0

Министерство здравоохранения Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Тверская государственная медицинская академия Министерства здравоохранения Российской Федерации»

Кафедра физики измерение концентрации оптически активных прозрачных растворов с помощью поляриметра

Методические указания для лабораторной работы № 13

Тверь 2004

Методические указания составлены кафедрой медбиофизики ТГМА и предназначены в помощь студентам лечебного, стоматологического, педиатрического и фармацевтического факультетов при подготовке и выполнении лабораторной работы.

Методические указания подготовили

доцент Бахтилов В.В.

доцент Туровцев В.В.

доцент Шабанова О.М.

Лабораторная работа № 13

ИЗМЕРЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ОПТИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ПРОЗРАЧНЫХ РАСТВОРОВ С ПОМОЩЬЮ ПОЛЯРИМЕТРА

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: 1. Изучить явление поляризации света, способы получения поляризованного света и его применение для исследования оптически активных веществ.

2. Освоить метод определения концентрации растворов оптически активных веществ с помощью сахариметра (поляриметра).

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: поляриметр, кюветы с различными жидкостями: дистиллированной водой, растворами сахара известной и неизвестной концентрации, осветитель.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

Согласно электромагнитной теории света, световая волна - это электромагнитная волна, в которой взаимно перпендикулярные колебания электрического Е и магнитного В векторов происходят перпендикулярно друг другу, а также направлению распространения волны (луча).

Химическое и биологическое действие света в основном связано с электрической составляющей поля электромагнитной волны. Поэтому вектор напряженности Е электрического поля называют световым.

Любой источник света состоит из множества одновременно действующих элементарных атомных излучателей с малыми продолжительностями жизни. От каждого атомного излучателя распространяются: колебания электрического вектора, происходящие в определенной плоскости. Световой луч данного направления содержит множество колебаний электрического (и, следовательно, магнитного) вектора, происходящих в разнообразно ориентированных плоскостях, проходящих через световой луч. Такой луч света называется естественным.

Существуют тела (поляризаторы), при прохождении через которые естественный луч света становится поляризованным. Колебания электрического вектора в поляризованном луче происходят в одной плоскости. Следовательно, поляризаторы обладают способностью сводить колебания электрического вектора, происходящие в различных плоскостях, к колебаниям в одной определенной плоскости. Плоскость, проведенная через вектор и направление распространения, называется плоскостью колебаний поляризованной волны или плоскостью поляризации.

В

Рис.1

Поляризация света имеет место при отражении и преломлении света прозрачными изотропными средами, при двойном преломлении света в естественных кристаллах и искусственных пленках (поляроидах), при прохождении света через мутные среды и пр.

При отражении естественного света от поверхности ряда тел (стекла, воды и т.п.) отраженные лучи оказываются частично поляризованными. Колебания электрического вектора у них совершаются преимущественно перпендикулярно плоскости падения Q (рис.2).

С

тепень поляризации отраженных лучей зависит от угла падения φ. Есть одно значение угла φ_n, при котором отраженный свет полностью поляризован. Это имеет место, если tg φ_n =n₁ , где n₁ - относительный показатель преломления среды; φ_n - угол полной поляризации. При прохождении естественного света через прозрачные изотропные тела преломленный луч оказывается также частично поляризованным, причем колебания в нем совершаются преимущественно в плоскости падения Q (рис.2). Степень поляризации преломленных лучей зависит от угла падения φ, причем остается неполной при всех значениях φ. Преломленный свет максимально поляризован при угле падения φ_n.

Рис.2

Если пропустить свет через ряд плоско-параллельных пластин (стопу), то по выходе из них свет станет полностью поляризованным.

Явление поляризации происходит и при двойном лучепреломлении света. Двойное лучепреломление света состоит в том, что световой луч, преломляясь на границе некоторых естественных кристаллов (исландский шпат, турмалин и др.), разделяется на два различных по скорости распространения, но одинаковых по интенсивности луча: обыкновенный (для него выполняются законы преломления) и необыкновенный (законы не выполняются). Оба луча поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях. Устранив один из лучей, получают поляризатор. Двойное лучепреломление обусловлено особенностями распространения электромагнитных волн в анизотропных средах.

