Поляриметрия - это оптический метод исследования, основанный на способности оптически активных соединений вращать плоскость колебания линейно поляризованного света (см. Изомерия).

Атомы и молекулы светящихся тел излучают электромагнитные волны. При полной неупорядоченности в расположении этих частиц тела испускают так называемый естественный свет, в котором колебание векторов напряженности электрического (или магнитного) поля происходит во всех плоскостях, проходящих через направление распространения световой волны. Упорядоченность в направлении колебаний полей называется поляризацией света. Такой свет, в котором колебания напряженности электрических (магнитных) полей происходят в одной плоскости, называется плоско поляризованным светом, а плоскость, в которой колеблется напряженность магнитного поля световых лучей,- плоскостью поляризации. Поляризованный свет можно получить, пропуская естественный свет через поляризующие призмы, изготовляемые из особых кристаллов. К таким кристаллам относятся кристаллы исландского шпата, из которых обычно и готовят поляризующие призмы (призмы Николя). При прохождении поляризованного света через раствор оптически активного вещества происходит вращение плоскости поляризации, но обнаружить его можно только при помощи второй такой же поляризующей призмы (анализатора). Исследование вращения плоскости поляризации используют для изучения строения оптически активных соединений, а также для количественного их определения. Оптическая активность характеризуется величиной удельного вращения [α], т. е. углом поворота плоскости поляризации раствором, содержащим в 1 мл 1 г оптически активного соединения при толщине слоя жидкости в 1 дм.

Удельное вращение рассчитывают по величине вращения раствора данного соединения с известной процентной концентрацией:

[α] = α100/l·C
где α - угол вращения в градусах, C - концентрация в %, l - толщина слоя раствора в дм. Удельное вращение меняется с изменением температуры и длины волны света. Поэтому определение проводят в монохроматическом свете прb определенной температуре. Длина волны и температура помечаются при значениях [а]. Зная из справочных таблиц удельное вращение данного соединения и определив угол вращения раствора этого соединения, легко рассчитать концентрацию:

C = α100/[α]l
Раствор не должен содержать других оптически активных соединений.

Для определения вращения плоскости поляризации применяют оптические приборы-поляриметры. Поляриметр (рис. 1) состоит из двух поляризующих призм: неподвижной - поляризатора и вращаемой - анализатора и трубки с исследуемым раствором. Угол поворота можно определить, устанавливая анализатор на равную освещенность всего поля зрения сначала без раствора, а затем с раствором оптически активного соединения. При этом анализатор надо повернуть на угол, равный углу вращения плоскости поляризации исследуемого раствора. Угол вращения отсчитывают по кругу с делениями (лимбу). Если после установки трубки с раствором а анализатор вращают по часовой стрелке, то говорят о правом (+), если против часовой стрелки - о левом (-) вращении. Для повышения точности поляриметры снабжены дополнительными деталями из кварца. В некоторых поляриметрах выравнивание освещенности после установки раствора и отсчет концентрации оптически активного вещества производится посредством линейного перемещения кварцевого клина. Точность обычных поляриметров 0,05°. Для получения монохроматического света обычно пользуются светофильтрами. Метод поляриметрии широко используется в лабораториях; в клинических лабораториях и лабораториях пищевой промышленности методом поляриметрии пользуются для определения содержания сахаров. Поляриметры, применяемые для определения содержания тростникового сахара, называются сахариметрами (рис. 2).

Рис. 1. Схемы поляриметров различных типов: а - система с двумя пластинками из бикварца; б - полутеневая с николем; в - полутеневая с двумя николями. 1 - поляризатор; 1" и 1" - николи; 2 - пластинка бикварца; 3 - трубка с раствором; 4 - анализатор (справа - схемы освещенности полей поляриметров).

Рис. 2. Клиновой поляриметр-сахариметр СОК (схема): 1 - осветитель; 2 - светофильтр; 3 - диафрагма; 4 - линза; 5 - николь; 6-трубка для исследуемого раствора; 7 - неподвижный кварцевый клин; 8 - подвижный кварцевый клин; 9 - анализатор; 10-окуляр; 11 - крышка; 12 - винт; 13 - лупа.

2. До включения прибора в сеть установите минимальную чувствительность прибора, вращая ручку «Установка 100» против часовой стрелки до упора.

3. Проверьте соответствие нулевого положения стрелки микроамперметра, при необходимости отрегулируйте его винтом 7 корректора (рис. 3).

4. Введите зеленый поглотитель «3» рукояткой «Поглотители».

5. Включить прибор в сеть.

6. Откройте крышку 1 фотоэлектроколориметра и достаньте кюветодержатель.

7. Извлеките кювету «Растворитель», заполните ее на 2/3 объема водой и установите на место. Установите кюветодержатель в фотоколориметр. Крышку кюветной камеры не закрывайте.

