Поляриметры (сахариметры) являются измерительными приборами для определения механических напряжений в прозрачных твердых телах. Поляриметрия – это метод определения чистоты и концентрации оптически активных веществ (хиральных веществ), например, глюкозы, фруктозы, сахарина и т. д. в сахарной, масложировой, винодельческой, производстве напитков, фруктовой промышленности, а также для анализа добавок в пищевых продуктов, в медицине для анализа концентрации глюкозы и альбумина в моче, в косметической промышленности для определения процентного содержания хиральных эфирных масел и ароматизаторов.
Как работает поляриметр
Поляриметры в основном состоят из двух призм Николя. Неподвижный поляризатор линейно поляризует свет, исходящий от источника света (натриевой лампы). Затем подвижный анализатор помогает определить угол поляризованной плоскости. Если обе призмы находятся под углом 90° друг к другу, свет не может пройти сквозь них, так что наблюдается темная плоскость. Как только образец вещества помещается между двумя фильтрами, их двойное лучепреломление вызывает изменение угла падения света, и пятно кажется наблюдателю немного ярче. Это осветление зависит от качества вращения, которое затем измеряется. Угол поворота α пропорционален толщине пленки l образца и ее концентрации c. Коэффициент пропорциональности или удельное вращение [α] зависит от соответствующего вещества, его температуры и длины волны.
Формула для этих соотношений была разработана французским физиком Жаном Б. Био и называется законом Био:
c = концентрация в г/см³
L = длина трубки в мм (соответствует толщине пленки образца)
[ α ] = удельная вращение (в зависимости от температуры и длины волны)
a = измеренный угол вращения в °
Благодаря двум последовательным поляризаторам, второй из которых называется анализатором, можно наблюдать следующие эффекты:
· Анализатор располагается под тем же углом, что и поляризатор: свет может пропускать и плоскость поляризации сохраняется.
· Анализатор находится под углом 90° к поляризатору: свет не проходит, поле кажется темным.
· Поляризатор и анализатор снова ставят под углом 90°, наносят вещество, которое изменяет плоскость поляризации света (так называемое оптически активное вещество) за счет своего двойного лучепреломления, так что вектор электронного поля поворачивается на определенный угол. Анализатор необходимо еще раз повернуть, чтобы снова добраться до темного пятна. Достоинством этого вращения является характерная константа (угол поворота), которая используется для анализа вещества, с целью определения его, а также его чистоты и концентрации.
В настоящее время известно много оптических активных веществ (как природных, так и синтезированных), способных вращать уровень поляризации света.
Важные примеры:
· Сахар (сахарин)
· Некоторые природные кристаллы, такие как кварц, известковый шпат CaCO 3 , киноварь, хлорат натрия
· Жидкие кристаллы для дисплеев
· Многие химические растворы, которые являются хиральными (т.е. имеют два «зеркальных» энантиомера) и играют важную роль в областях медицины и пищевых продуктов, например, аскорбиновая кислота (витамин С), циталопрам (антидепрессанты)
Пример:
26 г сахарина, растворенного в чистой воде объемом 100 см³, имеет при стандартном давлении (1013 ГПа) и длине волны 589,44 нм в пробирке для образца диаметром 200 мм угол оптического вращения 34,626° и ±0,001°. Этот раствор называется стандартным раствором сахара и используется для калибровки и проверки полимерных методов и устройств. Это точка отсчета международной шкалы сахара (ISS), установленной ICUMSA. Вращение на угол 34,626° коррелирует с концентрацией сахарина 26 г/л. ISS представляет собой линейную шкалу, т. е. поворот на 17,313° коррелирует с 13 г/100 см³ сахарина.
Растворы сахара не очень стабильны и должны регулярно готовиться повторно. Гораздо более надежным методом проверки поляриметра является кварцевый. В 1811 французский физик Франсуа Араго открыл его поляризующие свойства и оптическую активность природного кварца. Угол поворота зависит от толщины слоя и длины волны используемого света. И он почти идентичен углу поворота раствора сахарина. Кварцевые контрольные пластины в настоящее время используются в качестве инертных эталонов для калибровки поляриметров.