Polarímetro - Polarimeter
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Um polarímetro é um instrumento científico usado para medir o ângulo de rotação causado pela passagem de luz polarizada por uma substância opticamente ativa .
Algumas substâncias químicas são opticamente ativas e a luz polarizada (unidirecional) gira para a esquerda (sentido anti-horário) ou direita (sentido horário) quando passa por essas substâncias. A quantidade de rotação da luz é conhecida como ângulo de rotação. A direção (sentido horário ou anti-horário) e magnitude da rotação revelam informações sobre as propriedades quirais da amostra , como a concentração relativa de enantiômeros presentes na amostra.
História
A polarização por reflexão foi descoberta em 1808 por Étienne-Louis Malus (1775–1812).
Princípio de Medição
A proporção, a pureza e a concentração de dois enantiômeros podem ser medidas por meio de polarimetria. Os enantiômeros são caracterizados por sua propriedade de girar o plano da luz polarizada linear . Portanto, esses compostos são chamados de opticamente ativos e sua propriedade é chamada de rotação óptica . Fontes de luz como uma lâmpada, halogênio de tungstênio ou o sol emitem ondas eletromagnéticas na frequência da luz visível. Seu campo elétrico oscila em todos os planos possíveis em relação à direção de propagação. Em contraste com isso, as ondas de luz polarizada linear oscilam em planos paralelos.
Se a luz encontrar um polarizador, apenas a parte da luz que oscila no plano definido do polarizador pode passar. Esse plano é chamado de plano de polarização. O plano de polarização é girado por compostos opticamente ativos. De acordo com a direção em que a luz é girada, o enantiômero é referido como dextro-rotatório ou levo-rotatório.
A atividade óptica dos enantiômeros é aditiva. Se diferentes enantiômeros existirem juntos em uma solução, sua atividade óptica será adicionada. É por isso que os racemates são opticamente inativos, pois anulam suas atividades ópticas no sentido horário e anti-horário. A rotação óptica é proporcional à concentração das substâncias opticamente ativas em solução. Polarímetros podem, portanto, ser aplicados para medições de concentração de amostras puras de enantiômero. Com uma concentração conhecida de uma amostra, os polarímetros também podem ser aplicados para determinar a rotação específica ao caracterizar uma nova substância. A rotação específica é uma propriedade física e definida como a rotação óptica α em um comprimento de caminho l de 1 dm, uma concentração c de 1g / 100 mL, uma temperatura T (geralmente 20 ° C) e um comprimento de onda de luz λ (geralmente sódio D linha em 589,3 nm):
![[\ alpha] _ {\ lambda} ^ {T}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/d9e07055346ea7bf6d0866f3117775e36fb87c94)
![[\ alpha] _ \ lambda ^ T = \ frac {100 \ times \ alpha} {l \ times c}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/20a8fef4067da43e51ab35720b407e80535e92ca)
Isso nos diz o quanto o plano de polarização é girado quando o raio de luz passa por uma quantidade específica de moléculas opticamente ativas de uma amostra. Portanto, a rotação óptica depende da temperatura, concentração, comprimento de onda, comprimento do caminho e da substância que está sendo analisada.
Construção
O polarímetro é composto por dois prismas Nicol (o polarizador e o analisador). O polarizador é fixo e o analisador pode ser girado. Os prismas podem ser considerados fendas S1 e S2. As ondas de luz podem ser consideradas como correspondendo às ondas na corda. O polarizador S1 permite apenas as ondas de luz que se movem em um único plano. Isso faz com que a luz se torne plana polarizada. Quando o analisador também é colocado em uma posição semelhante, ele permite que as ondas de luz provenientes do polarizador passem por ele. Quando ele é girado no ângulo certo, nenhuma onda pode passar pelo ângulo certo e o campo parece estar escuro. Se agora um tubo de vidro contendo uma solução opticamente ativa é colocado entre o polarizador e o analisador, a luz agora gira através do plano de polarização através de um certo ângulo, o analisador terá que ser girado no mesmo ângulo.
Operação
Os polarímetros medem isso passando luz monocromática através da primeira das duas placas polarizadoras, criando um feixe polarizado. Esta primeira placa é conhecida como polarizador. Este feixe é então girado ao passar pela amostra. Depois de passar pela amostra, um segundo polarizador, conhecido como analisador, gira por meio de rotação manual ou detecção automática do ângulo. Quando o analisador é girado de modo que toda a luz ou nenhuma luz possa passar, então pode-se encontrar o ângulo de rotação que é igual ao ângulo pelo qual o analisador foi girado (θ) no primeiro caso ou (90-θ) no último caso.
