פולרימטר

פולרימטר הוא מכשיר מדעי המשמש למדידת פעילות אופטית: זווית סיבוב (אנ') הנגרמת על ידי מעבר אור מקוטב ליניארית דרך חומר פעיל אופטית.^[1]

חומרים כימיים מסוימים הם פעילים אופטית, ואור מקוטב ליניארית (חד-כיווני) יסתובב שמאלה (נגד כיוון השעון) או ימינה (עם כיוון השעון) כאשר יעבור דרך חומרים אלו. המידה שבה האור מסתובב ידועה כזווית הסיבוב. הכיוון (עם או נגד כיוון השעון) וגודל הסיבוב חושפים מידע על התכונות הכיראליות של הדגימה, כגון הריכוז היחסי של אננטיומרים הנמצאים בדגימה.

היסטוריה

קיטוב על ידי החזרה התגלה ב-1808 על ידי אטיין לואי מאלוס (1775–1812).

עקרון המדידה

היחס, הטוהר והריכוז של שני אננטיומרים ניתנים למדידה באמצעות פולרימטריה. אננטיומרים מאופיינים בתכונתם לסובב את המישור של אור מקוטב ליניארית. לכן, תרכובות אלו נקראות פעילות אופטית ותכונתן מכונה פעילות אופטית. מקורות אור כגון נורת להט, טונגסטן הלוגן, או השמש פולטים גלים אלקטרומגנטיים בתדירות של אור נראה. השדה חשמלי שלהם מתנודד בכל המישורים האפשריים ביחס לכיוון ההתפשטות שלהם. בניגוד לכך, הגלים של אור מקוטב-ליניארית מתנודדים במישורים מקבילים.

אם אור פוגע במקטב, רק אותו חלק של האור המתנודד במישור המוגדר של המקטב רשאי לעבור דרכו. מישור זה נקרא מישור הקיטוב. מישור הקיטוב מסובב על ידי תרכובות פעילות אופטית. בהתאם לכיוון שבו האור מסובב, האננטיומר מכונה דקסטרו-רוטטורי או לבו-רוטטורי.

הפעילות האופטית של אננטיומרים היא מצרפית. אם אננטיומרים שונים קיימים יחד בתמיסה אחת, הפעילות האופטית שלהם מסתכמת. זו הסיבה שרצמטים אינם פעילים אופטית, מכיוון שהם מבטלים את הפעילויות האופטיות שלהם עם ונגד כיוון השעון.

הסיבוב האופטי הוא פרופורציונלי לריכוז החומרים הפעילים אופטית בתמיסה. לכן ניתן ליישם פולרימטרים למדידות ריכוז של דגימות טהורות-אננטיומרית. עם ריכוז ידוע של דגימה, ניתן ליישם פולרימטרים גם כדי לקבוע את הסיבוב הסגולי (אנ') בעת אפיון חומר חדש. הסיבוב הסגולי $[\alpha ]_{\lambda }^{T}$ הוא תכונה פיזיקלית ומוגדר כסיבוב האופטי α באורך מסלול l של 1 דצימטר, ריכוז c של 10 גרם/ליטר, טמפרטורה T (בדרך כלל C°‏ 20) ואורך גל אור λ (בדרך כלל קו D של נתרן ב-589.3 ננומטר):^[2]

[\alpha ]_{\lambda }^{T}={\frac {100\times \alpha }{l\times c}}

נוסחה זו אומרת לנו בכמה מסובב מישור הקיטוב כאשר קרן האור עוברת דרך כמות ספציפית של מולקולות פעילות אופטית של דגימה. לכן, הסיבוב האופטי תלוי בטמפרטורה, ריכוז, אורך גל, אורך המסלול והחומר המנותח.^[3]