На основании сказанного, поляризованный свет можно получить от стеклянных зеркал, стеклянных стоп, поляроидов и поляризационных призм.

Наиболее простым и совершенным способом получения поляризованного света является пропускание его через поляризационную призму Николя или просто николь. Из николя выходит один поляризованный луч (необыкновенный); другой луч - обыкновенный -поглощается гранью призмы (рис.3), на которую он попадает, испытав внутреннее отражение от поверхности склейки частей призмы.

3

Рис. 3.Призма Николя

1.-падающий луч; 2- обыкновенный луч; 3 - необыкновенный луч;

4 - исландский шпат; 5 - канадский бальзам.

Плоскополяризованный свет получают с помощью поляроидных пленок из герапатита, т.е. мелких кристаллов, закрепленных на целлулоидной пленке. Герапатит и подобные кристаллы обладают свойством дихроизма: наряду с двойным лучепреломлением они способны поглощать один из лучей значительно сильнее.

Механизм поляризации естественного света поляризатором можно представить следующим образом. Каждый электрический вектор естественного луча разлагается по правилу параллелограмма на две взаимно перпендикулярных составляющих. Та составляющая, которая совпадает с плоскостью колебаний поляризатора (главной плоскостью кристалла), пропускается.

Если свет падает на поляризатор и далее на экран, то, вращая плоскость колебания поляризатора, мы не заметим никакого изменения интенсивности света на экране. Глаз не воспринимает изменения плоскости колебаний электрического вектора и не может быть анализатором поляризованного света. Наблюдаемая картина изменится, если между поляризатором и экраном поместить еще один поляризатор. При вращении второго поляризатора интенсивность светового пятна на экране изменяется от нуля до определенного максимума. Второй поляризатор позволяет обнаружить, поляризован ли луч света, и поэтому называется анализатором.

Закон изменения интенсивности поляризованного света, прошедшего анализатор, в зависимости от взаимной ориентации плоскостей колебаний поляризатора и анализатора называется законом Малюса:

I=I₀·cos²φ

I – интенсивность света, прошедшего через анализатор;

I₀ – интенсивность света, прошедшего через поляризатор и упавшего на анализатор;

φ – угол между плоскостями поляризатора и анализатора.

Этот закон справедлив для любых поляризаторов и анализаторов. Поляризованный свет применяется при исследовании оптически анизотропных элементов различных структур, в частности, тканей организма. Во многих случаях при этом возможно установить расположение и строение элементов структуры, которые не выявляются при микроскопировании в естественном свете.

Оптическая анизотропия наблюдается у мышечных, соединительно-тканных и нервных волокон, а также у мицелл в мякотной оболочке нейрофибрилл. В связи с этим возможна поляризационная микроскопия биологических объектов. Для этих целей применяется поляризационный микроскоп.

Существуют в природе вещества, обладающие свойством поворачивать плоскость поляризации плоскополяризованного света, которые называются оптически активными. Таким свойством обладает кварц, а также некристаллические вещества: скипидар, раствор сахара в воде, пары камфары. Для растворов установлен закон зависимости угла поворота плоскости поляризованного света:

=[₀] Cl,

где C - концентрация оптически активного вещества,l - толщина слоя раствора, [₀] - коэффициент пропорциональности, имеющий смысл угла поворота плоскости поляризации света при прохождении столба жидкости единичной концентрации и единичной длины и называемый удельное вращение. Его величина приблизительно обратно пропорциональна квадрату длины волны света и зависит от температуры и свойств растворенного вещества.

Удельным вращением называют увеличенный в 100 раз угол вращения для столба раствора длиной 1 дм при концентрации вещества 1 г на 100 мл раствора при температуре 20^оС и длине волны света λ=589нм.

На зависимости угла поворота от концентрации основан метод определения концентрации вещества в растворе - поляриметрия. Он широко используется в медицине и биологии (например, для определения оптической активности сывороточных белков с целью диагностики рака). В клинической практике, например, для количественного определения содержания сахара в моче. Этот метод называется сахариметрией.

