- Perusta
- Polarimetrityypit
- Käyttöohjeet
- Automaattinen ja digitaalinen
- Käyttö ja osat
- Laurent-polarimetri
- Biotin laki
- Hyödyt ja haitat
- Manuaalisen polarimetrin edut ja haitat
- Automaattisten ja digitaalisten polarimetrien edut ja haitat
- Sovellukset
Polarimetria mittaa pyörimisen polarisoidun valon säde läpikäy, kun se kulkee optisesti aktiivinen aine, joka voi olla lasista (esim turmaliini) tai sokeri ratkaisu.
Se on yksinkertainen tekniikka, joka kuuluu optisiin analyysimenetelmiin ja jolla on lukuisia sovelluksia, erityisesti kemianteollisuudessa ja maatalouden elintarviketeollisuudessa, sokeriliuosten pitoisuuden määrittämiseen.
Kuva 1. Digitaalinen automaattinen polarimetri. Lähde: Wikimedia Commons. A.KRÜSS Optronic GmbH,
Perusta
Tämän tekniikan fyysinen perusta on valon ominaisuuksissa sähkömagneettisena aallona, joka koostuu sähkökentästä ja keskenään kohtisuorassa liikkuvasta magneettikentästä.
Sähkömagneettiset aallot ovat poikittaisia, mikä tarkoittaa, että nämä kentät puolestaan etenevät kuvan 2 mukaisesti niitä vastaan kohtisuoraan suuntaan.
Koska kenttä koostuu kuitenkin lukuisista aaltojunista, jotka tulevat jokaisesta atomista, ja jokainen heilahtelee eri suuntiin, luonnollinen valo tai hehkulampusta tuleva ei ole polarisoitunut.
Sitä vastoin, kun kentän värähtelyt tapahtuvat suosituimpaan suuntaan, valon sanotaan olevan polarisoitunut. Tämä voidaan saavuttaa antamalla valonsäteen kulkea tiettyjen aineiden läpi, jotka kykenevät estämään ei-toivotut komponentit ja antamalla vain yhden etenkin niiden läpi.
Kuva 2. Animaatio x-akselia pitkin etenevästä sähkömagneettisesta kentästä. Lähde: Wikimedia Commons. And1mu.
Jos lisäksi valoaalto koostuu yhdestä aallonpituudesta, meillä on lineaarisesti polarisoitu yksivärinen säde.
Materiaaleja, jotka toimivat suodattimina tämän saavuttamiseksi, kutsutaan polarisaattoreiksi tai analysaattoreiksi. Ja on aineita, jotka reagoivat polarisoituneeseen valoon pyörittäen polarisaatiotasoa. Ne tunnetaan optisesti aktiivisina aineina, esimerkiksi sokereina.
Polarimetrityypit
Polarimetrit voivat yleensä olla: manuaaliset, automaattiset ja puoliautomaattiset ja digitaaliset.
Käyttöohjeet
Manuaalisia polarimerejä käytetään opetuslaboratorioissa ja pienissä laboratorioissa, kun taas automaattisia polarimerejä suositaan, kun vaaditaan suuri määrä mittauksia, koska ne minimoivat mittaukseen kuluvan ajan.
Automaattinen ja digitaalinen
Automaattisissa ja digitaalisissa malleissa on valokenno, anturi, joka antaa vastauksen valon muutokseen ja lisää huomattavasti mittausten tarkkuutta. Joitakin, jotka tarjoavat lukemisen digitaalisella näytöllä, ovat erittäin helppokäyttöisiä.
Polarimetrin yleisen toiminnan havainnollistamiseksi kuvataan alla manuaalinen optinen tyyppi.
Käyttö ja osat
Peruspolarimetrissä käytetään kahta Nicol-prismaa tai Polaroid-levyä, joiden välissä on analysoitavissa oleva optisesti aktiivinen aine.
William Nicol (1768-1851) oli skotlantilainen fyysikko, joka omistautui suuren osan urastaan instrumentointiin. Nicol käytti kalsiitti- tai Islannin kärjessä olevaa mineraalia, joka kykenee jakamaan tulevan valonsäteen, vuonna 1828 prisman, jonka avulla polarisoitunut valo voidaan saada. Sitä käytettiin laajasti polarimetrien rakentamisessa.
Kuva 4. Kahtaistaittuva kalsiittikide. Lähde: Wikimedia Commons. APN MJM.