מבנה

הפולרימטר מורכב משתי מנסרות ניקול (אנ') (המקטב והמנתח). המקטב קבוע והמנתח ניתן לסיבוב. ניתן לחשוב על המנסרות כעל סדקים S1 ו-S2. ניתן לראות את גלי האור כמקבילים לגלים במיתר. המקטב S1 מאפשר רק לאותם גלי אור הנעים במישור יחיד לעבור. זה גורם לאור להפוך למקוטב מישורית. כאשר המנתח מוצב גם הוא במיקום דומה הוא מאפשר לגלי האור המגיעים מהמקטב לעבור דרכו. כאשר הוא מסובב לזווית ישרה שום גל לא יכול לעבור דרך הזווית הישרה והשדה נראה חשוך. אם כעת שפופרת זכוכית המכילה תמיסה פעילה אופטית ממוקמת בין המקוטב למנתח, האור כעת מסתובב דרך מישור הקיטוב בזווית מסוימת, ויהיה צורך לסובב את המנתח באותה זווית.

הפעלה

פולרימטרים מודדים זאת על ידי העברת אור מונוכרומטי (אנ') דרך הלוח הראשון מבין שני לוחות מקטבים, מה שיוצר קרן מקוטבת. לוח ראשון זה ידוע כמקטב. קרן זו מסובבת לאחר מכן כשהיא עוברת דרך הדגימה. לאחר המעבר דרך הדגימה, מקטב שני, הידוע כמנתח, מסתובב או באמצעות סיבוב ידני או באמצעות גילוי אוטומטי של הזווית. כאשר המנתח מסובב כך שכל האור או שום אור לא יכול לעבור, אזי ניתן למצוא את זווית הסיבוב שהיא שווה לזווית θ שבה סובב המנתח במקרה הראשון, או θ‏-90 במקרה השני.

סוגי פולרימטרים

פולרימטר חצי-צל של לורן

כאשר אור מקוטב-מישורית עובר דרך גבישים מסוימים, המהירות של אור מקוטב-שמאלי שונה מזו של אור מקוטב-ימני, ולכן נאמר שלגבישים יש שני מקדמי שבירה, כלומר שבירה כפולה.

מבנה: הפולרימטר מורכב ממקור מונוכרומטי S הממוקם בנקודת המוקד של עדשה קמורה L. מיד אחרי העדשה הקמורה ישנה מנסרת ניקול (אנ') P המשמשת כמקטב. H הוא התקן חצי-צל המחלק את שדה האור המקוטב היוצא מהניקול P לשני חצאים, בדרך כלל בעלי בהירות לא שווה. T היא שפופרת זכוכית שבה ממולאת תמיסה פעילה אופטית. האור, לאחר שעבר דרך T, מורשה ליפול על המנתח ניקול A שניתן לסיבוב סביב ציר השפופרת. את סיבוב המנתח ניתן למדוד בעזרת סקאלה C.

עקרון פעולה: כדי להבין את הצורך בהתקן חצי-צל, נניח שהוא אינו קיים. מיקום המנתח מכוון כך ששדה הראייה חשוך כאשר השפופרת ריקה. מיקום המנתח נרשם על הסקאלה המעגלית. כעת השפופרת ממולאת בתמיסה הפעילה אופטית ומוצבת במקומה המתאים. התמיסה הפעילה אופטית מסובבת את מישור הקיטוב של האור היוצא מהמקטב P בזווית כלשהי, כך שהאור מועבר על ידי המנתח A ושדה הראייה של הטלסקופ הופך בהיר. כעת המנתח מסובב בזווית סופית כך ששדה הראייה של הטלסקופ הופך שוב לחשוך. זה יקרה רק כאשר המנתח מסובב באותה זווית שבה מישור הקיטוב של האור סובב על ידי התמיסה הפעילה אופטית.

מיקום המנתח נרשם שוב. ההפרש בין שתי הקריאות ייתן את זווית הסיבוב של מישור הקיטוב.

קושי שנתקלים בו בהליך לעיל הוא שכאשר המנתח מסובב לחושך מוחלט, הדבר מושג בהדרגה ולכן קשה למצוא את המיקום המדויק שבו מושג חושך מוחלט. כדי להתגבר על הקושי לעיל, התקן החצי-צל מוכנס בין המקטב P ושפופרת הזכוכית T.