Tipos de polarímetro
Polarímetro de meia sombra de Laurent
Quando a luz polarizada no plano passa por alguns cristais, a velocidade da luz polarizada à esquerda é diferente daquela da luz polarizada à direita, portanto, diz-se que os cristais têm dois índices de refração, ou seja, construção de refração dupla: Consiste em uma fonte monocromática S que é colocado no ponto focal de uma lente convexa L. Logo após a lente convexa, há um Nicol Prism P que atua como um polarizador. H é um dispositivo de meia sombra que divide o campo de luz polarizada que emerge do Nicol P em duas metades geralmente de brilho desigual. T é um tubo de vidro no qual a solução opticamente ativa é preenchida. A luz depois de passar por T pode incidir sobre o Nicol A analisador, que pode ser girado em torno do eixo do tubo. A rotação do analisador pode ser medida com a ajuda de uma escala C.
Funcionando : para entender a necessidade de um dispositivo de meia sombra, suponhamos que esse dispositivo de meia sombra não esteja presente. A posição do analisador é ajustada de forma que o campo de visão fique escuro quando o tubo está vazio. A posição do analisador é anotada em escala circular. Agora o tubo é preenchido com solução opticamente ativa e colocado em sua posição adequada. A solução opticamente ativa gira o plano de polarização da luz que emerge do polarizador P por algum ângulo. Assim, a luz é transmitida pelo analisador A e o campo de visão do telescópio torna-se brilhante. Agora, o analisador é girado em um ângulo finito para que o campo de visão do telescópio fique escuro novamente. Isso acontecerá apenas quando o analisador for girado no mesmo ângulo pelo qual o plano de polarização da luz é girado pela solução opticamente ativa.
A posição do analisador é novamente anotada. A diferença entre as duas leituras lhe dará o ângulo de rotação do plano de polarização (8).
Uma dificuldade é enfrentada no procedimento acima, quando o analisador é girado para a escuridão total, então ele é alcançado gradualmente e, portanto, é difícil encontrar a posição exata correta para a qual a escuridão total é obtida.
Para superar a dificuldade acima, o dispositivo de meia sombra é introduzido entre o polarizador P e o tubo de vidro T.
Dispositivo de meia sombra Consiste em duas placas semicirculares ACB e ADB. Metade do ACB é feita de vidro, enquanto a outra metade é feita de quartzo.
Ambas as metades são cimentadas. O quartzo é cortado paralelo ao eixo óptico. A espessura do quartzo é selecionada de tal forma que
introduz uma diferença de caminho de 'A / 2 entre o raio ordinário e o extraordinário. A espessura do vidro é selecionada de modo que absorva a mesma quantidade de luz que é absorvida pela metade de quartzo.
Considere que a vibração de polarização é ao longo de OP. Ao passar pelo vidro, metade das vibrações permanecem ao longo do OP. Mas, ao passar pelo quartzo, metade dessas vibrações se dividirá em componentes 0 e £. Os componentes £ são paralelos ao eixo óptico, enquanto o componente O é perpendicular ao eixo óptico. O componente O viaja mais rápido no quartzo e, portanto, um componente O de emergência estará ao longo do OD em vez de ao longo do OC. Assim, os componentes OA e OD se combinarão para formar uma vibração resultante ao longo de OQ, que faz o mesmo ângulo com o eixo óptico do OP. Agora, se o plano principal do Nicol analisando for paralelo ao OP, a luz passará através do vidro sem obstruções. Conseqüentemente, a metade do vidro será mais brilhante do que a metade do quartzo ou podemos dizer que a metade do vidro será brilhante e a metade do quartzo será escura. Da mesma forma, se o plano principal de análise de Nicol for paralelo a OQ, a metade do quartzo será brilhante e a metade do vidro será escura.
Quando o plano principal do analisador está ao longo de AOB, as duas metades serão igualmente brilhantes. Por outro lado, se o plano principal do analisador estiver ao longo do DOC. então ambas as metades ficarão igualmente escuras.
Portanto, é claro que, se o Nicol analisador for ligeiramente perturbado do DOC, uma metade se tornará mais brilhante do que a outra. Portanto, usando o dispositivo de meia sombra, pode-se medir o ângulo de rotação com mais precisão.