Однако поляриметр позволяет определять не только концентрацию, но и удельное вращение. Используя различные светофильтры, можно найти зависимость удельного вращения от длины волны (дисперсию оптической активности), в настоящее время для этих целей применяют спектральные приборы - спектрополяриметры. Поляриметрию применяют также как метод исследования структурных превращений, в частности в молекулярной биофизике, т.к. важнейшие биологические молекулы (белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды и т.п.) при изменении конформации меняют удельное вращение.

У

Схема

оптики

стройство и принцип действия сахариметра (рис.5):

Р

ис.5

Световой поток, отразившись от зеркала I, проходит через оранжевый светофильтр 2, поляризатор 3, кварцевую пластинку 4, которая разделяет его на две части, кювету 5. При вращении анализатора 6 половина поля зрения (рис.6) освещается, а другая затемняется.

Р

ис.6

1 - поле зрения; 2 - кварцевая пластинка. Только при среднем положении анализатора, которое и нужно получить при измерении, всё поле зрения затемняется равномерно, и линии раздела исчезают. Поле зрения рассматривают через окуляр 7-8, шкалу - через лупу 9.

Сахариметр состоит из трубки, в которой находятся все оптические детали и кювета, и опорной стойки.

При измерении определяется угловое положение  анализатора с точностью до 0,1° с помощью основной шкалы и нониуса.

Н

+1,7^о

а шкале анализатора имеется два нониуса для определения угла поворота плоскости поляризации для правовращающих веществ (положительный) и левовращающих (отрицательный). Для этого сначала нужно установить, на сколько полных градусов нулевой штрих нониуса (нижняя шкала) (рис.7) сдвинут относительно основной шкалы (верхняя шкала) вправо или влево. Затем отметить, какой по счёту штрих нониуса совпадает со штрихом основной шкалы.

Р

ис.7

Полученное число показывает десятые доли градуса, которые нужно прибавить к ранее найденному числу целых градусов. Если точного

совпадения штрихов шкалы и нониуса не происходит, то определяются половинные величины десятых долей градуса (0,05°).

Например, нулевой штрих нониуса лежит между 1°и 2° вправо. Седьмой штрих нониуса совпадает со штрихом основной шкалы. Следовательно, отсчёт равен +1,7°

Отсчёт по шкале анализатора без кюветы с раствором (нулевая установка) должен быть близким к нулю. Но при некоторых неисправностях прибора нулевая установка может получиться как с плюсом (вправо), так и с минусом (влево), поэтому при расчёте среднего нулевого положения анализатора необходимо учитывать знаки. Учитывать знак необходимо и в дальнейших измерениях. Предположим, что нулевая точка m₀ получилась в положении анализатора +0,2° (вправо) и, если при последующем измерении c наполненной кюветой получим одинаковую освещенность в положении анализатора +2,1°, то искомый угол вращения равен

+ 2,1°- 0,2°= +1,9°; если же нулевая точка будет -0,2° (влево), то искомый угол поворота равен +2,1°- (-0,2°) = 2,1°+ 0.2°= 2,3° и т.д.

Концентрации раствора определяют расчетом по формуле:

C=

Для расчета необходимо знать величину удельного вращения Ее рассчитывают по формуле

,

измеряя угол поворота плоскости поляризации для раствора с известной концентрацией.

МЕРЫ БЕЗОПАСНОСТИ:

- учесть, что опасным фактором при выполнении работы является переменное напряжение 220 В 50 ГЦ, питающее осветители, подготовить рабочее место, убрать на его зоны предметы, не относящиеся к выполняемой работе, разложить и расставить принадлежности в удобном для выполнения работы порядке;

- внешним осмотром убедиться в исправности аппаратуры и принадлежностей, целостности первичных и вторичных проводов монтажа осветителей.

