=φА – неправильная настройка на максимальную яркость; В и Г – расстройки: φВ<φБ – угол вращения меньше угла с минимальной яркостью φБ; φГ> φБ – угол вращения больше угла с минимальной яркостью φБ. Белый цвет – большая яркость, черный – малая

Принцип полутеневого отсчета используется в связи с тем, что глаз человека с очень большой точностью сравнивает яркости двух соседних полей зрения и с гораздо меньшей точностью позволяет оценить абсолютную яркость одного поля зрения. Представим себе, что нужно найти угол, при котором поляризатор и анализатор скрещены, т.е. анализатор повернут относительно анализатора на 90°. При изменении угла поворота анализатора φ от 0 до p соответствии с законом Малюса (7.1) интенсивность прошедшего света меняется по закону:

(кривая 1). Следовательно, надо искать на этой кривой минимум, в районе которого интенсивность меняется очень слабо даже при большом изменении угла.
Пропустим половину пучка света кроме поляризатора еще через фазовую пластинку, тогда интенсивность будет изменяться по такому же закону, но со сдвигом фазы (кривая 2). Сведем яркости обоих полей зрения вместе так, как это сделано в поляриметре, т.е. в виде двух половин одного круга. При вращении анализатора на угол φ от 0 до k яркости полукругов совпадают два раза: когда угол поворота анализатора φ = φА и яркости максимальны и при φ = φБ - когда они минимальны. Для правильной настройки используют второй случай с минимальными значениями яркости. Видно, что ес-ли угол вращения меньше угла с правильной настройкой φВ < φБ, или, наоборот, больше (φг > φБ), яркости соседних полей резко меняются в противоположном направлении. Это облегчает правильную настройку - поиск угла вращения φБ.

Выполнение работы

Задание 1. Ознакомление с работой поляриметра СМ-3. Конструкция поляриметра схематично представлена на рис. 7.4.
В корпусе прибора (1) расположены источник света, светофильтр, поляризатор, фазовая пластинка. К нему крепится кюветное отделение (2) с поворачивающейся крышкой (3), через окуляр (4) наблюдается изображение полутеневого отсчета
(рис. 7.3). Ручкой 5 поворачивают анализатор. Через линзы отсчетного устройства (6) рассматриваются шкалы (7) отсчетного устройства.