Polarimetrie

Polarimetrie

Vstupní předpoklady

•    Koncentrace
•    Struktura organických sloučenin – izomerie
•    Vlastnosti světla – vlnění
•    Polarizované, monochromatické světlo

Polarizované světlo

Světlo je příčné elektromagnetické vlnění. Skládá se z vln elektrických a magnetických vln. V přirozeném světle má elektrická vlna nahodilou rovinu, ve které kmitá. (Vektor elektrického pole je ve všech směrech). Takové světlo je nepolarizované.
Světlo, u kterého elektrická vlna kmitá pouze v jednom směru, je světlo lineárně polarizované.
Polarizace světla
Polarizace světla je proces, ve kterém se z nepolarizovaného světla získá světlo polarizované. V zásadě se jedná o 3 způsoby polarizace.
•    Polarizace odrazem (neúplná polarizace) nastává odrazem světla od nevodivých povrchů. Od skla, vodní hladiny, plastů atd.
•    Polarizace dvojlomem – úplná polarizace pomocí Nicolova hranolu. Nicolův hranol je používán jako optický prvek do zařízení pracujících s polarizovaným světlem. Je tvořen dvěma krystaly čirého islandského vápence spojenými pryskyřicí. Dvojlom poskytuje úplně lineárně polarizované světlo ve dvou svazcích, v paprsku řádném a mimořádném.
•    Polarizace absorpcí. Stále častěji se využívají polarizační filtry. V brýlích, LCD monitorech, apod. Tyto filtry obsahují dlouhé molekuly absorbující světlo, které k nim nemá kolmou elektrickou vlnu.

Optická aktivita

Základním předpokladem pro využití polarimetrie je optická aktivita zkoumaných látek. Látky s optickou aktivitou, neboli látky chirální, obsahují ve své struktuře fragment, který v molekule vytváří asymetrii. Tímto fragmentem bývá nejčastěji čtyřvazný uhlík, substituovaný čtyřmi různými substituenty. Takový fragment vytvoří v prostoru dvě možné varianty, které jsou si vzájemným zrcadlovým obrazem. (Optická izometrie). Tyto dva izomery se nazývají „optické antipody“. Jeden otáčí světlo doprava, druhý doleva o stejný úhel. V názvu sloučeniny se odlišují použitím písmen D - (otáčí doprava) a L - (otáčí doleva). V dnešním názvosloví se však začala používat označení S a R, které závisí na prostorové orientaci substituentů, nikoli na směru otáčivosti. Opticky aktivní uhlík se označuje hvězdičkou. Při různých vlnových délkách světla se otáčivost liší. Ekvimolární směs těchto antipodů, světlo neotáčí a nazývá se racemát.
Mezi přírodními látkami a léčivy jsou opticky aktivní molekuly velmi časté. Patří mezi ně cukry, aminokyseliny a peptidy, kyselina mléčná, některá antibiotika, silice, alkaloidy apod.
Některé látky mají více opticky aktivních center. Typicky cukry mají 1-5 opticky aktivních center. S narůstajícím počtem opticky aktivních center roste počet izomerů exponenciálně.

 

i - počet izomerů
n - počet opticky aktivních uhlíků

Látky s dvěma centry pak mají 4 antipody, se třemi centry 8 antipodů atd.
Každé z těchto center otáčí světlo jinak a výsledné otočení světla je součtem příspěvků jednotlivých center.U sacharidů s několika asymetrickými uhlíky se skutečná otáčivost označuje symboly + (doprava) a – (doleva). (Molekuly s více opticky aktivními centry)

Základní faktory ovlivňující úhel otočení

•    Teplota roztoku
•    Koncentrace roztoku
•    Vlnová délka světla
•    Rozpouštědlo
•    Doba rozpuštění -  některé látky po rozpuštění mění svoji strukturu a prostorovou orientaci. Tento jev se nazývá mutarotace a setkáváme se s ní např. u cukrů.

Využití polarimetrie

Polarimetrie je metoda která nachází uplatnění v určení totožnosti látky, kontrole čistoty látky, využívá se i při měření koncentrace.
Základná vztah otáčivosti. Naměřená otáčivost závisí na koncentraci látky, délce kyvety a specifické otáčivosti (schopnosti látky otáčet světlo). Vztah lze vyjádřit jako:

 
•    α - je úhel otočení,
•    [α]Dt - je měrná otáčivost při teplotě 20°C a vlnové délce světla 589,3nm
•    l - je tloušťka vrsty opticky aktivní látky v decimetrech
•    c - koncentrace látky v g.ml-1