Polarimetrin pääosat ovat:
- Valonlähde. Yleensä natrium-, volframi- tai elohopeahöyrylamppu, jonka aallonpituus tunnetaan.
- Polarisaattorit. Vanhemmissa malleissa käytettiin Nicol-prismaja, kun taas moderneissa malleissa käytetään yleensä Polaroid-arkkeja, jotka on tehty pitkäketjuisista hiilivetymolekyyleistä, joissa on jodiatomeja.
- Näytteen haltija. Analysoitavan aineen sijoituspaikka on sen pituus vaihteleva, mutta tarkalleen tiedossa.
- Okulaari ja osoittimet varustettuna vernier-asteikolla. Tarkkailija voi mitata tarkasti näytteen kiertovoiman. Automaattisissa malleissa on valokennot.
- Lisäksi lämpötila- ja aallonpituusindikaattorit. Koska monien aineiden kiertovoima riippuu näistä parametreista.
Kuva 5. Kaavio manuaalisesta polarimetristä. Lähde: Chang, R. Chemistry.
Laurent-polarimetri
Kuvaillussa menettelyssä on pieni haitta, kun tarkkailija säätää valon minimin, koska ihmisen silmä ei pysty havaitsemaan pieniä valoisuuden muutoksia.
Tämän ongelman ratkaisemiseksi Laurent-polarimetri lisää puoliaallonpituutta hidastavan puoliarkin, joka on valmistettu kahtaistaittavasta materiaalista.
Tällä tavoin tarkkailijalla on katsojassa kaksi tai kolme vierekkäistä aluetta, joilla on erilainen valoisuus, nimeltään kentät. Tämä helpottaa silmän valotason erottamista.
Sinulla on tarkin mittaus, kun analysaattoria käännetään siten, että kaikki kentät ovat yhtä himmeät.
Kuva 6. Polarimetrin manuaalinen lukeminen. Lähde: F. Zapata.
Biotin laki
Biotin laki yhdistää optisesti aktiivisen aineen kiertotehon α, mitattuna seksuaalimäärinä, mainitun aineen pitoisuuteen c, kun se on ratkaisu, ja optisen järjestelmän geometriaan.
Siksi polarimetrin kuvaukseen painotettiin, että valon ja näytteen haltijan aallonpituusarvot oli tunnettava.
Suhteellisuusvakio merkitään ja sitä kutsutaan ratkaisun ominaiseksi kiertovoimaksi. Se riippuu tulevan valon aallonpituudesta λ ja näytteen lämpötilasta T. Näiden arvot taulukoidaan yleensä 20 ° C: ssa natriumvalolle, erityisesti, jonka aallonpituus on 589,3 nm.
Analysoitavan yhdisteen tyypistä riippuen Biotin laki on eri muotoinen:
- Optisesti aktiiviset kiinteät aineet: α =.ℓ
- Puhtaat nesteet: α =. ℓ.ρ
- Liuokset, joissa on liuenneita aineita, joilla on optinen aktiivisuus: α =. ℓ.c
- Näytteet, joissa on useita optisesti aktiivisia komponentteja: ∑α i
Seuraavat lisämäärät ja niiden yksiköt:
- Näytteenpitimen pituus: ℓ (millimetreinä kiinteille aineille ja dm nesteille)
- Nesteiden tiheys: ρ (g / ml)
- Pitoisuus: c (g / ml tai molaarisuus)
Hyödyt ja haitat
Polarimetrit ovat erittäin hyödyllisiä laboratorioinstrumentteja eri alueilla ja jokaisella polarimetrityypillä on etuja käyttötarkoituksensa mukaan.
Itse tekniikan suurena etuna on, että se on tuhoamaton testi, sopiva analysoitaessa kalliita, arvokkaita näytteitä tai jota ei jostain syystä voida kopioida. Polarimetriaa ei kuitenkaan voida soveltaa mihinkään aineeseen, vain niihin, joilla on optinen aktiivisuus tai kiraaliset aineet, koska ne myös tunnetaan.
On myös otettava huomioon, että epäpuhtauksien esiintyminen aiheuttaa virheitä tuloksiin.
Analysoidun aineen tuottama pyörimiskulma on sen ominaisuuksien mukainen: molekyylin tyyppi, liuoksen konsentraatio ja jopa käytetty liuotin. Kaikkien näiden tietojen saamiseksi on tiedettävä tarkalleen käytetyn valon aallonpituus, lämpötila ja näytteenpitosäiliön pituus.