8. Рукояткой 3 «Кюветы» расположите кювету с растворителем на пути светового потока.

9. Установите нуль по шкале микроамперметра рукояткой 5 «Установка 0».

10. Закройте крышку 1 кюветного отделения и рукояткой 4 «Установка 100» установите стрелку микроамперметра на сотое деление.

11. Откройте крышку 1 кюветной камеры и достаньте кюветодержатель. Извлеките пустую кювету, заполните ее на 2/3 объема исследуемым раствором наименьшей концентрации и установите на место.

N в таблицу 1.

14. Откройте крышку 1 кюветной камеры и достаньте кюветодержатель. Извлеките кювету с исследуемым раствором и слейте его в баночку с раствором той же концентрации. Протрите кювету, заполните ее на 2/3 объема следующим раствором и установите на место.

15. Поставьте кюветодержатель в фотоколориметр. Рукояткой 3 «Кюветы» расположите кювету с исследуемым раствором на пути светового потока. Закройте крышку кюветной камеры.

16. Произведите отсчет по шкале микроамперметра 6 и запишите N в таблицу 1.

17. Проделайте пункты 14 – 16 с остальными растворами.

18.Проведите еще две серии опытов по пунктам 14 – 16 со всеми растворами, начиная с раствора наименьшей концентрации. Не забудьте слить последний раствор.

19.Выключите прибор из сети.

Обработка результатов измерений

	1. По значениям				N для всех опытов определите					Используя
формулу (9). Запишите результаты в таблицу 1.
	2. По таблице 2 определите D для всех (см. прим.) и ее сред-
нее значение, результаты занесите в таблицу 1.
										Таблица 2
	Примечание. В первом столбце таблицы даны значения оптиче-
ской плотности			D через 0,1, а в верхней строке помещены ее сотые

доли. На пересечении строки со столбцом приводятся соответствующие значения коэффициента пропускания. При отыскании значений оптической плотности, соответствующих значениям коэффициентов пропускания, меньших 0,081, сначала увеличьте данный коэффициент пропускания в 10 раз, затем найдите значение оптической плотности, соответствующее полученному коэффициенту пропускания, и к этому значению прибавьте единицу.

3. Рассчитайте для всех значений D ее абсолютную погрешность по формуле D | D ср D изм | , найдите среднее значение D ,

результаты занесите в таблицу 1.

Примечание. Если в результате расчета абсолютной погрешности оптической плотности получается нуль, то примите D 0, 01 .

4. По средним значениям оптической плотности D ср для всех

известных концентраций с учетом абсолютной ее погрешности постройте градуировочный график D f (C ) .

5. Отметьте на графике точку, соответствующую среднему значению оптической плотности раствора неизвестной концентрации.

6. Отметьте на графике интервал средней абсолютной погрешности оптической плотности раствора неизвестной концентрации.

7. Определите по графику значение концентрации раствора C х ,

опустив перпендикуляр на соответствующую координатную ось.

8. Определите по графику абсолютную погрешность концентрации раствора (см. пример на стр. 15).

9. Определите относительную погрешность определения концентрации неизвестного раствора по формуле:

Контрольные вопросы

1. Что называется явлением поглощения света веществом?

2. Что такое интенсивность света? В каких единицах она изме-

3. Каким законом описывается явление поглощения света веществом? Сформулируйте его и запишите математически.

4. В чем заключается физический смысл коэффициента поглощения? В каких единицах он измеряется и как обозначается?

5. Что называется коэффициентом пропускания? В каких единицах он измеряется и как обозначается?

6. Что такое оптическая плотность? В каких единицах она измеряется и как обозначается?

7. Сформулируйте и запишите закон Бера.

8. Сформулируйте и запишите закон Бугера-Ламберта.

9. Изобразите оптическую схему фотоэлектроколориметра и расскажите назначение его основных частей.

10. В чем заключается метод определения концентрации вещества в растворе фотоэлектроколориметром.

Лабораторная работа № 5

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ САХАРА В РАСТВОРЕ САХАРИМЕТРОМ

Цель работы: изучить общие закономерности поляризации света; ознакомиться с устройством и принципом работы сахариметра; определить концентрацию сахара в растворе и удельную постоянную вращения сахара.

Оборудование : сахариметр, кюветы с растворами сахара.

Основные теоретические сведения

Световое излучение является частью широкого спектра электромагнитных волн. Электромагнитной волной называется переменное магнитное и электрическое поля, взаимно порождающих друг друга и распространяющаяся в пространстве. Из электромагнитной теории света следует, что световые волны поперечны . В каждой точке на линии распространения такой волны, перпендикулярно направлению еѐ

распространения (поперѐк)	совершают колебания две векторные ха-
рактеристики : напряженность		электрического поля				индукция
					E и
магнитного поля B . Векторы E		и B взаимно перпендикулярны между
собой (рис. 1).
Вектор напряженности электрического поля называют световым
			вектором , так как фи-
			зиологическое,
			мическое,		фотоэлектри-
			ческое и другие действия
				вызываются коле-
				человека
Рис. 1. Схема электромагнитной волны			воспринимает
			электрическую

ляющую электромагнитной световой волны.

