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Polarimeter

Operating principle of an optical polarimeter. 1. Light source 2. Unpolarized light 3. Linear polarizer 4. Linearly polarized light 5. Sample tube containing chiral molecules un...

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Operating principle of an optical polarimeter. 1. Light source 2. Unpolarized light 3. Linear polarizer 4. Linearly polarized light 5. Sample tube containing chiral molecules under study 6. Optical rotation due to molecules 7. Rotatable linear analyzer 8. Detector

A polarimeter[1] is a scientific instrument used to measure optical rotation: the angle of rotation caused by passing linearly polarized light through an optically active substance.[2]

Some chemical substances are optically active, and linearly polarized (uni-directional) light will rotate either to the left (counter-clockwise) or right (clockwise) when passed through these substances. The amount by which the light is rotated is known as the angle of rotation. The direction (clockwise or counterclockwise) and magnitude of the rotation reveals information about the sample's chiral properties such as the relative concentration of enantiomers present in the sample.

History

Polarization by reflection was discovered in 1808 by Étienne-Louis Malus (1775–1812).[2]

Measuring principle

The ratio, the purity, and the concentration of two enantiomers can be measured via polarimetry. Enantiomers are characterized by their property to rotate the plane of linear polarized light. Therefore, those compounds are called optically active and their property is referred to as optical rotation. Light sources such as a light bulb, Tungsten Halogen, or the sun emit electromagnetic waves at the frequency of visible light. Their electric field oscillates in all possible planes relative to their direction of propagation. In contrast to that, the waves of linear-polarized light oscillate in parallel planes.[3]

If light encounters a polarizer, only the part of the light that oscillates in the defined plane of the polarizer may pass through. That plane is called the plane of polarization. The plane of polarization is turned by optically active compounds. According to the direction in which the light is rotated, the enantiomer is referred to as dextro-rotatory or levo-rotatory.

The optical activity of enantiomers is additive. If different enantiomers exist together in one solution, their optical activity adds up. That is why racemates are optically inactive, as they nullify their clockwise and counter clockwise optical activities. The optical rotation is proportional to the concentration of the optically active substances in solution. Polarimeters may therefore be applied for concentration measurements of enantiomer-pure samples. With a known concentration of a sample, polarimeters may also be applied to determine the specific rotation when characterizing a new substance. The specific rotation [α]λT{\displaystyle [\alpha ]_{\lambda }^{T}} is a physical property and defined as the optical rotation α at a path length l of 1 dm, a concentration c of 10 g/L, a temperature T (usually 20 °C) and a light wavelength λ (usually sodium D line at 589.3 nm):[4]

[α]λT=100×αl×c{\displaystyle [\alpha ]_{\lambda }^{T}={\frac {100\times \alpha }{l\times c}}}

This tells us how much the plane of polarization is rotated when the ray of light passes through a specific amount of optically active molecules of a sample. Therefore, the optical rotation depends on temperature, concentration, wavelength, path length, and the substance being analyzed.[5]

Construction

The polarimeter is made up of two Nicol prisms (the polarizer and analyzer). The polarizer is fixed and the analyzer can be rotated. The prisms may be thought of as slits S1 and S2. The light waves may be considered to correspond to waves in the string. The polarizer S1 allows only those light waves which move in a single plane. This causes the light to become plane polarized. When the analyzer is also placed in a similar position it allows the light waves coming from the polarizer to pass through it. When it is rotated through the right angle no waves can pass through the right angle and the field appears to be dark. If now a glass tube containing an optically active solution is placed between the polarizer and analyzer the light now rotates through the plane of polarization through a certain angle, the analyzer will have to be rotated in same angle.

Operation

Los polarímetros miden esto haciendo pasar luz monocromática a través de la primera de dos placas polarizadoras, creando un haz polarizado. Esta primera placa se conoce como polarizador. [ 6 ] Este haz gira al pasar a través de la muestra. Después de pasar a través de la muestra, un segundo polarizador, conocido como analizador, gira, ya sea manualmente o mediante la detección automática del ángulo. Cuando el analizador gira de tal manera que toda la luz puede pasar o ninguna luz puede pasar, se puede determinar el ángulo de rotación, que es igual al ángulo θ que giró el analizador en el primer caso, o 90-θ en el segundo.

Tipos de polarímetro

Polarímetro de media sombra de Laurent

Cuando la luz polarizada plana atraviesa algunos cristales, la velocidad de la luz polarizada a la izquierda es diferente de la de la luz polarizada a la derecha; por lo tanto, se dice que los cristales tienen dos índices de refracción, es decir, son birrefringentes.

