Polarimetrija je optična raziskovalna metoda, ki temelji na sposobnosti optično aktivnih spojin, da linearno vrtijo ravnino vibracij. polarizirana svetloba(glej Izomerija).
Atomi in molekule svetlečih teles sevajo elektromagnetni valovi. Kadar je v razporeditvi teh delcev popolna nered, telesa oddajajo tako imenovano naravno svetlobo, pri kateri prihaja do nihanja vektorjev električne (ali magnetne) poljske jakosti v vseh ravninah, ki potekajo skozi smer širjenja svetlobnega valovanja. Red v smeri nihanja polja imenujemo polarizacija svetlobe. Takšno svetlobo, pri kateri prihaja do nihanja jakosti električnega (magnetnega) polja v eni ravnini, imenujemo ravninsko polarizirana svetloba, ravnino, v kateri jakost niha magnetno polje svetlobni žarki, - polarizacijska ravnina. Polarizirano svetlobo je mogoče ustvariti s prehajanjem naravne svetlobe skozi polarizacijske prizme iz posebnih kristalov. Med takšne kristale sodijo kristali islandskega špata, iz katerih se običajno pripravljajo polarizacijske prizme (prizme Nicol). Ko polarizirana svetloba prehaja skozi raztopino optično aktivne snovi, se ravnina polarizacije vrti, vendar jo je mogoče zaznati le z drugo podobno polarizacijsko prizmo (analizatorjem). Preučevanje rotacije polarizacijske ravnine se uporablja za preučevanje strukture optično aktivnih spojin, pa tudi za njihovo kvantitativno določanje. Optična aktivnost je označena z vrednostjo specifične rotacije [α], to je kota rotacije polarizacijske ravnine raztopine, ki vsebuje 1 g optično aktivne spojine v 1 ml z debelino plasti tekočine 1 dm.
Specifična rotacija se izračuna iz količine rotacije raztopine dane spojine z znano odstotno koncentracijo:
[α] = α100/l·C
kjer je α rotacijski kot v stopinjah, C koncentracija v %, l debelina plasti raztopine v dm. Specifična rotacija se spreminja s temperaturo in valovno dolžino svetlobe. Zato določanje poteka v monokromatski svetlobi pri določeni temperaturi. Valovna dolžina in temperatura sta označeni z [a]. Če poznamo specifično rotacijo dane spojine iz referenčnih tabel in določimo kot rotacije raztopine te spojine, je enostavno izračunati koncentracijo:
C = α100/[α]l
Raztopina ne sme vsebovati drugih optično aktivnih spojin.
Za določitev rotacije ravnine polarizacije se uporabljajo optični instrumenti - polarimetri. Polarimeter (slika 1) je sestavljen iz dveh polarizacijskih prizem: fiksne - polarizatorja in rotacijske - analizatorja in epruvete s preskusno raztopino. Rotacijski kot lahko določimo tako, da analizator nastavimo na enakomerno osvetlitev celotnega vidnega polja, najprej brez raztopine, nato pa z raztopino optično aktivne spojine. V tem primeru je treba analizator zasukati pod kotom, ki je enak kotu vrtenja ravnine polarizacije preučevane raztopine. Kot zasuka se meri v krogu z delitvami (limbo). Če po namestitvi epruvete z raztopino analizator zavrtimo v smeri urinega kazalca, govorimo o desni (+), če v nasprotni smeri urinega kazalca, pa o levi (-) rotaciji. Za večjo natančnost so polarimetri opremljeni z dodatnimi kvarčnimi deli. V nekaterih polarimetrih se izravnava osvetlitve po namestitvi raztopine in merjenju koncentracije optično aktivne snovi izvaja z linearnim premikanjem kremenčevega klina. Natančnost običajnih polarimetrov je 0,05°. Za pridobitev monokromatske svetlobe se običajno uporabljajo filtri. Metoda polarimetrije se pogosto uporablja v laboratorijih; v kliničnih laboratorijih in laboratorijih živilska industrija Za določanje vsebnosti sladkorja se uporablja metoda polarimetrije. Polarimetri, ki se uporabljajo za določanje vsebnosti trsnega sladkorja, se imenujejo saharimetri (slika 2).