Свет представляет собой суммарное электромагнитное излучение множества атомов источника света. Атомы излучают световые волны независимо друг от друга, поэтому световая волна, излучаемая телом в целом, характеризуется всевозможными равновероятными ко-

Рис. 2. Колебания светового вектора в естественном (а) и поляризованном (б) свете

лебаниями светового вектора. Свет со всевозможными направлениями колебаний светового вектора называется естественным (рис. 2 а ).

Солнце, лампы накаливания, ртутные лампы, лампы дневного света являются источниками естественного света. Свет, в котором направления колебаний светового вектора упорядочены ка- ким-либо образом, называется по-

ляризованным (рис 2 б) . Если ко-

лебания светового вектора происходят только в одной плоскости,

свет называют плоскополяризо-

ванным . Плоскость, в которой происходят колебания светового вектора, называется плоскостью по-

ляризации (рис.3).

Поляризация света происходит при отражении света от поверхности диэлектриков, при преломлении в них, а также при прохождении света через некоторые кристаллы (кварца, турмалина, исландского шпата). Эти вещества, названные поляризаторами (поляроидами ), пропускают колебания, параллельные только одной плоскости (плоскости поляризации), и полностью задерживают колебания, перпендикулярные этой плоскости.

При попадании естественного света на границу диэлектриков (рис. 4) преломленный и отраженные световые волны оказываются частично поляризованными.

Степень поляризации отраженного луча меняется при изменении угла па-

дения. Существует угол

Рис. 3. Поляризованная волна и плоскость поляризации

Рис. 4. Поляризация света при отражении и преломлении

падения, при котором отраженный луч оказывается полностью поляризованным, а преломленный максимально возможно. Этот угол падения называется углом полной поляризации или углом Брюстера α Бр .

Угол Брюстера можно определить по одноименному закону Брюстера : если угол падения равен углу Брюстера, то

отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны, при этом тангенс угла полной поляризации равен отношению абсолютного показателя преломления второй среды к абсолютному показателю преломления первой:

Бр n 1

где n 2 и n 1 – абсолютные показатели преломления второй и первой сред соответственно.

Глаз не отличает естественный свет от поляризованного, поэтому поляризованный свет обнаруживается по явлениям, свойственным только ему. Поляризованный свет можно определить при помощи обычного поляризатора. Поляризаторы, предназначенные для исследования поляризованного света, называются анализаторами, т.е. один и тот же поляроид можно использовать и как поляризатор, и как анализатор.

Поляризация света в поляроидах подчиняется закону Малюса: если естественный свет проходит через два поляризующих прибора, плоскости поляризации которых располагаются друг к другу под углом, то интенсивность света, пропущенного такой системой (рис. 5) будет пропорциональна cos2 , при этом в первом поляризаторе свет теряет половину своей интенсивности:

			I ест cos 2	I 0 cos2 ,

где I – интенсивность поляризованного света, прошедшего поляризатор и анализатор;

I ест – интенсивность естественного света;

I 0 – интенсивность поляризованного света, прошедшего поляризатор; α – угол между плоскостями поляризации анализатора и поляризатора.

Рис 5. Прохождение света через систему поляризатор-анализатор

Если плоскости поляризации анализатора и поляризатора параллельны (=0, 2), то из закона Малюса следует, что через анализатор проходит свет максимально возможной интенсивности. Если плоскости поляризации анализатора и поляризатора перпендикулярны (= /2, 3 /2), то через анализатор свет проходить не будет совсем.

Интенсивность света не имеет точного определения. Этот термин применяют вместо терминов световой поток, яркость, освещенность и др. в тех случаях, когда несущественно их конкретное содержание, а нужно подчеркнуть лишь большую или меньшую их абсолютную величину. В оптике чаще всего интенсивностью света называют мощность излучения через поверхность единичной площади, т. е. энергию излучения, проходящую за единицу времени через поверхность единичной площади. В этом случае единица интенсивности в СИ: =1 Вт/м2 (ватт на квадратный метр ).

При прохождении поляризованного света через некоторые кристаллы (кварц, киноварь и другие), а так же через растворы сахара, мочевины, белков плоскость колебаний поворачивается на некоторый угол. Это явление называется вращением плоскости колебаний поля-

ризованного света . Вещества, вращающие плоскость поляризации,

называются оптически активными.

Для большинства оптически активных кристаллов обнаружено существование двух модификаций, осуществляющих вращение плоскости поляризации по часовой стрелке (правовращающие) и против (левовращающие) для наблюдателя, смотрящего навстречу лучу.