Construcción: El polarímetro consta de una fuente monocromática S situada en el foco de una lente convexa L. Justo después de la lente convexa se encuentra un prisma de Nicol P que actúa como polarizador. H es un dispositivo de media pantalla que divide el campo de luz polarizada que emerge del prisma de Nicol P en dos mitades, generalmente de brillo desigual. T es un tubo de vidrio que contiene una solución ópticamente activa. La luz, tras atravesar T, incide sobre el prisma analizador de Nicol A, que puede girar sobre el eje del tubo. La rotación del analizador se puede medir con la ayuda de una escala C.

Principio de funcionamiento : Para comprender la necesidad de un dispositivo de semi-sombreado, supongamos que no está presente. La posición del analizador se ajusta de manera que el campo de visión esté oscuro cuando el tubo esté vacío. La posición del analizador se anota en la escala circular. Ahora, el tubo se llena con la solución ópticamente activa y se coloca en su posición correcta. La solución ópticamente activa rota el plano de polarización de la luz que emerge del polarizador P en un cierto ángulo, de modo que la luz es transmitida por el analizador A y el campo de visión del telescopio se ilumina. Ahora, el analizador se rota un ángulo finito de manera que el campo de visión del telescopio vuelva a oscurecerse. Esto sucederá solo cuando el analizador gire el mismo ángulo en que el plano de polarización de la luz gira debido a la solución ópticamente activa.

Se vuelve a anotar la posición del analizador. La diferencia entre ambas lecturas proporcionará el ángulo de rotación del plano de polarización.

Una dificultad que se presenta en el procedimiento anterior es que, al girar el analizador para lograr la oscuridad total, esta se alcanza gradualmente, lo que dificulta encontrar la posición exacta para obtenerla por completo. Para superar esta dificultad, se introduce un dispositivo de media sombra entre el polarizador P y el tubo de vidrio T.

Half shade device: It consist of two semicircular plates ACB and ADB. One half ACB is made of glass while other half is made of quartz. Both halves are cemented together. The quartz is cut parallel to the optic axis. Thickness of the quartz is selected in such a way that it introduces a path difference of ’A/2 between ordinary and extraordinary ray. The thickness of the glass is selected in such a way that it absorbs the same amount of light as is absorbed by the quartz half.

Consider that the vibration of polarization is along OP. On passing through the glass half the vibrations remain along OP. But on passing through the quartz half these vibrations will split into 0- and £-components. The £-components are parallel to the optic axis while O- component is perpendicular to optic axis. The O-component travels faster in quartz and hence an emergence 0-component will be along OD instead of along OC. Thus components OA and OD will combine to form a resultant vibration along OQ which makes the same angle with optic axis as OP. Now if the Principal plane of the analyzing Nicol is parallel to OP then the light will pass through the glass half unobstructed. Hence the glass half will be brighter than the quartz half or we can say that the glass half will be bright and the quartz half will be dark. Similarly if the principal plane of the analyzing Nicol is parallel to OQ then the quartz half will be bright and the glass half will be dark.

When the principal plane of the analyzer is along AOB then both halves will be equally bright. On the other hand, if the principal plane of the analyzer is along DOC then both the halves will be equally dark.

Thus it is clear that if the analyzing Nicol is slightly disturbed from DOC then one half becomes brighter than the other. Hence by using the half shade device, one can measure the angle of rotation more accurately.

Determination of specific rotation: In order to determine a specific rotation of an optically active substance (say, sugar), the polarimeter tube is first filled with pure water and the analyzer is adjusted for equal darkness (both the halves should be equally dark) point. The position of the analyzer is noted with the help of the scale. Now the polarimeter tube is filled with a sugar solution of known concentration and again the analyzer is adjusted in such a way that again the equally dark point is achieved. The position of the analyzer is again noted. The difference of the two readings will give the angle of rotation θ. Hence, a specific rotation S is determined as S = θ/LC, where L is the optical path length and C is concentration of the substance.

Biquartz polarimeter

Un polarímetro de biquartz utiliza una placa de biquartz , que consta de dos placas semicirculares de cuarzo , cada una de 3,75 mm de espesor. Una mitad está compuesta de cuarzo ópticamente activo dextrógiro, mientras que la otra es de cuarzo ópticamente activo levógiro.

Manual

Los primeros polarímetros, que datan de la década de 1830, requerían que el usuario girara físicamente un elemento polarizador (el analizador) mientras observaba a través de otro elemento estático (el detector). El detector se colocaba en el extremo opuesto de un tubo que contenía la muestra ópticamente activa, y el usuario utilizaba su vista para determinar la alineación cuando se observaba la menor cantidad de luz. El ángulo de rotación se leía entonces mediante un simple sensor fijo al polarizador móvil, con una precisión de aproximadamente un grado.