riž. 1. Sheme polarimetrov različnih vrst: a - sistem z dvema bikvarčnima ploščama; b - penumbral z nikolom; c - penumbra z dvema nikolama. 1 - polarizator; 1" in 1" - nicoli; 2 - bikvarna plošča; 3 - cev z raztopino; 4 - analizator (na desni - diagrami osvetlitve polarimetrskih polj).
riž. 2. Klinasti polarimeter-saharimeter SOK (diagram): 1 - osvetljevalec; 2 - svetlobni filter; 3 - diafragma; 4 - leča; 5 - nicole; 6-epruveta za preskusno raztopino; 7 - fiksni kvarčni klin; 8 - premični kvarčni klin; 9 - analizator; 10-okular; 11 - pokrov; 12 - vijak; 13 - povečevalno steklo.
Konfiguracijo te snovi lahko povežemo s konfiguracijami vinske kisline in nadalje z gliceraldehidom.
Vrtenje polarizacijske ravnine
Pojav vrtenja ravnine polarizacije svetlobnega vala za določen kot pri prehodu svetlobe skozi kristalna telesa in nekatere izotropne tekočine imenujemo vrtenje ravnine polarizacije ali optična aktivnost.
Če snov ni v zunanjem magnetnem polju, bo optična aktivnost naravna.
Naravno optično aktivnost je leta 1811 odkril D. Arago na kremenčevih ploščah, ki so bile izrezane pravokotno na optične osi.
Pogled opazovalca naj bo usmerjen proti vpadnemu žarku. Rotacije imenujemo desnosučne (pozitivne), če se polarizacijska ravnina za opazovalca vrti v desno (v smeri urinega kazalca), in levosučne (negativne), če se vrti v levo.
V naravi obstajata dve vrsti kristalov kremena, ki sta drug drugemu zrcalni podobi. Prvi obrnejo ravnino polarizacije v desno, drugi - v levo in se imenujejo desni in levi kremen. Kot zasuka polarizacijske ravnine je sorazmeren z debelino plasti optično aktivne snovi:
Slika 2.
kjer je $l$ dolžina poti žarka v optično aktivnem mediju; $α$ je sorazmernostni koeficient, ki ga imenujemo rotacijska zmogljivost ali specifična rotacija. Odvisno je od narave snovi, temperature in valovne dolžine.
Specifična rotacija je enaka kotu, v katerega se vrne ravnina polarizacije monokromatske svetlobe pri prehodu skozi plast debeline $l$.
Daleč od pasov absorpcije svetlobe snovi odvisnost od ustreza Biotovemu zakonu:
Slika 3.
Za optično aktivne tekočine in raztopine je J. Biot ugotovil, da je rotacijski kot polarizacijske ravnine premo sorazmeren z debelino plasti $l$ in koncentracijo $C$ optično aktivne snovi, tj.
Slika 4.
kjer je $[α]$ sorazmernostni koeficient, ki se imenuje specifična rotacija rešitve. Koeficient je odvisen od narave optično aktivne snovi in topila, temperature in valovne dolžine svetlobe.
Lastnosti optična dejavnost raztopine omogočajo določanje njihove koncentracije. Instrumenti, ki se uporabljajo za izvajanje takšnih meritev, se imenujejo polarimetri. Ker je specifična rotacija sladkorne raztopine pomembna, se polarimetri pogosto uporabljajo v saharimetriji.
Teorijo vrtenja polarizacijske ravnine z optično aktivnimi snovmi je razvil A. Fresnel. Menil je, da je ta pojav posledica posebne vrste dvojnega loma žarkov, pri katerem je hitrost širjenja svetlobe v aktivnem mediju različna za žarke z desno in levo krožno polarizacijo. Predznak kota zasuka polarizacijske ravnine je določen z razmerjem med hitrostjo širjenja žarkov desne cirkulacijske polarizacije in leve cirkulacijske polarizacije. Za optično aktivni medij bo pozitiven, za pa negativen.
Na vstopu v optično aktivno snov se linearno polarizirana monokromatska svetloba razgradi na dva valovanja enake frekvence, vendar krožno polarizirana v medsebojno nasprotnih smereh:
Slika 5.
Vektorja in teh valov sta simetrična glede na $p - p$ ravnino nihanja vpadne svetlobe.
