Polarymetria

Polarymetria, analiza polarymetryczna- metoda analizy instrumentalnej, w której wykorzystano pomiar kąta skręcenia płaszczyzny światła spolaryzowanego przez badany roztwór do identyfikacji składnika (sprawdzenie skręcalności właściwej) oraz do oznaczania stężenia składnika na podstawie proporcjonalności między stężeniem a kątem skręcania (przy tej samej grubości warstwy roztworu) [S. Czerni i in. 1984, s. 21]. Metoda ta opiera się na fakcie, że kąt skręcenia płaszczyzny polaryzacji przez roztwór jest proporcjonalny do stężenia roztworu i drogi światła w roztworze [A. Gajewski 2013, s. 96 ].

Wiele substancji przeźroczystych, charakteryzujących się niesymetryczną budową cząsteczkową lub krystaliczną, odznacza się zdolnością skręcania płaszczyzny promienia spolaryzowanego. Substancje takie należą do optycznie czynnych. Najbardziej znanymi przykładami są: kwarc oraz cukry, lecz zdolność tę wykazuje również wiele innych organicznych i nieorganicznych związków. Wielkość skręcania płaszczyzny polaryzacji zmienia się w szerokich granicach zależnie od budowy optycznie czynnych związków. Mówimy o skręcalności w prawo i lewo. Dla danego związku wielkość skręcania zależy od ilości cząsteczek znajdujących się na drodze promieni lub w przypadku roztworów - od stężenia i długości naczynia, w którym roztwór się znajduje. Zależy ona również od długości fali promieniowania i od temperatury [G. W. Swing 1967, s. 186].

TL;DR

Polarymetria to metoda analizy instrumentalnej, która polega na pomiarze kąta skręcenia światła spolaryzowanego przez badany roztwór. Metoda ta znajduje zastosowanie w wielu dziedzinach, takich jak analiza farmaceutyczna, chemiczna, kliniczna, przemysł spożywczy, kosmetyczny, cukrowniczy. Polarymetr jest przyrządem używanym do pomiaru kąta skręcenia polaryzacji, a pomiary kąta skręcenia mają zastosowanie w identyfikacji i oznaczaniu różnych substancji. Wzór na rotację właściwą pozwala obliczyć wartość rotacji na podstawie różnych parametrów. Polaryzacja ma również zastosowanie w astrofizyce.

Metody Polaryzacji

Polaryzacja jest wynikiem oddziaływania światła z materią. Najważniejsze metody polaryzacji światła to:

1. polaryzacja przez odbicie lub wielokrotne załamanie
2. polaryzacja przez podwójne załamanie
3. polaryzacja przez dichroizm [A. Gajewski 2013, s. 96 ]

W 2003 r. Zgłoszono spektropolarymetryczny termowizor na podczerwień (VNIR) z akustycznie-optycznym filtrem przestrajanym (AOTF) (Multispectral...,2003)

Aparatem o ogólnym zastosowaniu w omawianej analizie są czujniki takie jak polarymetr lub polaryskop [G. W. Swing 1967, s. 187]

Polarymetr

Polarymetr - przyrząd do pomiaru kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji przy przechodzeniu światła spolaryzowanego liniowo przez substancję aktywną optycznie. Polarymetr w zasadzie składa się ze źródła światła, polaryzatora (np. folii polaroidu), który wytwarza światło spolaryzowane liniowo, przezroczystego pojemnika zawierającego badaną substancję i analizatora. Analizatorem, który można obracać, jest materiał polaryzujący. Światło wychodzące ze źródła ulega polaryzacji liniowej w polaryzatorze, przechodzi przez próbkę, następnie przez analizator i trafia do oka obserwatora lub pada na defektor światła. Kąt skręcenia płaszczyzny polaryzacji. Kąt skręcenia płaszczyzny mierzy się, obracając analizator do położenia, w którym występuje maksimum transmisji. Wartość kąta odczytuje się na odpowiedniej skali analizatora [A. Isaacs 1999, s. 224-225]. Mimo prostoty układ ten posiada zasadniczą wadę, mianowicie bardzo mała jest dokładność wyznaczenia położenia całkowitego wygaszenia. W dzisiejszych czasach aby zmierzyć pomiar kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji używany jest w większości przypadków polarymetr półcieniowy.(Zjawisko... ,2018)

Pomiary kąta skręcania płaszczyzny polaryzacji znalazły szerokie zastosowanie w wielu dziedzinach, takich jak:

• Analiza farmaceutyczna
• Analiza Chemiczna
• Analiza kliniczna
• Przemysł cukrowniczy
• Przemysł kosmetyczny
• Przemysł spożywczy