В растворах угол поворота плоскости поляризации пропорционален толщине раствора и концентрации оптически активного вещества:

0 l C ,

где о – удельная постоянная вращения; l – толщина раствора;

C – концентрация оптически активного вещества.

Физический смысл удельной постоянной вращения заключается в том, что она показывает, на какой угол поворачивает плоскость поляризации оптически активное вещество единичной концентрации при прохождении светом единичной длины. В общем случае она зависит от температуры раствора и от длины волны проходящего через раствор света.

Единица измерения удельной постоянной вращения в СИ: [φ 0 ]=1

рад/м∙% (радиан на метр-процент).

В производстве широко используется Международная сахарная шкала, в которой 100 S=34,62 º угловым. С учетом этого единица измерения удельной постоянной вращения может быть представлена в виде: [φ 0 ]=1 S /м∙% (градус сахарной шкалы на метр-процент ).

Обоснование метода

Явление вращения плоскости колебаний поляризованного света используется для определения концентрации оптически активного вещества в растворах при помощи приборов, называемых поляриметрами . Поляриметры, шкала которых проградуирована в единицах Международной сахарной шкалы, называются сахариметрами .

Определение концентрации растворов сахара при помощи поляриметров и сахариметров применяется при исследованиях в сельском хозяйстве, в лабораториях химической, пищевой, нефтяной промышленности.

Простейший поляриметр (рис. 6) состоит из двух поляризаторов, источника света и устройства для измерения угловых величин.

Рис. 6. Схема простейшего поляриметра

Поляризаторы перед началом измерений устанавливают таким образом, чтобы их плоскости поляризации были взаимно перпендикулярны. При этом свет через систему поляризатор-анализатор не проходит, и наблюдатель видит темноту. Если между двумя поляризаторами поместить оптически активное вещество, то поле зрения просветляется. Это происходит потому, что активное вещество поворачивает плоскость поляризации света, вышедшего из первого поляризатора на угол φ . В результате, часть света проходит анализатор, и наблюдатель может это заметить. Чтобы снова получить темноту, нужно повернуть анализатор против направления вращения плоскости поляризации на угол равный углу вращения φ. Угол поворота анализатора легко поддаѐтся измерению. Зная удельную постоянную вращения вещества и толщину раствора оптически активного вещества, можно по формуле 3 определить концентрацию раствора.

Часто при измерениях концентрации оптически активных веществ в растворах удельная постоянная вращения неизвестна. В этом случае взяв раствор известной концентрации С изв этого же вещества, определяют поляриметром угол поворота плоскости поляризации этим раствором изв , а удельную постоянную вращения о вычисляют из формулы (3):

	С изв

Для нахождения концентрации неизвестного раствора С х , с помощью поляриметра определяют угол вращения плоскости поляризации света этим раствором х . Используя формулы (3) и (4), при условии равенства толщины растворов l , определяют С х по формуле:

C x C изв

При таком определении концентрации неизвестного раствора, как видно из формулы (5), знание численного значения удельной постоянной вращения и толщины слоя, вращающего плоскость поляризации вещества, необязательно.

Описание установки

В работе для определения удельной постоянной вращения сахара и его концентрации в растворе используется сахариметр универсальный СУ-4. Принципиальная схема сахариметра представлена на рисунке 7.

Рис. 7. Принципиальная схема полутеневого сахариметра

Исследуемое вещество 5 помещается между полутеневым поляризатором, состоящим из двух половин 3 и 4, и анализатором 6. Пропускание анализатора меняется в соответствии с законом Малюса при изменении угла между плоскостью поляризации анализатора 6 и плоскостью поляризации падающего на него света.

Использование полутеневого поляризатора 3 и 4 обусловлено тем, что установка обычного поляризатора на темноту не может быть осуществлена достаточно точно. В полутеневых поляризаторах произ-

Рис. 8. Вид поля зрения в саха- водится установка не на темноту, а риметре с полутеневым поля- на равенство освещенностей двух ризатором половин полей зрения I и II (рис. 8а ). Глаз человека очень чувствителен к нарушениям равенства

освещенностей двух соседних полей (рис. 8 б , в ), поэтому с помощью полутеневого устройства положение плоскости поляризации может быть установлено с гораздо большей точностью, чем путем установки

поляризатора на темноту.

Конфигурация этого вещества может быть скоррелирована с конфигурациями винной кислоты и далее с глицериновым альдегидом.

Вращение плоскости поляризации

Явление вращения плоскости поляризации световой волны на некоторый угол при прохождении света сквозь кристаллические тела и некоторые изотропные жидкости, называется вращением плоскости поляризации или оптической активностью.

Если вещество не находится во внешнем магнитном поле, то оптическая активность будет естественной.

Естественная оптическая активность была открыта в 1811 г. Д. Араго на пластинках кварца, которые вырезаны перпендикулярно оптическим осям.