Pri izstopu iz optično aktivnega medija s plastjo debeline $l$ se bo električni vektor desnega cirkulacijskega vala vrnil pod večji kot kot pri levem cirkulacijskem valu. Posledično bo ravnina, glede na katero se električni vektorji teh valov nahajajo simetrično, zasukana v desno pod kotom glede na ravnino polarizacije vpadnega vala.
Vrtilni koti električnega vektorja desnega in levega valovanja so odvisni od časa širjenja valov $t$ in dolžine njihove poti v optično aktivnem mediju.
Leta 1845 je M. Faraday odkril, da se pri širjenju linearno polarizirane svetlobe v optično neaktivnih snoveh v smeri magnetnega polja ravnina polarizacije zasuka za določen kot. Če opazovalec gleda v smeri magnetnega polja, se obračanje v desno šteje za pozitivno, obračanje v levo pa negativno.
Uporaba rotacije polarizacijske ravnine
Specifična rotacijska vrednost se določi za potrditev čistosti in identitete optično aktivne snovi. Ker je specifična rotacija odvisna od koncentracije in narave topila, so pogoji za njeno določanje podani v ustreznih monografijah za zdravila.
V območju koncentracije, pri katerem je specifična rotacija konstantna vrednost, lahko z uporabo kota rotacije izračunate koncentracijo snovi v raztopini:
Opomba 1
Tako lahko sklepamo, da se polarimetrija kot analizna metoda uporablja tako v kvalitativni kot kvantitativni farmacevtski analizi.
Določanje čistosti glukoze in askorbinske kisline
Določanje vrednosti specifične optične rotacije temelji na merjenju kota rotacije $(α)$ raztopin glukoze in askorbinske kisline in izračunu specifične optične rotacije. za 10 % vodna raztopina glukoza, vrednost specifične optične rotacije se giblje od + 51,3 ° do + 53,0 °; za 20% raztopino askorbinske kisline od + 22 ° do + 24 °.
Dobljene vrednosti primerjamo s tabelarnimi podatki in sklepamo o skladnosti testiranih snovi s standardi kakovosti.
Identifikacija dekstro- in evoratorne kafre
Ta definicija temelji na merjenju kota vrtenja ravnine polarizacije alkoholnih raztopin kafre. Kafra, pridobljena iz kafrovca, je desno vrtljiva, iz jelkovega olja je levosučni izomer, sintetična kafra je optično neaktivna snov. Specifična optična rotacija 10% raztopine kafre v 95% alkoholu za desno vrtečo se kafro je od + 41 ° do + 44 °, za levo rotirajočo kafro od -39 ° do -44 °.
Polarimetrično cev napolnite s tekočino ali raztopino znane koncentracije trdna, ponovite zgornje operacije in določite kot zasuka na skali instrumenta. Določitev kota zasuka se ponovi vsaj 5-krat in izračuna se njegova povprečna vrednost. Rotacijski kot je algebraična razlika med dobljeno vrednostjo in ničelno točko. Izmeri se rotacijski kot pripravljenih raztopin z desno in levo vrtečo se kafro in se sklepa o identifikaciji proučevane snovi.
Indikator kakovosti pripravkov ogljikovih hidratov je specifična rotacija raztopin, ki označuje optično aktivnost. Za vzpostavitev specifične rotacije se glukoza predhodno posuši pri 100–105 °C do konstantne teže. Rotacijski kot glukoze in mlečnega sladkorja se meri s polarimetrom po predhodnem dodajanju dveh kapljic raztopine amoniaka v preskusno raztopino. To pospeši proces mutarotacije. Povezana je z vzpostavitvijo ravnotežja pri tvorbi dveh epimerov. To ustvari povprečno vrednost specifične rotacije raztopine glukoze.
2. Podobno poteka proces epimerizacije mlečnega sladkorja pod delovanjem kisline ali encima invertaze, hidrolizira se saharoza. Nastala mešanica D-glukoze in D-fruktoze se imenuje invertni sladkor. Ta zmes je levosučna, saj njene optične lastnosti nastanejo zaradi specifične rotacije glukoze (+52,5°) in levosučne fruktoze (-93°).
Glukoza - specifična rotacija od + 52 do + 53° (10% vodna raztopina).
Mlečni sladkor - specifična rotacija od + 52 do + 53,5° (5% vodna raztopina).