ЗАПРЕЩАЕТСЯ самостоятельно производить ремонт электросети, делать переключения и подключения, не предусмотренные заданием;

- во время работы при появлении необычных звуков, запахов, дыма и т.п. немедленно обесточить осветители и доложить преподавателю;

КАТЕГОРИЧЕСКИ ЗАПРЁЩАЕТСЯ повторное включение без обнаружения и устранения причин неисправности;

- после окончания работы выключить осветители, обесточить щиток и сдать рабочее место преподавателю.

ЗАДАНИЕ П0 РАБОТЕ

1. Произвести измерение углов поворота плоскости поляризации различными жидкостями: дистиллированной водой, растворами сахара известной концентрации, растворами сахара неизвестной концентрации. Жидкости находятся в кюветах, заполнение их проводит лаборант, КРЫШКИ НА КЮВЕТЕ НЕ ОТКРЫВАТЬ! Если под стеклом обнаружится пузырек воздуха, измерения не производить.

2. Рассчитать удельное вращение для раствора сахара по углу поворота плоскости поляризации растворами сахара известной концентрации при температуре опыта.

3. Рассчитать неизвестную концентрацию раствора сахара.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Проверить правильность установки нулевого значения показаний прибора. Для этого зеркальцем направить свет в прибор (дневной свет или от осветителя). Вращением окуляра (8) и лупы (9) (рис.5) получить резкое изображение линий раздела поля зрения и градусной шкалы. Поворотом анализатора (6) добиться одинаковой затемненности двух частей поля зрения. Записать показание градусной шкалы с точностью до 0,1°. Сместить анализатор и снова найти нужное положение. Повторить три раза. Рассчитать среднее нулевое положение анализатора m₀.

2. Измерить угол поворота плоскости поляризации света при прохождении его через жидкости в разных кюветах, проводя по несколько измерений для каждой кюветы.

3. Рассчитать угол поворота плоскости поляризации d = . Результаты записать в таблицу.

№ пп	Без кюветы m0	Дистил. вода т	10%р-р m	20%р-р т	р-р сахара неизвестной концентрац.,m концвнтрац.	температура опыта
т
d = т –т0

4. Рассчитать удельное вращение для раствора сахара по углу поворота плоскости поляризации растворами сахара с известными концентрациями (для каждой концентрации – в отдельности). По этим данным рассчитать среднее значение, сравнить с табличным. Кювета сахариметра имеет длину 0,95 дм,

5. Рассчитать неизвестную концентрацию раствора сахара, используя полученное среднее значение α_о.

ЗАДАЧИ

1. Определить угол поворота плоскости колебаний светового луча для мочи больного диабетом при концентрации сахара С=0,05 г/см³ . Длина трубки l=20 см, удельное вращение сахара для используемого света [₀]=6,67 см/г.

2. Угол между главным плоскостями поляризатора и анализатора равен 60°. Во сколько раз интенсивность естественного света, падающего на поляризатор, больше интенсивности плоскополяризованного света, вышедшего из анализатора? Поглощением света пренебречь.

3. При измерении угла поворота плоскости поляризации волны для вещества с концентрацией 50 мг/мл было получено значение 2,2°, для вещества с концентрацией 150 мг/мл - 6,0°. Определить концентрацию вeщecтвa в растворе, для которого был найден угол поворота 4,8°. Ответ; 114 мг/мл

4. При измерении угла поворота плоскости поляризации волны для вещества с концентрацией 10мг/мл было получено значение 1,2°, для вещества с концентрацией 20мг/мл - 2°. Определить среднее удельное вращение раствора и показания прибора для вещества с концентрацией 40мг/мл. Длина кюветы 2дм.

Ответ; а₃=4,4°, f=55°

5. Интенсивность излучения падающего на анализатор, равно 0,05т/см². Найти интенсивность излучения, прошедшего анализатор, если угол между осью анализатора и вектором напряженности падающей электромагнитной волны равен 60°.

Ответ: 2=0.0125Вт/см²

6. Во сколько раз изменится удельное вращение раствора сахара в воде, если длина волны проходящего через него излучения возрастает в 3 раза.

Ответ: удельное вращение уменьшится в 9 раз.