Пусть взгляд наблюдателя направлен навстречу падающему лучу. Вращения называют правым (положительным), если плоскость поляризации поворачивается вправо (по часовой стрелке) для наблюдателя, и левым (отрицательным), если она поворачивается влево.

В природе существует два типа кристаллов кварца, которые являются зеркальным отражением друг друга. Первые обращают плоскость поляризации вправо, другие - влево и видповидно называются право- и левовращающий кварцем. Угол вращения плоскости поляризации пропорционален толщине слоя оптически активного вещества:

Рисунок 2.

где $l$ - длина пути луча в оптически активной среде; $α$ - коэффициент пропорциональности, который называют вращательной способностью, или удельным вращением. Он зависит от природы вещества, температуры и длины волны .

Удельное вращение равно величине угла, на который возвращается плоскость поляризации монохроматического света при прохождении слоя толщиной $l$.

Далеко от полос поглощения свет вещества зависимость от удовлетворяет закон Био:.

Рисунок 3.

Для оптически активных жидкостей и растворов Ж. Био установил, что угол поворота плоскости поляризации прямо пропорционален толщине слоя $l$ и концентрации $C$ оптически активного вещества, то есть,

Рисунок 4.

где $[α]$ - коэффициент пропорциональности, который называется удельным вращением раствора. Коэффициент зависит от природы оптически активного вещества и растворителя, температуры и длины волны света.

Свойства оптической активности растворов позволяют определить их концентрации. Приборы, с помощью которых проводят такие измерения, называются поляриметром. Поскольку для раствора сахара удельное вращение значительное, то поляриметры получили широкое применение в сахариметрии.

Теорию вращения плоскости поляризации оптически активными веществами разработал А. Френель. Он считал, что это явление обусловлено особым видом двойного преломления лучей, при котором скорость распространения света в активной среде различна для лучей, имеющих правую и левую круговые поляризации. Знак угла поворота плоскости поляризации определяется соотношением между скоростями распространения лучей правой циркуляционной поляризации и левой циркуляционной поляризации. Для оптически активную среду будет положительным, а для будет отрицательным.

На входе в оптически активное вещество линейно поляризованный монохроматический свет разлагается на две волны той же частоты, но поляризованные по кругу во взаимно противоположных направлениях:

Рисунок 5.

Векторы и этих волн симметричны относительно плоскости $p - p$ колебаний падающего света.

При выходе из оптически активной среды с толщиной слоя $l$ электрический вектор правоциркуляцийнои волны будет возвращен на больший угол, чем для ливоциркуляцийнои волны. В результате плоскость, относительно которой электрические векторы этих волн размещены симметрично, будет повернута вправо на угол относительно плоскости поляризации падающей волны.

Углы поворота электрического вектора правой и левой волн зависят от времени распространения волны $t$ и длины их пути в оптически активной среде.

В 1845 г. М. Фарадей обнаружил, что при распространении линейно поляризованного света в оптически неактивных веществах в направлении магнитного поля, то происходит поворот плоскости поляризации на некоторый угол. Если наблюдатель смотрит в направлении магнитного поля, то поворот направо считается положительным, слева - отрицательным.

Использование вращения плоскости поляризации

Величину удельного вращения определяют для подтверждения чистоты и тождества оптически активного вещества. Поскольку удельное вращение зависит от концентрации и природы растворителя, условия его определения приводятся в соответствующих монографиях на лекарственные средства.

В интервале концентраций, при которых удельное вращение - постоянная величина, с помощью угла вращения можно рассчитать концентрацию вещества в растворе:

Замечание 1

Таким образом, можно сделать вывод о том, что поляриметрия, как метод анализа используется в как в качественном, так и в количественном фармацевтическом анализе.

Определение степени чистоты глюкозы и аскорбиновой кислоты

Определение по величинам удельного оптического вращения основывается на измерении угла поворота $(α)$ растворов глюкозы и аскорбиновой кислоты и расчета удельного оптического вращения. Для 10% водного раствора глюкозы величина удельного оптического вращения составляет от + 51,3 ° до + 53,0 °; для 20% раствора аскорбинок кислоты от + 22 ° до + 24 °.

Полученные значения сравнивают с табличными данными и делают выводы о соответствии исследуемых веществ стандартам качества.

Идентификация право- и левовращающий камфоры

Данное определение основывается на измерении угла вращения плоскости поляризации спиртовых растворов камфоры. Камфора, полученная из камфорного дерева - право вращающаяся, с масла пихты - левовращающий изомер, синтетическая камфора - оптически неактивное вещество. Удельное оптическое вращение 10% раствора камфоры в 95% спирте для правой вращающейся камфоры составляет от + 41 ° до + 44 °, для лево вращающейся от -39 ° до -44 °.

