Das Polarimetrie misst die Rotation, die ein polarisierter Lichtstrahl erfährt, wenn er durch eine optisch aktive Substanz tritt, die ein Kristall (zum Beispiel Turmalin) oder eine Zuckerlösung sein kann.
Es ist eine einfache Technik, die zu den optischen Analysemethoden gehört und zahlreiche Anwendungen hat, insbesondere in der chemischen Industrie und in der Lebensmittelindustrie, um die Konzentration zuckerhaltiger Lösungen zu bestimmen..
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Die physikalische Grundlage dieser Technik liegt in den Eigenschaften des Lichts als elektromagnetische Welle, die aus einem elektrischen Feld und einem Magnetfeld besteht, die sich in senkrecht zueinander stehenden Richtungen bewegen..
Elektromagnetische Wellen sind transversal, was bedeutet, dass sich diese Felder gemäß Abbildung 2 wiederum in der Richtung senkrecht zu ihnen ausbreiten.
Da das Feld jedoch aus zahlreichen Wellenzügen besteht, die von jedem Atom kommen und in verschiedene Richtungen schwingen, ist natürliches Licht oder das von einer Glühbirne kommende Licht nicht polarisiert..
Wenn im Gegensatz dazu die Schwingungen des Feldes in einer Vorzugsrichtung auftreten, wird das Licht als polarisiert bezeichnet. Dies kann erreicht werden, indem der Lichtstrahl durch bestimmte Substanzen geleitet wird, die unerwünschte Komponenten blockieren können, und nur eine bestimmte durchgelassen wird..
Wenn die Lichtwelle zusätzlich aus einer einzigen Wellenlänge besteht, haben wir einen Strahl linear polarisiertes Monochrom.
Materialien, die dazu als Filter dienen, werden als Polarisatoren oder Analysatoren bezeichnet. Und es gibt Substanzen, die auf polarisiertes Licht reagieren und die Polarisationsebene drehen. Sie sind als optisch aktive Substanzen bekannt, beispielsweise Zucker.
Im Allgemeinen können Polarimeter sein: manuell, automatisch und halbautomatisch und digital.
Manuelle Polarimeter werden in Lehrlabors und kleinen Labors verwendet, während automatische bevorzugt werden, wenn eine große Anzahl von Messungen erforderlich ist, da sie den Zeitaufwand für die Messung minimieren..
Die automatischen und digitalen Modelle sind mit einem fotoelektrischen Detektor ausgestattet, einem Sensor, der auf Lichtwechsel reagiert und die Genauigkeit der Messungen erheblich erhöht. Es gibt auch solche, die das Lesen auf einem digitalen Bildschirm anbieten und sehr einfach zu bedienen sind.
Um die allgemeine Funktionsweise eines Polarimeters zu veranschaulichen, wird nachstehend ein manueller optischer Typ beschrieben..
Ein Basispolarimeter verwendet zwei Nicol-Prismen oder Polaroid-Schichten, in deren Mitte sich die zu analysierende optisch aktive Substanz befindet..
William Nicol (1768-1851) war ein schottischer Physiker, der einen Großteil seiner Karriere der Instrumentierung widmete. Unter Verwendung eines Kalzitkristalls oder eines isländischen Holms, eines Minerals, das einen einfallenden Lichtstrahl spalten kann, schuf Nicol 1828 ein Prisma, mit dem polarisiertes Licht erhalten werden konnte. Es wurde häufig bei der Konstruktion von Polarimetern verwendet.
Die Hauptteile eines Polarimeters sind:
- Die Lichtquelle. Im Allgemeinen eine Natrium-, Wolfram- oder Quecksilberdampflampe, deren Wellenlänge bekannt ist.
- Polarisatoren. Die alten Modelle verwendeten Nicol-Prismen, während die moderneren normalerweise Polaroid-Schichten verwenden, die aus langkettigen Kohlenwasserstoffmolekülen mit Iodatomen bestehen..
- Ein Probenhalter. Wo sich die zu analysierende Substanz befindet, deren Länge variabel ist, aber genau bekannt ist.
- Ein Okular und Indikatoren mit Nonius-Skalen. Damit der Beobachter die Rotationskraft der Probe genau messen kann. Automatische Modelle verfügen über Lichtschranken.
- Zusätzlich Temperatur- und Wellenlängenindikatoren. Da die Rotationskraft vieler Substanzen von diesen Parametern abhängt.
Bei dem beschriebenen Verfahren gibt es eine kleine Unannehmlichkeit, wenn der Betrachter das Minimum an Licht einstellt, da das menschliche Auge nicht in der Lage ist, sehr kleine Schwankungen der Leuchtkraft zu erfassen..
Um dieses Problem zu lösen, fügt das Laurent-Polarimeter ein halblängenlängenverzögerendes Halbblatt aus doppelbrechendem Material hinzu..
Auf diese Weise hat der Betrachter zwei oder drei benachbarte Bereiche unterschiedlicher Leuchtkraft, die als Felder bezeichnet werden, im Betrachter. Dies erleichtert dem Auge die Unterscheidung zwischen Helligkeitsstufen..
Sie haben die genaueste Messung, wenn der Analysator so gedreht wird, dass alle Felder gleich dunkel sind..
Das Gesetz von Biot bezieht sich auf die Drehkraft α einer optisch aktiven Substanz, gemessen in sexagesimalen Graden, mit der Konzentration c der genannten Substanz - wenn es sich um eine Lösung handelt - und der Geometrie des optischen Systems.
Aus diesem Grund wurde bei der Beschreibung des Polarimeters betont, dass die Wellenlängenwerte des Lichts und des Probenhalters bekannt sein mussten.