Aunque la mayoría de los polarímetros manuales actuales siguen adoptando este principio básico, las numerosas mejoras aplicadas al diseño optomecánico original a lo largo de los años han optimizado significativamente su rendimiento de medición. La introducción de una lámina de media onda aumentó la sensibilidad de distinción, mientras que una escala de vidrio de precisión con tambor vernier facilitó la lectura final con una precisión de aproximadamente ±0,05º. La mayoría de los polarímetros manuales modernos también incorporan un LED amarillo de larga duración en lugar de la lámpara de arco de sodio, más costosa, como fuente de luz.

Semiautomático

Actualmente, existen polarímetros semiautomáticos. El operador visualiza la imagen a través de una pantalla digital y ajusta el ángulo del analizador mediante controles electrónicos.

Totalmente automático

Polarímetro automático moderno con pantalla táctil y cámara que muestra la imagen de la celda con la muestra llena.

Actualmente, los polarímetros totalmente automáticos son de uso generalizado y solo requieren que el usuario pulse un botón y espere la lectura digital. Los polarímetros digitales automáticos de alta velocidad proporcionan un resultado preciso en pocos segundos, independientemente del ángulo de rotación de la muestra. Además, ofrecen medición continua, lo que facilita la cromatografía líquida de alto rendimiento y otras investigaciones cinéticas.

Otra característica de los polarímetros modernos es el modulador de Faraday . Este modulador crea un campo magnético de corriente alterna que hace oscilar el plano de polarización para mejorar la precisión de la detección, permitiendo que el punto de máxima oscuridad se atraviese repetidamente y, por lo tanto, se determine con mayor exactitud.

As the temperature of the sample has a significant influence on the optical rotation of the sample, modern polarimeters have already included Peltier elements to actively control the temperature. Special techniques as temperature controlled sample tubes reduce measuring errors and ease operation. Results can directly be transferred to computers or networks for automatic processing. Historically, accurate filling of the sample cell had to be checked outside the instrument, as an appropriate control from within the device was not possible. Nowadays a camera system can help to monitor the sample and accurate filling conditions in the sample cell. Furthermore, features for automatic filling introduced by few companies are available on the market. When working with caustic chemicals, acids, and bases it can be beneficial to not load the polarimeter cell by hand. Both of these options help to avoid potential errors caused by bubbles or particles.

Sources of error

The angle of rotation of an optically active substance can be affected by:

  • Concentration of the sample
  • Wavelength of light passing through the sample (generally, angle of rotation and wavelength tend to be inversely proportional)
  • Temperature of the sample (generally the two are directly proportional)
  • Length of the sample cell (input by the user into most automatic polarimeters to ensure better accuracy)
  • Filling conditions (bubbles, temperature and concentration gradients)

Most modern polarimeters have methods for compensating or/and controlling these errors.

Calibration

Históricamente, se utilizaba una solución de sacarosa con una concentración definida para calibrar polarímetros que relacionaban la cantidad de moléculas de azúcar con la rotación de la polarización de la luz. La Comisión Internacional para Métodos Uniformes de Análisis de Azúcares (ICUMSA) desempeñó un papel clave en la unificación de los métodos analíticos para la industria azucarera, estableciendo estándares para la Escala Internacional de Azúcares (ISS) y las especificaciones para polarímetros en la industria azucarera. [ 7 ] Sin embargo, las soluciones de azúcar son propensas a la contaminación y la evaporación. Además, la rotación óptica de una sustancia es muy sensible a la temperatura. Se encontró un estándar más fiable y estable: el cuarzo cristalino, que está orientado y cortado de manera que coincida con la rotación óptica de una solución de azúcar normal, pero sin mostrar las desventajas mencionadas anteriormente. [ 8 ] El cuarzo ( dióxido de silicio , SiO 2 ) es un mineral común, un compuesto químico trigonal de silicio y oxígeno. [ 9 ] Hoy en día, las placas de cuarzo o placas de control de cuarzo de diferentes espesores sirven como estándares para calibrar polarímetros y sacarímetros. Para garantizar resultados fiables y comparables, las placas de cuarzo pueden ser calibradas y certificadas por institutos de metrología. Alternativamente, la calibración puede verificarse utilizando un patrón de referencia de polarización, que consiste en una placa de cuarzo montada en un soporte perpendicular a la trayectoria de la luz. Estos patrones están disponibles, con trazabilidad al NIST, contactando con Rudolph Research Analytical, ubicada en 55 Newburgh Road, Hackettstown, NJ 07840, EE. UU. [ 10 ] Una calibración comienza con una prueba preliminar en la que se verifica la capacidad de calibración fundamental. Las placas de control de cuarzo deben cumplir con los requisitos mínimos requeridos con respecto a sus dimensiones, pureza óptica, planitud, paralelismo de las caras y errores del eje óptico. Después, el valor de medición real (la rotación óptica) se mide con el polarímetro de precisión. La incertidumbre de medición del polarímetro asciende a 0,001° (k=2). [ 11 ]