Заполняют поляриметрические трубку жидкостью или раствором с известной концентрацией твердого вещества, повторяют вышеприведенные операции и определяют угол вращения по шкале прибора. Определение угла вращения повторяют не менее 5 раз и рассчитывают его среднее значение. Угол вращения является алгебраической разностью между полученным значением и нулевой точкой. Измеряют угол вращения приготовленных растворов с право- и лево вращающейся камфорой и делают выводы об идентификации исследуемого вещества.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ

И УДЕЛЬНОГО ВРАЩЕНИЯ РАСТВОРОВ САХАРОВ

ПРИ ПОМОЩИ УНИВЕРСАЛЬНОГО САХАРИМЕТРА

Одной из методик, применяемых в клинических лабораториях для определения концентрации сахара в прозрачных биологических средах (например, в моче), является сахариметрия. Она представляет собой разновидность метода поляриметрии, который основан на определении оптической активности веществ, то есть на измерении угла поворота плоскости колебаний поляризованного света при его прохождении через оптически активные среды (вещества). К оптически активным средам относятся кварц, различные масла и многие биологически важные соединения (сахара, аминокислоты, белки и т. д.)

Среди оптически активных веществ встречаются D - и L –изомеры. Первые из них вращают плоскость колебаний поляризованного света вправо, а вторые-влево. Направление этого вращения определяется по отношению к наблюдателю, который смотрит навстречу лучу: если поворот плоскости колебаний линейно поляризованного света происходит по часовой стрелке, то вызвавшее его оптически активное вещество является правовращающим; левовращающие вещества поворачивают эту плоскость в противоположном направлении. Следует отметить, что в метаболических процессах, протекающих в организме человека и животных, участвуют только D -сахара и L -аминокислоты.

При постоянной толщине слоя (l ) оптически активного вещества, находящегося на пути поляризованного света, угол поворота плоскости колебаний (φ) прямо пропорционален концентрации (С) этого вещества в растворе: j .gif" width="12" height="23">стократному углу поворота плоскости колебаний линейно поляризованного света 1% раствором оптически активного вещества толщиной 1 дм, Размерность удельного вращения: град ∙ см3 ∙ г-1 ∙ дм-1.

Удельное вращение зависит, прежде всего, от природы вещества (от особенностей его молекулярной структуры), а также от температуры раствора и длины волны поляризованного света. Так, при пропускании через раствор D -глюкозы, имеющий температуру 20˚C , желтого света (λ=589,4 нм) стократный угол поворота плоскости колебаний этим веществом (при толщине его слоя 1 дм) составляет 52,8 град. В тех же условиях у L − глюкозы [αо]=–51,4 градּсм3ּг-1ּдм-1. Следовательно, стереоизомеры глюкозы различаются не только противоположным направлением вращения плоскости колебаний, но и различной величиной удельного вращения: [αо]D ≠ [αо]L .

Оптическая схема простейшего сахариметра (поляриметра) представлена на рис.1. Она включает кварцевую пластинку, благодаря чему сахариметр относится к группе полутеневых поляриметров. В таких приборах измерение сводится к визуальному уравниванию яркостей различных частей поля зрения и последующему считыванию показаний по шкале вращений, снабженной нониусом (вспомогательной шкалой, при помощи которой отсчитываются доли делений основной шкалы поляриметра). Такая визуальная регистрация, основанная на способности человека хорошо различать световой контраст, обладает довольно высокой чувствительностью, вполне достаточной для медицинских целей.

Согласно оптической схемы поляриметра световой поток, идущий от (Л ) через светофильтр (СФ ) и объектив (Об ) проходит через поляризатор (П ), который преобразует его в поляризованный поток света. Затем поток света проходит через полутеневую пластинку (К ), разделяющую его на две половины линией раздела. Анализатор пропускает равные по яркости обе половины светового потока и в поле зрения зрительной трубы, состоящей из объектива (О ") и окуляра (Ок ), установленные после анализатора, наблюдаются две одинаковые половины поля, разделенные тонкой линией и называемые полями сравнения. При установки кюветы (трубки) с раствором сахара ( Т ) между поляризатором и анализатором нарушается равенство яркостей полей сравнения, так как исследуемый раствор поворачивает плоскость поляризации на угол, пропорциональный концентрации раствора.

В современных сахариметрах (например в СУ-4) для уравнивания яркостей полей сравнения применяется клиновый кварцевый компенсатор, состоящий из подвижного кварцевого клина левого вращения и неподвижного контрклина правого вращения. Перемещением подвижного клина относительно контрклина устанавливают такую суммарную толщину клинов по оптической оси, при которой компенсируется угол поворота плоскости поляризации раствора. При этом происходит уравнивание яркостей полей сравнения. Одновременно, так как подвижный клин связан с измерительной шкалой, перемещается и измерительная шкала. По нулевому делению нониуса фиксируют значение шкалы, соответствующее состоянию одинаковой (минимальной) яркости полей сравнения. На рис.2а) показано расположение измерительной шкалы (внизу) и нониуса (наверху), которое соответствует установке прибора на “нуль”, т. е. значение так называемого нулевого угла (φ0 ) равно 0. Деление нониуса совмещено с нулевым делением шкалы, а последнее “сотое” деление нониуса точно совпадает с определенным делением нижней шкалы.