Die Proportionalitätskonstante wird mit [α] bezeichnet und heißt spezifische Drehkraft der Lösung. Dies hängt von der Wellenlänge λ des einfallenden Lichts und der Temperatur T der Probe ab. Die Werte von [α] sind normalerweise bei 20 ºC für Natriumlicht tabellarisch angegeben, dessen Wellenlänge 589,3 nm beträgt.
Abhängig von der Art der zu analysierenden Verbindung nimmt das Biotsche Gesetz unterschiedliche Formen an:
- Optisch aktive Feststoffe: α = [α] .ℓ
- Reine Flüssigkeiten: α = [α]. ℓ.ρ
- Lösungen mit gelösten Stoffen mit optischer Aktivität: α = [α]. c.c
- Proben mit verschiedenen optisch aktiven Komponenten: ∑αich
Mit folgenden zusätzlichen Größen und deren Einheiten:
- Probenhalterlänge: ℓ (in mm für Feststoffe und dm für Flüssigkeiten)
- Dichte der Flüssigkeiten: ρ (in g / ml)
- Konzentration: c (in g / ml oder Molarität)
Polarimeter sind in verschiedenen Bereichen sehr nützliche Laborinstrumente, und jeder Polarimetertyp hat je nach Verwendung Vorteile..
Ein großer Vorteil der Technik selbst besteht darin, dass es sich um einen zerstörungsfreien Test handelt, der für die Analyse teurer, wertvoller Proben geeignet ist oder aus irgendeinem Grund nicht dupliziert werden kann. Die Polarimetrie gilt jedoch nicht für Substanzen, sondern nur für Substanzen mit optischer Aktivität oder Substanz chiral, wie sie auch bekannt sind.
Es ist auch zu berücksichtigen, dass das Vorhandensein von Verunreinigungen zu Fehlern in den Ergebnissen führt..
Der von der analysierten Substanz erzeugte Drehwinkel entspricht ihren Eigenschaften: der Art des Moleküls, der Konzentration der Lösung und sogar des verwendeten Lösungsmittels. Um all diese Daten zu erhalten, müssen die Wellenlänge des verwendeten Lichts, die Temperatur und die Länge des Probenbehälterbehälters genau bekannt sein..
Die Präzision, mit der Sie die Probe analysieren möchten, ist entscheidend für die Auswahl eines geeigneten Geräts. Und es kostet auch.
- Sie sind normalerweise billiger, obwohl es auch kostengünstige digitale Versionen gibt. Dafür gibt es viel zu bieten.
- Sie eignen sich für den Einsatz in Lehrlabors und als Schulung, da sie dem Bediener helfen, sich mit den theoretischen und praktischen Aspekten der Technik vertraut zu machen.
- Sie sind fast immer wartungsarm.
- Sie sind stark und langlebig.
- Das Ablesen der Messung ist etwas mühsamer, insbesondere wenn die zu analysierende Substanz eine geringe Rotationsleistung aufweist. Daher ist der Bediener in der Regel spezialisiertes Personal.
- Sie sind einfach zu handhaben und zu lesen, sie benötigen kein spezialisiertes Personal für ihren Betrieb.
- Das digitale Polarimeter kann die Daten auf einen Drucker oder ein Speichergerät exportieren.
- Automatische Polarimeter benötigen weniger Messzeit (ca. 1 Sekunde).
- Sie haben Optionen, um in Intervallen zu messen.
- Der photoelektrische Detektor ermöglicht die Analyse von Substanzen mit geringer Rotationsleistung.
- Effiziente Temperaturregelung, der Parameter, der die Messung am meisten beeinflusst.
- Einige Modelle sind teuer.
- Wartung erforderlich.
Wie eingangs erwähnt, hat die Polarimetrie eine Vielzahl von Anwendungen. Die Bereiche sind vielfältig und die zu analysierenden Verbindungen können sowohl organisch als auch anorganisch sein. Dies sind einige von ihnen:
- Bei der pharmazeutischen Qualitätskontrolle hilft dies festzustellen, ob die zur Herstellung von Arzneimitteln verwendeten Substanzen die richtige Konzentration und Reinheit aufweisen.
- Zur Qualitätskontrolle der Lebensmittelindustrie, Analyse der Reinheit von Zucker sowie seines Gehalts in Getränken und Süßigkeiten. Auf diese Weise verwendete Polarimeter werden auch genannt Saccharimeter und sie verwenden eine bestimmte Skala, die sich von der in anderen Anwendungen verwendeten unterscheidet: die ºZ-Skala.
- Auch in der Lebensmitteltechnologie wird es verwendet, um den Stärkegehalt einer Probe zu ermitteln.
- In der Astrophysik wird die Polarimetrie verwendet, um die Polarisation von Licht in Sternen zu analysieren und die in astronomischen Umgebungen vorhandenen Magnetfelder und ihre Rolle in der Sternendynamik zu untersuchen..
- Die Polarimetrie ist nützlich bei der Erkennung von Augenkrankheiten.
- In Satellitenfernerkundungsgeräten zur Beobachtung von Schiffen auf See, Verschmutzungsgebieten mitten im Meer oder an Land dank kontrastreicher Bildgebung.
- Die chemische Industrie verwendet Polarimetrie, um zwischen zu unterscheiden optische Isomere. Diese Substanzen haben identische chemische Eigenschaften, da ihre Moleküle die gleiche Zusammensetzung und Struktur haben, aber eines ist ein Spiegelbild des anderen..
Optische Isomere unterscheiden sich in der Art und Weise, wie sie Licht polarisieren (Enantiomere): Ein Isomer tut dies links (linkshändig) und das andere rechts (rechtshändig), immer aus Sicht des Betrachters..
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