Determinação da rotação específica
Para determinar a rotação específica de uma substância opticamente ativa (digamos, açúcar), o tubo do polarímetro T é primeiro preenchido com água pura e o analisador é ajustado para um ponto de escuridão igual (ambas as metades devem ser igualmente escuras). A posição do analisador é anotada com a ajuda de uma escala. Agora o tubo do polarímetro é preenchido com solução de açúcar de concentração conhecida e novamente o analisador é ajustado de forma que o ponto igualmente escuro seja alcançado. A posição do analisador é novamente anotada. A diferença entre as duas leituras fornecerá o ângulo de rotação θ. Portanto, a rotação específica S é determinada usando a relação.
[S] t λ = θ / LC
O procedimento acima pode ser repetido para diferentes concentrações.
Polarímetro biquartz
Em polarímetros biquartz, uma placa biquartz é usada. A placa de biquartz consiste em duas placas semicirculares de quartzo, cada uma com 3,75 mm de espessura. Metade consiste em quartzo opticamente ativo para destros, enquanto a outra é quartzo opticamente ativo para canhotos.
Polarímetro Lippich
Polarímetro de raio-x
Polarímetro Quartz-Wedge
Manual
Os primeiros polarímetros, que datam da década de 1830, exigiam que o usuário girasse fisicamente um elemento polarizador (o analisador) enquanto visualizava através de outro elemento estático (o detector). O detector foi posicionado na extremidade oposta de um tubo contendo a amostra opticamente ativa, e o usuário usou seu olho para avaliar o "alinhamento" quando menos luz foi observada. O ângulo de rotação foi então lido de um polarizador fixo simples para o móvel em um grau ou mais.
Embora a maioria dos polarímetros manuais produzidos hoje ainda adote esse princípio básico, os muitos desenvolvimentos aplicados ao projeto opto-mecânico original ao longo dos anos melhoraram significativamente o desempenho de medição. A introdução de uma placa de meia onda aumentou a "sensibilidade de distinção", enquanto uma escala de vidro de precisão com tambor vernier facilitou a leitura final dentro de ca. ± 0,05º. A maioria dos polarímetros manuais modernos também incorpora um LED amarelo de longa duração no lugar da lâmpada de arco de sódio mais cara como fonte de luz.
Semiautomático
Hoje, polarímetros semiautomáticos estão disponíveis. O operador visualiza a imagem por meio de um display digital e ajusta o ângulo do analisador com controles eletrônicos.
Totalmente automatizado
Polarímetros totalmente automáticos agora são amplamente usados e simplesmente exigem que o usuário pressione um botão e espere por uma leitura digital. Os polarímetros digitais rápidos e automáticos produzem um resultado preciso em poucos segundos, independentemente do ângulo de rotação da amostra. Além disso, eles fornecem medição contínua, facilitando a cromatografia líquida de alto desempenho e outras investigações cinéticas.
Outra característica dos polarímetros modernos é o modulador Faraday . O modulador Faraday cria um campo magnético de corrente alternada. Ele oscila o plano de polarização para aumentar a precisão da detecção, permitindo que o ponto de escuridão máxima seja passado repetidamente e, assim, determinado com ainda mais precisão.
Como a temperatura da amostra tem uma influência significativa na rotação óptica da amostra, os polarímetros modernos já incluem elementos Peltier para controlar ativamente a temperatura. Técnicas especiais, como tubos de amostra com temperatura controlada, reduzem os erros de medição e facilitam a operação. Os resultados podem ser transferidos diretamente para computadores ou redes para processamento automático. Tradicionalmente, o preenchimento preciso da célula de amostra tinha que ser verificado fora do instrumento, pois um controle apropriado de dentro do dispositivo não era possível. Hoje em dia, um sistema de câmera pode ajudar a monitorar a amostra e as condições de preenchimento precisas na célula de amostra. Além disso, recursos de enchimento automático introduzidos por poucas empresas estão disponíveis no mercado. Ao trabalhar com produtos químicos cáusticos, ácidos e bases, pode ser benéfico não carregar a célula do polarímetro manualmente. Ambas as opções ajudam a evitar erros potenciais causados por bolhas ou partículas.
Fontes de erro
O ângulo de rotação de uma substância opticamente ativa pode ser afetado por:
- Concentração da amostra
- Comprimento de onda da luz que passa pela amostra (geralmente, o ângulo de rotação e o comprimento de onda tendem a ser inversamente proporcionais)
- Temperatura da amostra (geralmente os dois são diretamente proporcionais)
- Comprimento da célula de amostra (entrada pelo usuário na maioria dos polarímetros automáticos para garantir melhor precisão)
- Condições de enchimento (bolhas, gradientes de temperatura e concentração)
A maioria dos polarímetros modernos possui métodos para compensar e / ou controlar esses erros.
