Polarimetrie

Polarimetrie

Notiuni introductive

Conform teoriei lui Maxwell, lumina este o unda electromegnetica transversala in care oscilatiile celor doua campuri electrice E si magnetic H au loc in toate directiile, perpendicular pe directia de propagare c (viteza luminii) (fig.19).

Planul format de directia de oscilatie si directia de propagare se numeste plan de oscilatie. Prin reflexie, refractie si dubla refractie sau birefringenta se poate obtine o radiatie luminoasa in care oscilatia campului electric sa aiba loc intr-o singura directie, deci planul de oscilatie sa ramana constant. O asemenea radiatie luminoasa se numeste lumina liniar polarizata (fig.20).

Aparatele care folosesc lumina polarizata se bazeaza, in majoritate, pe fenomenul de birefringenta. Acest fenomen este prezent in unele substante a caror structura este asimetrica, la care proprietatile fizice variaza cu directia in care se exercita actiunea din exterior; asa sunt de exemplu, substantele cristalizate in alt sistem decat cel cubic, cum este de exemplu Spatul de Islanda (CaCO₃ cristalizat in romboedri hexagonali).

O raza de lumina care trece printr-un cristal birefringent intr-o alta directie decat directia axei optice a cristalului, se desfac in doua raze polarizate, de aceeasi intensitate, in care planele de polarizare sunt perpendiculare. (fig.21)

   

Una din raze, numita raza ordinara 0, urmeaza legile obisnuite ale refractiei; pentru cealalta, numita raza extraordinara E, indicele de refractie variaza in functie de unghiul de incidenta. Pentru a putea folosi lumina polarizata este necesar ca una din raze sa fie indepartata. Obisnuit se indeparteaza raza ordinara, aceasta realizandu-se cu ajutorul unei prisme numite Nicol. Nicolul (fig.22) consta din doua prisme din spat de Islanda, avand ca baza un triunghi dreptunghic cu unghiurile ascutite de 68⁰ si 22⁰. Ele sunt lipite cu balsam de Canada al carui indice de refractie este (n=1,5550) situat intre indicele de refractie pentru raza ordinara si extraordinara. Din aceasta cauza raza ordinara se reflecta total, iar raza extraordinara, total polarizata, traverseaza prisma fara deviatie.

Principiul metodei

Unele substante au insusirea de a roti planul luminii polarizante cand sunt strabatute de aceasta. Asemenea substante se numesc optic active. Cele care rotesc planul luminii polarizante spre    dreapra se numesc dextrogire si se noteaza cu +, iar cele care il rotesc spre stanga se numesc levogire si se noteaza cu -. Substantele optic active sunt de obicei organice si se caracterizeaza prin faptul ca au cel putin un atom de carbon asimetric in molecula.

Valoarea unghiului de rotatie a planului de polarizare depinde de o serie de factori: natura substantei cercetate, temperatura si lungimea de unda a luminii folosite. Unghiul de rotatie creste pe masura ce lungimea de unda se micsoreaza. Din aceasta cauza, in polarimetrie se foloseste lumina monocromatica, obisnuit, linia galbena a sodiului.

La substantele solide si lichide pure, unghiul de rotatie depinde de grosimea stratului optic activ, iar in cazul solutiilor depinde si de grosimea substantei optic active precum si de natura solventului.

Pentru compararea puterii de rotatie a diferitelor lichide pure, s-a introdus notiunea de putere rotatorie specifica, a _D, care reprezinta unghiul cu care este rotit planul luminii polarizate cand aceasta trece printr-o coloana de lichid cu lungimea de 10 cm (1 dm).

Se noteaza cu c concentratia exprimata in procente, cu l grosimea stratului de lichid (in dm) si cu a unghiul de rotatie (in grade), se poate scrie:

a _D

in care a _D reprezinta puterea rotatorie specifica pentru linia D a sodiului si temperatura de 20⁰C.

Proportionalitatea dintre unghiul de rotatie si concentratia solutiei are loc unmai pentru solutii diluate.

Descrierea aparaturii

Aparatul folosit pentru masurarea unghiului de rotatie se numeste polarimetru. Partile principale ale unui polarimetru cu penumbra (Laurent) sunt prezentate schemetic in fig.23

Fascicolul luminos monocromatic emis de o lampa de sodiu S, trece printr-un filtru F, este polarizat de nicolul polarizator N₁, cade pe o lama Laurent - lama semiuda, din cuart - L si de aici patrunde in tubul T cu solutia de cercetat. Dupa ce strabate tubul, fascicolul cade pe nicolul analizator N₂ si de aici ajunge in luneta (L). Prin miscarea ocularului imaginea campului vizual se pune la punct, astfel liniile de separatie a celor trei parti sa se vada clar. Nicolul analizator N₂ este solidar legat de un dublu vernier, care se poate misca de-a lungul unui disc gradat care permite citirea unghiului cu o precizie de 0,05⁰. Intre pozitia lui N₂, pentru care regiunea din mijloc este luminata, si marginile intunecate (fig.24a) si invers (fig.24b), exista o pozitie intermediara (fig.24c) pentru care cele trei regiuni ale campului sunt egal luminate, dar slab. Aceasta este pozitia de zero, fata de care se fac toate citirile ulterioare.

Tehnica de lucru

Se umple tubul polarimetrului cu apa distilata, avand grija sa nu ramana bule de aer in interoior, se sterge si se introduce in polarimetru. Se pune la punct imaginea campului vizual. Pentru cele trei regiuni uniform iluminate, zero al vernierului trebuie sa coincida cu zero al discului gradat. In caz contrar se citeste diviziunea a de pe disc, in dreptul caruia se afla zero de pe vernier, si aceasta reprezinta punctul zero al aparatului.

Determinarea puterii rotatorii specifice a zaharului

Se introduce in locul apei distilate solutia de zahar optic activa, de concentratie cunoscuta. Se roteste incet analizatorul pana cand regiunile campului vizual au iluminare egala (penumbra) si se face citirea a (pentru control toate citirile se vor face pe ambele verniere). Se calculeaza unghiul de rotatie al solutiei din diferenta: a a a . apoi dupa formula a _D , se determina puterea rotatorie specifica.

Pentru fiecare solutie de o anumita concentratie se fac mai multe citiri. La schimbarea solutiei, tubul se spala bine si se sterge sau se clateste cu o lolutie care urmeaza sa se analizeze.

Rezultatele se trec in tabel:

Determinarea concentratiei unei solutii de zahar

Se umple tubul polarimetric cu o solutie de concentratie necunoscuta si se determina unghiul a la fel ca mai sus. Se calculeaza diferenta:

a_D a a

Cunoscand pe a _D din determinarea precedenta, se afla concentratia conform relatiei:

c=

Cand se cunoaste natura solutiei a carei concentratie vrem sa o aflam, nu este necesara determinarea lui a _D

Tabel pentru rezultate

In laboratorul clinic cea mai curenta determinare polarimetrica este dozarea glucozei din serul sanguin, lichid cefalorahidian, urina, etc.

In conditii normale, cantitatea de glucoza in urina colectata in 24 de ore este de 100-200 mg. Valori crescute apar in glicozuria alimentara, diabetul zaharat, maladii hepatice etc.