Metoda ta znalazła głównie zastosowanie w identyfikacji niektórych związków organicznych, zarówno naturalnych, jak i syntetycznych, olejów i tłuszczów, węglowodanów, alkaloidów itd. Warto dodać, że polarymetria jest metodą wybiórczą dla sprawdzenia tożsamości kamfory naturalnej i odróżnienia jej od kamfory syntetycznej. Polarymetryczna analiza ilościowa stosowana jest najczęściej w oznaczaniu cukru, cukru w burakach, glukozy w roztworach itp. Poza tym znajduje zastosowanie w identyfikacji i oznaczaniu wielu środków leczniczych [E. Szyszko 1982, s. 90].

Pomiar skrętu optycznego

W zwykłym świetle wibracje występują we wszystkich płaszczyznach prostopadłych do kierunku propagacji. Kiedy światło przechodzi przez pryzmat Nicola, jego wibracje we wszystkich kierunkach poza kierunkiem osi pryzmatu zostają odcięte. Światło wychodzące z pryzmy mówi się, że jest spolaryzowane, ponieważ jego wibracje są w jednym kierunku. Jeśli dwa pryzmaty Nicola zostaną ułożone równolegle względem siebie, wówczas promienie światła wychodzące z pierwszego pryzmatu wejdą w drugi pryzmat. W rezultacie nie obserwuje się utraty światła. Jeśli jednak drugi pryzmat zostanie obrócony o kąt 90 °, światło wychodzące z pierwszego pryzmatu zostanie zatrzymane przez drugi pryzmat i nie pojawi się żadne światło. Pierwszy pryzmat jest zwykle nazywany polaryzatorem, a drugi pryzmat nazywany jest analizatorem.

Prosty polarymetr składa się z długiej rurki z płaskimi szklanymi końcami, do której umieszczona jest próbka. Na każdym końcu rury znajduje się pryzmat Nicol lub inny polaryzator. Światło świeci przez rurkę, a pryzmat na drugim końcu, przymocowany do gałki ocznej, jest obracany, aby dotrzeć do obszaru pełnej jasności lub półciemienia, półmroku lub całkowitej ciemności. Kąt obrotu jest następnie odczytywany ze skali. To samo zjawisko obserwuje się przy kącie 180 °. Następnie można obliczyć rotację właściwą próbki. Temperatura może wpływać na obrót światła, co należy uwzględnić w obliczeniach.

Wzór na rotacje właściwą

[$\alpha$] ${\frac {\tau }{\lambda }}$= 100$\alpha$/l$\rho$

gdzie:

[$\alpha$] ${\frac {\tau }{\lambda }}$ jest rotacja właściwą

$\tau$ to temperatura

$\lambda$ jest długością fali światła

$\alpha$ to kąt obrotu

l jest długością rury polarymetrycznej

$\rho$ to stężenie masy roztworu

Polaryzacja znalazła szerokie zastosowanie w wielu różnych dziedzinach astrofizycznych, od fizyki układu słonecznego po kosmologię, obejmując nawet "personal touch", czyli zrozumienie wzajemnego oddziaływania pomiędzy kołowo spolaryzowanym światłem gwiezdnym a ośrodkiem międzygwiezdnym.(Polarization..., 2014)

Polarymetria — artykuły polecane

Kalorymetria — Kwasowość — Wykres Molliera — Kolorymetria — Ciąg Fibonacciego — Metody oznaczania wody — Krzywa wzorcowa — Regresja liniowa — ANOVA

Bibliografia

• Czerni S. (red.) (1984), Leksykon naukowo-techniczny, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa
• Gajewski A. (2013), Ćwiczenia laboratoryjne z fizyki dla towaroznawców, Wydawnictwo Uniwersytetu Ekonomicznego w Krakowie, Kraków
• Goldberg A. (2003), Multispectral, Hyperspectral, and Three-Dimensional Imaging Research at the U.S. Army Research Laboratory, U.S. Army Research Laboratory, Adelphi
• Isaacs A. (1999), Słownik fizyki, Wydawnictwo Prószyński i S-ka, Warszawa
• Swing G. (1967), Metody instrumentalne w analizie chemicznej, PWN, Warszawa
• Szyszko E. (1982), Instrumentalne metody analityczne, Państwowy Zakład Wydawnictw Lekarskich, Warszawa
• Śledzińska I. (2018), Zjawisko skręcenia płaszczyzny polaryzacji światła, Wydział fizyki, Politechnika Warszawska
• Trippe S. (2014), Polarization and Polarimetry, Seul National University, Seul

Autor: Surowiec Marzena, Jakub Zelek