Faktory ovlivňující úhel otočení

Jak vyplývá ze vztahu, základními faktory ovlivňujícími otáčení polarizovaného světla jsou:
•    Koncentrace
•    Délka dráhy světla, ve které k otáčení dochází (délka kyvety)
•    Vlastní schopnost látky otáčet (specifická otáčivost)
•    Vlnová délka polarizovaného světla (standardem je 589,3 nm)
•    Teplota roztoku
•    Stáří roztoku

Určení koncentrace látky polarimetricky

V praxi lze poloarimetricky určovat koncentrace dvěma způsoby

  • pomocí vzorce a specifické otáčivosti
  • pomocí kalibrační křivky

Určování koncentrace pomocí vzorce

známe-li specifickou otáčivost látky.
Postup: Naměříme hodnoty otáčivosti pro roztok a naměřené hodnoty dosadíme do vzorce:
 
•    c - koncentrace látky v g.ml-1
•    α - je úhel otočení,
•    [α]Dt – specifická otáčivost
•    l – délka kyvety v decimetrech

Důležitou podmínkou pro správné měření je teplota měřeného roztoku.

Určování koncetrace pomocí kalibrační křivky

Používá se pokud neznáme specifickou otáčivost.
Postup: Připravíme si řadu alespoň 3 roztoků o známé koncentraci. Koncentrace těchto roztoků by měla přibližně pokrývat oblast koncentrací očekávaných u měřených roztoků. Změříme hodnoty otáčivosti a sestrojíme graf. Na osu x vyneseme koncentrace, na osu y naměřenou otáčivost. Body propojíme a získáme kalibrační křivku. Pokud body neleží na spojnici, využijeme pro zpracování lineární regresi (viz kapitola: Vyhodnocování laboratorních výsledků, Grafy.)
 
Odečítání výsledků: Do grafu na osu y vyneseme naměřenou hodnotu otáčivosti, vodorovně vyneseme přímku, protínající kalibrační křivku a ve svislém směru a z oxy x odečteme koncentraci.

Polarimetr

Schéma subjektivního polarimetru
Zdrojem monochromatického zářeni u polarimetru je nejčastěji sodíková výbojka se světlem žluté barvy, vlnové délky 589,3nm. Ze zdroje světla se štěrbinou ve sběrné čočce soustředí svazek paprsků, který vstupuje do polarizačního hranolu. Z hranolu již vystupuje polarizované světlo. Toto světlo je oříznuto polostínovým zařízením, které vytvoří charakteristický obraz pole rozděleného na 3 části. Světlo vstupuje do kyvety. Látka se nejčastěji zkoumá v roztoku. Je-li látka opticky aktivní, polarizované světlo se při průchodu světla otočí o úhel, který závisí na látce, koncentraci a délce kyvety. Světlo vstupuje do druhého polarizačního hranolu, nazývaného analyzátor, který je otočný a spřažený se stupnicí úhloměru. Světlo z hranolu pak prochází okulárem. Okulárem pozorujeme zorné pole a otáčením šroubu polarimetru hledáme takovou polohu, při které budou všechny tři části zorného pole slabě svítit stejnou intenzitou. SAL104

Specifická otáčivost je pro různé vlnové délky rozdílná, proto se standardně uvádí pro λ=589,3nm, což je vlnová délka sodíkového dubletu. U údajů odpovídajícím tomuto světlu se uvádí písmeno D.
 

Postup měření

1) Uvedeme polarimetr do chodu spuštěním sodíkové výbojky. Plný výkon výbojka poskytuje až po několika minutách. Kyvetu naplníme tak, aby v ní nezůstala žádná vzduchová bublina. K utěsnění se používají gumové kroužky, vkládané mezi sklíčko a převlečnou matici.
Pro kontrolu nulového bodu nejprve naplníme kyvetu vodou. Analyzátorem otáčíme tak dlouho, dokud všechny 3 plochy zorného pole nemají stejnou, slabou intenzitu. V tomto bodě by na polarimetru měla být nastaveno 0,0°. Pokud je tam odlišná hodnota, použijeme nalezenou hodnotu ke korekci všech naměřených hodnot.
Pravotočivá látka při rostoucí koncentraci zvyšuje úhel otáčení, levotočivá látka snižuje úhel otáčení.
Odečítání na kruhové stupnici. Kruhová stupnice je rozdělena na jednotlivé stupně. Celá stupnice má 360°. Proti této stupnici leží stupnice nonia, která má 20 dílků.
Nejprve nalezneme, mezi které hodnoty na kruhové stupnici ukazuje 0 na noniu. Nižší hodnota je hodnota celých úhlových stupňů. Desetinné hodnoty odečteme tak, že nalezneme, který dílek nonia se nejlépe kryje s dílkem na stupnici. Tento dílek pak určuje hodnotu desetinných míst, hodnota je 0,05°na 1 dílek.  (fotku)


 
Media