Calibração
Tradicionalmente, uma solução de sacarose com uma concentração definida era usada para calibrar os polarímetros relacionando a quantidade de moléculas de açúcar com a rotação de polarização da luz. A Comissão Internacional para Métodos Uniformes de Análise de Açúcar (ICUMSA) desempenhou um papel fundamental na unificação de métodos analíticos para a indústria açucareira, definindo padrões para a Escala Internacional de Açúcar (ISS) e as especificações para polarímetros na indústria açucareira. No entanto, as soluções de açúcar são propensas a contaminação e evaporação. Além disso, a rotação óptica de uma substância é muito sensível à temperatura. Um padrão mais confiável e estável foi encontrado: o quartzo cristalino que é orientado e cortado de forma que corresponda à rotação óptica de uma solução de açúcar normal, mas sem apresentar as desvantagens mencionadas acima. O quartzo (dióxido de silício SiO 2 ) é um mineral comum, um composto químico trigonal de silício e oxigênio. Hoje em dia, placas de quartzo ou placas de controle de quartzo de diferentes espessuras servem como padrões para calibrar polarímetros e sacarímetros. Para garantir resultados confiáveis e comparáveis, as placas de quartzo podem ser calibradas e certificadas por institutos de metrologia. Contudo,. Alternativamente, a calibração pode ser verificada usando um Polarization Reference Standard, que consiste em uma placa de quartzo montada em um suporte perpendicular ao caminho da luz. Esses padrões estão disponíveis, rastreáveis ao NIST, entrando em contato com Rudolph Research Analytical, localizado em 55 Newburgh Road, Hackettstown, NJ 07840, EUA. Uma calibração consiste primeiro em um teste preliminar no qual a capacidade de calibração fundamental é verificada. As placas de controle de quartzo devem atender aos requisitos mínimos exigidos no que diz respeito às suas dimensões, pureza óptica, planicidade, paralelismo das faces e erros do eixo óptico. Depois disso, o valor real da medição - a rotação óptica - é medido com o polarímetro de precisão. A incerteza de medição do polarímetro é de 0,001 ° (k = 2).
Formulários
Como muitos produtos químicos opticamente ativos, como o ácido tartárico , são estereoisômeros , um polarímetro pode ser usado para identificar qual isômero está presente em uma amostra - se ele girar a luz polarizada para a esquerda, é um levo-isômero e, para a direita, um isômero dextro. Também pode ser usado para medir a proporção de enantiômeros em soluções.
A rotação óptica é proporcional à concentração das substâncias opticamente ativas em solução. Polarimetria pode, portanto, ser aplicada para medições de concentração de amostras puras de enantiômero. Com uma concentração conhecida de uma amostra, a polarimetria também pode ser aplicada para determinar a rotação específica (uma propriedade física) ao caracterizar uma nova substância.
Indústria química
Muitos produtos químicos exibem uma rotação específica como uma propriedade única (uma propriedade intensiva como índice de refração ou gravidade específica ) que pode ser usada para distingui-la. Os polarímetros podem identificar amostras desconhecidas com base nisso se outras variáveis, como concentração e comprimento do comprimento da célula de amostra, forem controladas ou pelo menos conhecidas. Isso é usado na indústria química.
Da mesma forma, se a rotação específica de uma amostra já for conhecida, então a concentração e / ou pureza de uma solução que a contém pode ser calculada.
A maioria dos polarímetros automáticos faz esse cálculo automaticamente, com base nas variáveis do usuário.
Indústrias de alimentos, bebidas e farmacêuticas
As medições de concentração e pureza são especialmente importantes para determinar a qualidade do produto ou ingrediente nas indústrias de alimentos e bebidas e farmacêutica. As amostras que exibem rotações específicas que podem ser calculadas para pureza com um polarímetro incluem:
Os polarímetros são usados na indústria açucareira para determinar a qualidade do caldo da cana-de-açúcar e da sacarose refinada. Freqüentemente, as refinarias de açúcar usam um polarímetro modificado com uma célula de fluxo (e usado em conjunto com um refratômetro ) chamado de sacarímetro . Esses instrumentos usam a Escala Internacional de Açúcar, conforme definido pela Comissão Internacional para Métodos Uniformes de Análise de Açúcar (ICUMSA).