Tarkkuus, jolla haluat analysoida näytteen, on ratkaiseva valittaessa sopivaa laitetta. Ja se maksaa myös.
Manuaalisen polarimetrin edut ja haitat
- Ne ovat yleensä halvempia, vaikka on olemassa myös edullisia digitaaliversioita. Tästä on paljon tarjontaa.
- Ne soveltuvat käytettäväksi laboratorioiden opettamisessa ja koulutuksessa, koska ne auttavat käyttäjää perehtymään tekniikan teoreettisiin ja käytännön näkökohtiin.
- Ne ovat melkein aina vähän huoltoa.
- Ne ovat kestäviä ja kestäviä.
- Mittauksen lukeminen on hiukan työläämpää, varsinkin jos analysoitavalla aineella on alhainen kiertovoima, siksi operaattori on yleensä erikoistunut henkilöstö.
Automaattisten ja digitaalisten polarimetrien edut ja haitat
- Niitä on helppo käsitellä ja lukea, ne eivät vaadi erikoistunutta henkilökuntaa toiminnassaan.
- Digitaalinen polarimetri voi viedä tiedot tulostimeen tai tallennuslaitteeseen.
- Automaattiset polarimetrit vaativat vähemmän mittausaikaa (noin 1 sekunti).
- Heillä on vaihtoehtoja mitata välein.
- Valokennon avulla voidaan analysoida aineita, joiden kiertovoima on alhainen.
- Säädä lämpötilaa tehokkaasti, parametri, joka vaikuttaa mittaukseen eniten.
- Jotkut mallit ovat kalliita.
- Ne vaativat huoltoa.
Sovellukset
Polarimetrialla on suuri määrä sovelluksia, kuten alussa mainittiin. Alueet ovat erilaisia ja analysoitavat yhdisteet voivat olla myös orgaanisia ja epäorgaanisia. Nämä ovat joitain niistä:
- Farmaseuttisessa laadunvalvonnassa auttaa määrittämään, että lääkkeiden valmistuksessa käytetyillä aineilla on sopiva pitoisuus ja puhtaus.
- Elintarviketeollisuuden laadunvalvontaan sokerin puhtauden sekä sen juomien ja makeisten pitoisuuden analysointiin. Tällä tavoin käytettyjä polarimerejä kutsutaan myös sakkharimereiksi ja ne käyttävät tiettyä asteikkoa, joka poikkeaa muissa sovelluksissa käytetystä asteikosta: ºZ-asteikolla.
Kuva 7. Viinien ja hedelmämehujen sokeripitoisuuden laadunvalvonta suoritetaan polarimetrisesti. Lähde: Pixabay.
- Myös elintarviketekniikassa sitä käytetään näytteen tärkkelyspitoisuuden löytämiseen.
- Astrofysiikassa polarimetriaa käytetään tutkimaan valon polarisaatiota tähtiissä ja tutkimaan tähtitieteellisissä ympäristöissä olevia magneettikenttiä ja niiden merkitystä tähtidynamiikassa.
- Polarimetria on hyödyllinen silmäsairauksien havaitsemisessa.
- Satelliittikaukokartoituslaitteissa, joiden tarkoituksena on tarkkailla aluksia aavalla merellä, pilaantumisalueilla keskellä merta tai maalla korkean kontrastin omaavien kuvien ottamisen ansiosta.
- Kemianteollisuus käyttää polarimetriaa optisten isomeerien erottamiseen. Näillä aineilla on identtiset kemialliset ominaisuudet, koska niiden molekyyleillä on sama koostumus ja rakenne, mutta yksi on peilikuva toisesta.
Optiset isomeerit eroavat toisistaan tavalla, jolla ne polarisoivat valoa (enantiomeerit): yksi isomeeri tekee niin vasemmalle (vasenkätinen) ja toinen oikealle (oikeakätinen), aina tarkkailijan näkökulmasta.
- AGS Analyyttinen. Mihin polarimetri on? Palautettu osoitteesta: agsanalitica.com.
- Chang, R. Chemistry. 2013. Yhdestoista painos. McGraw Hill.
- Gavira, J. Polarimetry. Palautettu osoitteesta: triplenlace.com.
- Tieteelliset instrumentit. Polarimetrit. Palautettu: uv.es.
- Valencian ammattikorkeakoulu. Polarimetrian soveltaminen
sokerin puhtauden määrittämiseen. Palautettu: riunet.upv.es.