Saharoza - specifična rotacija od + 66,5 do + 66,8° (10% vodna raztopina).
3. Pristnost glukozo in laktozo vzpostavimo s segrevanjem raztopin pripravkov s Fehlingovim reagentom do vrenja. V tem primeru glukoza tvori opečnato rdečo oborino bakrovega (I) oksida. Laktoza pri enakih pogojih daje rumeno oborino, ki postane rjavkasto rdeča. Saharoza za razliko od glukoze in laktoze ne reducira Fehlingovega reagenta.
4. Ko sta glukoza in laktoza izpostavljeni raztopini amoniaka srebrovega nitrata, se sprosti črna oborina srebra.
Saharoza ne reagira pozitivno s fenilhidrazinom.
7. Pod vplivom mineralnih kislin oz oksalna kislina Mono- in disaharidi se pri segrevanju v epruveti na plamenu gorilnika pretvorijo v furfural ali njegove derivate (disaharidi se najprej hidrolizirajo v monosaharide). Iz heksoz (glukoza) nastane hidroksimetilfurfural, iz pentoz (fruktoza) pa furfural:
Furfural ali hidroksimetilfurfural, ki sta hlapni spojini, medsebojno delujeta z anilinom ali novokainom, nanešenim na filtrirni papir, ki pokriva epruveto. Najprej nastanejo Schiffove baze, ki imajo svetlo rumeno barvo, nato pa se furanski obroč odpre in dobimo polimetinsko barvilo - derivat oksiglutakonskega aldehida (malina-vijolična barva):
9. Prisotnost hidroksilnih skupin lahko dokažemo tudi z reakcijo acetilacije.
10. Ugotavljanje pristnosti škroba se izvede: z vlivanjem v 100 ml vrele vode ob stalnem mešanju mešanice škroba in vode (1:5) in naknadnim vrenjem 2-3 minute nastane rahlo prozorna belkasta pasta z nastane modrikast odtenek nevtralne ali rahlo kisle reakcije.
Z dodatkom 1 kapljice 0,5% raztopine joda v ohlajeno škrobno pasto se pojavi modra barva.
Škrobna pasta se uporablja kot indikator pri jodometrični titraciji.
Specifična rotacija polarizacijske ravnine optično učinkovina je opredeljen kot rotacijski kot na enoto debeline materiala, ki se pregleduje:
Če kot vrtenja merimo v kotnih stopinjah in debelino plasti l- v mm, potem bo specifična dimenzija vrtenja [deg/mm].
V skladu s tem je specifična rotacija optično aktivne tekočine (ne raztopine) z gostoto c [g/cm 3 ] določena z izrazom
Ker je optična aktivnost tekočin veliko manjša od optične aktivnosti trdne snovi, debelina plasti tekočine pa se meri v decimetrih, potem ima specifična rotacija tekočine dimenzijo [deg cm-3 / (dm g)].
Specifična rotacija raztopine optično aktivne snovi v optično neaktivnem topilu s koncentracijo Z(g/100 ml) raztopine se določi po formuli
V organski kemiji se kot vrsta specifične rotacije uporablja tudi vrednost molske rotacije.
Določanje koncentracije raztopljenih optično aktivnih snovi na podlagi rezultatov merjenja rotacijskega kota b [deg] pri določeni debelini plasti. l[dm] za določeno valovno dolžino [nm] dobimo z Biotovo enačbo (1831):
Biotov zakon je skoraj vedno izpolnjen v območju nizkih koncentracij, pri visokih koncentracijah pa pride do znatnih odstopanj
Moteči dejavniki pri polarimetričnih meritvah
Z vsakim lomom in odbojem od površine, ki ni pravokotna na smer svetlobe, pride do spremembe polarizacijskega stanja vpadne svetlobe. Iz tega sledi, da kakršna koli motnost in mehurčki v preizkušani snovi zaradi množice površin močno zmanjšajo polarizacijo, občutljivost meritve pa lahko pade pod sprejemljivo raven. Enako velja za umazanijo in praske na okencih kivet in zaščitnem steklu svetlobnega vira.
Toplotne in mehanske napetosti v zaščitnih steklih in kivetnih oknih vodijo do dvojnega loma in posledično do eliptične polarizacije, ki se v obliki navidezne rotacije prekriva z rezultatom meritve. Ker so ti pojavi v večini primerov neobvladljivi in niso konstantni skozi čas, je treba paziti, da se v optičnih elementih ne pojavi mehanska obremenitev.