В сахариметре СУ-4 для измерения угла поворота плоскости поляризации света применена международная сахарная шкала (0 S ). Одно деление сахарной шкале (10 S ) равно 0,3460 угловым (в градусах) т. е.: 1000S=34,60. Одно деление нониуса соответсвует 0,050S. На рис.2.б) показано положение нониуса и шкалы, соответствующее отсчету “+ 11,850S ” (нуль нониуса расположен правее нуля шкалы на 11 полных делений и в правой части с одним из делений шкалы совмещается его семнадцатое деление, соответствующее значению 0,850S по нониусу). Следовательно угол поворота плоскости поляризации света в угловых единицах (в градусах) равен: φ=11,85· 0,346=4,100.

Лабораторная работа состоит из двух частей. В первой из них измеряется концентрация раствора D-глюкозы, а во второй - определяется удельное вращение D-сахарозы.

Порядок выполнения лабораторной работы

Перед выполнением лабораторной работы прибор настраивается и регулируется лаборантом или преподавателем с целью установки его на ноль. Для установки прибора на ноль (нулевой угол φ0=0) используется специальный механизм установки нониуса с помощью юстировочного ключа. Если нулевой угол φ0 не равен 0 необходимо это учитывать при измерении угла поворота плоскости поляризации света.

І часть. Измерение концентрации раствора D- глюкозы.

1. Включить прибор (осветительное устройство). Получить отчетливое изображение (путем регулирования окуляра зрительной трубы) вертикальной линии раздела полей cравнения. Установить лупу на максимальную резкость изображения штрихов и цифр измерительной шкалы и нониуса. Проверить установку прибора на ноль: кюветное отделение закрыто и в нем отсутствует трубка с раствором сахара; измерительная шкала и нониус с помощью рукоятки клинового компенсатора установлены как на рис.2а; поля сравнения имеют одинаковую (минимальную) яркость.

2. Определить угол поворота плоскости колебаний поляризованного света раствором D - глюкозы- φгл. Измерения произвести в такой последовательности:

а) поместить в сахариметр трубку с раствором D - глюкозы (как можно ближе к окуляру) в кюветное отделение и закрыть ее;

б) уравнять минимальную яркость полей сравнения вращением рукоятки клинового компенcатора;

в) произвести отсчет показаний по измерительной шкале и нониусу с точностью до 0,050S;

г) “сбить” положение рукоятки клинового компенсатора и снова уравнять яркости полей сравнения и произвести новый отсчет угла по шкале и нониусу. Операцию измерения повторить не менее 3-5 раз и результаты занести в таблицу 1;

д) извлечь из сахариметра трубку с раствором глюкозы.

Таблица 1.

Таблица для записи результатов измерений концентрации D- глюкозы.

II часть. Определение удельного вращения D- сахарозы.

1. Поместить в кюветное отделение прибора трубку с раствором D - сахарозы. Концентрация раствора указана на рабочем месте.

2. Измерить угол поворота плоскости поляризации света-φсах так, как это описано в первой части для глюкозы. Измеренные значения угла (3-5 раз) занести в таблицу 2.

Таблица 2.

Таблица для записи результатов определения удельного вращения D - сахарозы.

	φсах.(сах. ед.)	φсах.(град.)
значение	φсах. ср.=	φсах. ср.=			[αo]сах. ср.=

На рабочем месте заданы длина трубки (в дм) и концентрация D- сахарозы

Обработка результатов измерений.

1. По результатам измерений угла φгл (град.) вычислить 3-5 значений концентраций D- глюкозы по формуле:

Сгл..gif" alt="*" width="12" height="23 src="> Определить среднее значение концентрации глюкозы:

Сгл= (%), где: n- число измерений.

2. Вычислить абсолютную ошибку опыта по формуле:

∆Сгл. ср.= (%).

В формуле каждая разность Сгл i-Сгл ср берется по абсолютной величине (со знаком “+”).

2. Расчеты искомых величин и погрешностей;

3. Заключение, в котором следует привести окончательные результаты измерений и расчетов Сгл. и [αo]сах., записанные согласно принятым правилам, а также сделать вывод о различии удельных вращений для глюкозы и сахарозы.

Поляриметрический метод анализа основан на способности веществ отклонять плоскость поляризации при прохождении че-рез них поляризованного света.

Вещества, отклоняющие плоскость поляризации света впра-во или влево, называются оптически активными.