Aplicaciones

Dado que muchos compuestos químicamente activos, como el ácido tartárico , son estereoisómeros , se puede utilizar un polarímetro para identificar qué isómero está presente en una muestra: si la luz polarizada gira hacia la izquierda, se trata de un levoisómero, y hacia la derecha, de un dextroisómero. También se puede utilizar para medir la proporción de enantiómeros en disoluciones.

La rotación óptica es proporcional a la concentración de las sustancias ópticamente activas en solución. Por lo tanto, la polarimetría puede aplicarse para medir la concentración de muestras enantioméricamente puras. Con una concentración conocida de una muestra, la polarimetría también puede utilizarse para determinar la rotación específica (una propiedad física) al caracterizar una nueva sustancia.

Industria química

Muchos compuestos químicos presentan una rotación específica como propiedad única (una propiedad intensiva como el índice de refracción o la densidad ) que permite distinguirlos. Los polarímetros pueden identificar muestras desconocidas basándose en esta propiedad si se controlan o, al menos, se conocen otras variables como la concentración y la longitud de la celda de muestra. Esta técnica se utiliza en la industria química.

Del mismo modo, si ya se conoce la rotación específica de una muestra, entonces se puede calcular la concentración y/o pureza de una solución que la contenga.

La mayoría de los polarímetros automáticos realizan este cálculo automáticamente, a partir de las variables que introduce el usuario.

Industrias alimentaria, de bebidas y farmacéutica

Las mediciones de concentración y pureza son especialmente importantes para determinar la calidad de productos o ingredientes en las industrias alimentaria, de bebidas y farmacéutica. Las muestras que presentan rotaciones específicas que pueden calcularse para determinar su pureza con un polarímetro incluyen:

Los polarímetros se utilizan en la industria azucarera para determinar la calidad tanto del jugo de caña de azúcar como de la sacarosa refinada. Con frecuencia, las refinerías de azúcar emplean un polarímetro modificado con una celda de flujo (que se utiliza junto con un refractómetro ), denominado sacarímetro . Estos instrumentos utilizan la Escala Internacional de Azúcares, definida por la Comisión Internacional para Métodos Uniformes de Análisis de Azúcares (ICUMSA).

Véase también

Referencias

  1. ↑ "Polarímetro | Búsqueda en WordNet" . wordnetweb.princeton.edu . Consultado el 27 de abril de 2023 .
  2. 1 2 "Polarímetro" . physics.kenyon.edu . Archivado del original el 13 de mayo de 2023. Consultado el 27 de abril de 2023 .
  3. ^ Hart, C. (2002), Organische Chemie, Wiley-VCH, ISBN 3-527-30379-0
  4. ↑ Carey, FA; RJ Sundberg (2007). Química orgánica avanzada, parte A: Estructura y mecanismos (quinta ed.). Springer. pág. 123. doi : 10.1007/978-0-387-44899-2 . ISBN   978-0-387-44897-8.
  5. ↑"Group :: Anton-Paar.com". Anton Paar.
  6. ↑PolarimetryArchived 2011-09-27 at the Wayback Machine. chem.vt.edu
  7. ↑ICUMSA Specification and Standard SPS-1 (1998)
  8. ↑Schulz, M. (2006). High-accuracy polarimetric calibration of Quartz Control Plates(PDF). Rio de Janeiro, Brazil: XVIII IMEKO WORLD CONGRESS Metrology for a Sustainable Development.
  9. ↑Chandrasekhar, S. (1953). "Theoretical interpretation of the optical activity of quartz". Proceedings of the Indian Academy of Sciences, Section A. 37 (3): 468. doi:10.1007/BF03052667. S2CID 93769450.
  10. ↑"Polarimetric saccharimeters graduated in accordance with the ICUMSA, International Sugar Scale"(PDF). OIML R. 14. International Organization of Legal Metrology: 4. 1995.
  11. ↑"Polarimetric calibration of quartz control plates". 2 October 2020.
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