Močna odvisnost optične aktivnosti od valovne dolžine (rotacijska disperzija), ki je na primer za saharozo 0,3 %/nm v območju vidne svetlobe, sili k uporabi izredno ozkih spektralnih pasov v polarimetriji, ki se običajno zahteva samo v interferometriji. Polarimetrija je ena najobčutljivejših optičnih merilnih metod (razmerje med pragom občutljivosti in merilnim območjem je 1/10000), zato je za popolne polarimetrične meritve možna le strogo monokromatska svetloba, tj. izolirane črte spektra. uporabiti. Gorilniki visok pritisk, ki zagotavljajo visoko jakost svetlobe, so zaradi raztezanja neprimerni za polarimetrijo spektralne črte s spremembo tlaka in povečanim deležem neprekinjenega sevalnega ozadja za ta primer. Uporaba širših spektralnih pasov je možna le pri instrumentih, ki zagotavljajo kompenzacijo rotacijske disperzije, kot so na primer instrumenti s kompenzacijo s kvarčnim klinom (saharimeter s kvarčnim klinom) in instrumenti s kompenzacijo s Faradayevim učinkom. Instrumenti s kvarčno zagozdo imajo omejene možnosti kompenzacije pri merjenju saharoze. S kompenzacijo Faradayevega učinka z ustrezno izbiro materiala se lahko za rotacijsko disperzijo postavijo različne zahteve; ni pa mogoče doseči univerzalnosti uporabljenih metod.
Pri merjenju s končno širino spektralnega pasu v bližini absorpcijskih pasov pod vplivom absorpcije pride do premika efektivnega težišča porazdelitve valovnih dolžin, kar popači rezultate meritev, iz česar sledi, da je pri proučevanju absorpcijskih snovi potrebno za delo s strogo monokromatskim sevanjem.
Pri spremljanju hitro tekočih neprekinjenih tokov raztopin lahko eliptična polarizacija, ki je posledica dvojnega loma svetlobe v toku, poslabša občutljivost polarimetričnih merilnih metod in povzroči hude napake. Te težave je mogoče odpraviti le s skrbnim oblikovanjem toka, na primer z zagotavljanjem laminarnega vzporednega toka v kivetah in zmanjšanjem njegove hitrosti. polarizacija svetlobe vrtenje optični
Optično aktivne snovi imajo optično aktivnost, sposobnost vrtenja ravnine polarizacije polariziranega žarka svetlobe. Optična aktivnost spojin je posledica kiralnosti njihovih molekul in odsotnosti elementov simetrije.
Glede na naravo optično aktivne spojine se lahko rotacija polarizacijske ravnine spreminja v smeri in kotu rotacije. Če se polarizacijska ravnina vrti v smeri urinega kazalca, je smer vrtenja označena z znakom "+", v nasprotni smeri urinega kazalca pa z znakom "-". V prvem primeru se snov imenuje desnosučna, v drugem pa levosučna. Količina odstopanja polarizacijske ravnine od začetnega položaja, izražena v kotnih stopinjah, se imenuje rotacijski kot in je označena z grško črko a.
Kot vrtenja je odvisen od narave in debeline optično aktivne snovi, temperature, narave topila in valovne dolžine svetlobe.
Za primerjalno oceno sposobnosti različnih snovi, da vrtijo ravnino polarizacije svetlobe, se izračuna specifična rotacija [a]D>. .Veeey vrtenje je konstanta optično aktivne snovi, vrtenje ravnine polarizacije monokromatske svetlobe, ki jo povzroči 1 dm debela plast optično aktivne snovi pri preračunu za vsebnost 1 g snovi v 1 ml volumna:
kjer je a izmerjeni kot vrtenja, stopinje; D je valovna dolžina monokromatske svetlobe; t temperatura, pri kateri je bila izvedena meritev; / - debelina sloja, dm; C je koncentracija raztopine, izražena v gramih snovi na 100 ml raztopine.
Običajno se specifična rotacija določi pri 20 °C in valovni dolžini, ki ustreza natrijevi D črti (À, = 589,3 nm).