Если вращение плоскости поляризации происходит вправо (по движению часовой стрелки), то вещество называют право-вращающим и перед названием его ставят индекс d или знак + (плюс); если вращение плоскости поляризации происходит влево (против часовой стрелки), то вещество называют лево-вращающим и перед названием его ставят индекс 1 или знак - (минус).

Величину отклонения плоскости поляризации от начального положения, выраженную в угловых градусах, называют углом вращения и обозначают греческой буквой а.

Величина угла вращения зависит от природы оптически ак-тивного вещества, толщины его слоя, температуры, природы растворителя и длины волны света.

Как правило, определение оптического вращения проводят при 20 °С и при длине волны линии D спектра натрия (589,3).

Оптическая активность вещества характеризуется удельным вращением, т. е. вращением плоскости поляризации, вызванно-го слоем вещества (/) толщиной 1 дм при концентрации С, рав-ной 1 г вещества в 1 мл объема при 20 °С. Обозначают удель-ное вращение знаком {а]г> 20 .

Удельное вращение растворов вычисляют по формуле:

где: а - измеренный угол вращения, градусы; / - толщина слоя раствора, дм; С - концентрация раствора, %.

Зная удельное вращение вещества, постоянное в определен-ном интервале концентраций, можно вычислить его содержание в растворе в процентах (С) по формуле:

Для жидких индивидуальных веществ удельное вращение определяется по формуле:

где: а - измеренный угол вращения, градусы; / - толщина слоя вещества, дм; р - плотность жидкости, г/см 8 .

Метод поляриметрии широко используется в фармацевтиче-ском анализе для установления оптической активности лекарст-венных веществ, качественной и количественной оценки их.

Для измерения угла вращения плоскости поляризации при-меняют приборы, называемые поляриметрами.

В практической работе используются поляриметры различ-ных систем, основанные на одном и том же принципе их работы.

Устройство поляриметра представлено на рис. 4.

Оптическая система прибора. Свет от источника излучения через светофильтр (или матовое стекло) попадает на призму-поляризатор, которая образует на выходе два разделен-ных поляризованных пучка, причем потоки в каждом из них равны. Поляризатор установлен так, что плоскости поляриза-ции обоих пучков составляют один и тот же угол с плоскостью поляризации анализатора. Если на пути обоих пучков установ-лена кювета с раствором, то плоскости поляризации будут по-вернуты и один из пучков будет больше ослаблен анализатором, чем другой. Поворот компенсатора позволит скомпенсировать указанное изменение потока. Одновременно вращается шкала, которая подсвечена через призму и наблюдается в лупу. Через зрительную трубу наблюдается окраска полей.

Порядок работы. 1. Окуляр зрительной трубы и лупу шкалы устанавливают (при помощи вращения их оправ) на максимальную резкость изображения так, чтобы вертикальная линия, разделяющая после зрения на две половины, была четко видна, а в поле зрения лупы ясно были видны штрихи и цифры нижней шкалы и нониуса (верхней шкалы).

2. Установка прибора на 0. Для этого добиваются полной однородности обеих половинок поля зрения с помощью рукоят-ки передачи. При этом нулевые деления шкалы и нониуса должны совпадать. В противном случае с помощью ключа пере-мещают нониус до совмещения его нулевого деления с нулевым делением шкалы.

3. Заполнение поляриметрической кюветы. Перед наполнени-ем кювету промывают испытуемым раствором два раза; жид-кости наливают столько, чтобы она выступала поверх краев трубки. Выжидают некоторое время, чтобы пузырьки газа под-нялись вверх. Закрывают кювету чистым стеклом, как бы сре-зая выступающую жидкость.

4. Поляриметрическую кювету с испытуемым раствором вкла-дывают в камеру прибора, при этом изменяется однородность обеих половинок поля зрения. Вращением рукоятки передачи уравнивают их освещенность.

5. Производят отсчет показаний с точностью до 0,01.

6. Затем повторяют уравнивание освещенностей обеих половин поля зрения, и снова проводят отсчет показаний, повторяя 5 раз. Берут среднеарифметическое и принимают за результат. Выбор светофильтра. 1. Если при исследовании бес-цветных или слабоокрашенных растворов не наблюдается раз-личие в оттенках окраски обеих половин поля зрения, то пово-ротную обойму ставят в положение, соответствующее обозна-чению «М». При этом положении в оптическую систему вводит-ся матовое стекло.

2. Если при поляризации бесцветных или слабоокрашенных растворов наблюдается некоторое различие в оттенках окраски обеих половин поля зрения, затрудняющее приведение поля зрения к однородности, то поворотную обойму ставят в положе-ние, соответствующее обозначению «С». При этом положении в оптическую систему вводится светофильтр.

3. В случае работы с темноокрашенными растворами обойму ставят в положение без обозначения, что соответствует макси-мальной интенсивности освещения поля зрения.