Za tekoče snovi specifično vrtenje
kjer je d gostota tekoče snovi, g/ml.
Pogosto se namesto specifične rotacije izračuna molarna e-ù^Hèe (z uporabo naslednje formule:
do 100", kjer je M molekulska masa.
Kot vrtenja se meri z iolarimeyag-roe (slika 1.101), ki vam omogoča, da dobite rezultate z natančnostjo ± 0,02 °.
Načelo delovanja polarimetra je naslednje: žarek razpršene svetlobe, ki jo oddaja vir - natrijeva svetilka 1 - prehaja skozi polarizator 3 (Nicolasove prizme) in se spremeni v ravninsko polarizirano. Ta žarek se od naravnega razlikuje po tem, da se nihanja vektorjev elektromagnetnega polja odvijajo v eni ravnini, imenovani polarna ravnina.
riž. 1.101. Polarimeter:
1 - vir svetlobe; 2 - dikromatski filter; 3 - polarizacijske Nicolasove prizme (polarizator); 4 - kiveta z raztopino snovi; 5 - Nicolasova analitična prizma (analizator); 6 - lestvica; 7 - okular; 8 - krmilni ročaj analizatorja
cij. Na poti polariziranega žarka je nameščena kiveta z optično aktivno snovjo 4, ki lahko zasuka polarizacijsko ravnino v levo ali desno za določen kot. Za merjenje kota rotacije a je nameščena še ena Nicolasova prizma - analizator 5. Z vrtenjem v desno ali levo dosežemo popolno ugasnitev prehajajočega svetlobnega žarka. Kot, za katerega je bil zavrten analizator, je opazovana optična rotacija. Vrednost kota se zabeleži na lestvici 6.
Tehnika merjenja. Najprej se nastavi ničelni položaj prizem. Če želite to narediti, v napravo postavite prazno kiveto 4, če preiskujete čisto tekočo snov, ali epruveto, napolnjeno s topilom. Električna žarnica 1 je nameščena pred napravo, če ima naprava vgrajen rumeni filter. Nato se prizme analizatorja postavijo v položaj, v katerem sta obe vidni polji enako osvetljeni. To se ponovi trikrat in iz dobljenih odčitkov se vzame povprečna vrednost, ki se vzame kot ničelni položaj prizem. Po tem se postavi epruveta s preskusno raztopino ali tekočino in, kot je navedeno zgoraj, se vzamejo odčitki polarimetra.
Priprava raztopine. Skrbno stehtan vzorec, ki tehta 0,1-0,5 g, raztopimo v merilni bučki v 25 ml topila. Običajno se kot topila uporabljajo voda, etanol in kloroform. Raztopina mora biti prozorna, brez netopnih suspendiranih delcev in po možnosti brezbarvna. Če dobimo neprozorno raztopino, jo je treba filtrirati skozi papirnati filter, prvi del filtrata zavreči in napolniti drugi del polarimetrične cevi ter nadaljevati z določanjem.
Polnjenje polarimetrične cevi. En konec polarimetrične celice 4 (sl. 1.101) je privit s pomočjo šobe. Epruveta se postavi navpično in se napolni z raztopino, dokler se nad zgornjim koncem cevi ne oblikuje okrogel meniskus. Na konec cevi se namesti steklena plošča, tako da v cevi ne ostanejo zračni mehurčki, nato pa se privije medeninasta šoba.
Pozor/ Med stekleno in medeninasto šobo je nameščena gumijasta podloga. & ni mogoče postaviti med konec steklene cevi in stekleno oblogo, ker bo stik stekla s steklom prekinjen.
Polarimetrično cev, napolnjeno z raztopino, postavimo v polarimeter in z odčitavanjem skale izmerimo vrtenje. Izvedejo se vsaj tri meritve in dobljeni podatki povprečijo. Opazovano vrtenje izračunamo kot razliko med dobljeno in ničelne vrednosti. Ta rezultat se uporabi za izračun specifične rotacije z uporabo ene od podanih formul. Izračunane vrednosti [a]^ primerjamo z literaturnimi podatki.
PRAKTIKUM
telovadba. Določite specifično vrtenje v vodi pri 20 °C naslednjih snovi: glukoza, X)-riboza, X-askorbinska kislina, arbutin, maltoza, saharoza, glikogen, β-askorbinska kislina.