התקן חצי-צל: הוא מורכב משני לוחות חצי-עיגול ACB ו-ADB. חצי אחד ACB עשוי זכוכית בעוד החצי השני עשוי קוורץ. שני החצאים מודבקים יחד. הקוורץ חתוך במקביל לציר האופטי. עובי הקוורץ נבחר בצורה כזו שהוא יוצר הפרש דרכים של ’A/2 בין הקרן הרגילה לקרן הבלתי רגילה (שבירה כפולה). עובי הזכוכית נבחר בצורה כזו שהוא בולע אותה כמות אור כפי שנבלעת על ידי חצי הקוורץ.

הניחו שתנודת הקיטוב היא לאורך OP. במעבר דרך חצי הזכוכית התנודות נשארות לאורך OP. אך במעבר דרך חצי הקוורץ תנודות אלו יתפצלו לרכיבי O- ו-£-. רכיבי ה-£- מקבילים לציר האופטי בעוד רכיב ה-O- מאונך לציר האופטי. רכיב ה-O נע מהר יותר בקוורץ ולכן רכיב O יוצא יהיה לאורך OD במקום לאורך OC. כך רכיבים OA ו-OD ישתלבו ליצירת תנודה שקולה לאורך OQ היוצרת את אותה זווית עם הציר האופטי כמו OP. כעת אם המישור הראשי של הניקול המנתח מקביל ל-OP אזי האור יעבור דרך חצי הזכוכית ללא הפרעה. לפיכך חצי הזכוכית יהיה בהיר יותר מחצי הקוורץ או שניתן לומר שחצי הזכוכית יהיה בהיר וחצי הקוורץ יהיה חשוך. באופן דומה אם המישור הראשי של הניקול המנתח מקביל ל-OQ אזי חצי הקוורץ יהיה בהיר וחצי הזכוכית יהיה חשוך.

כאשר המישור הראשי של המנתח הוא לאורך AOB אזי שני החצאים יהיו בהירים במידה שווה. מצד שני, אם המישור הראשי של המנתח הוא לאורך DOC אזי שני החצאים יהיו חשוכים במידה שווה.

כך ברור שאם הניקול המנתח מופרע קלות מ-DOC אזי חצי אחד הופך בהיר יותר מהשני. לכן על ידי שימוש בהתקן חצי-צל, ניתן למדוד את זווית הסיבוב באופן מדויק יותר.

קביעת סיבוב סגולי: כדי לקבוע סיבוב סגולי של חומר פעיל אופטית (למשל, סוכר), שפופרת הפולרימטר ממולאת תחילה במים מזוקקים והמנתח מכוון לנקודת חושך שווה (שני החצאים צריכים להיות חשוכים במידה שווה). מיקום המנתח נרשם בעזרת הסקאלה. כעת שפופרת הפולרימטר ממולאת בתמיסת סוכר בריכוז ידוע ושוב המנתח מכוון בצורה כזו ששוב מושגת נקודת החושך השווה. מיקום המנתח נרשם שוב. ההפרש בין שתי הקריאות ייתן את זווית הסיבוב θ. לפיכך, סיבוב סגולי S נקבע כ-S = θ/LC, כאשר L הוא אורך המסלול האופטי ו-C הוא ריכוז החומר.

פולרימטר דו-קוורץ

פולרימטר דו-קוורץ משתמש בלוח דו-קוורץ, המורכב משני לוחות חצי-עיגול של קוורץ, כל אחד בעובי 3.75 מ"מ. חצי אחד מורכב מקוורץ פעיל אופטית ימני, בעוד השני הוא קוורץ פעיל אופטית שמאלי.

ידני

הפולרימטרים המוקדמים ביותר, משנות ה-30 של המאה ה-19, דרשו מהמשתמש לסובב פיזית אלמנט מקטב אחד (המנתח) תוך צפייה דרך אלמנט סטטי אחר (הגלאי). הגלאי היה ממוקם בקצה הנגדי של שפופרת המכילה את הדגימה הפעילה אופטית, והמשתמש השתמש בעין שלו כדי לשפוט את ה"יישור" כאשר נצפה הכי פחות אור. זווית הסיבוב נקראה אז מסקאלה פשוטה הקבועה למקטב הנע בדיוק של מעלה בערך.

אף על פי שרוב הפולרימטרים הידניים המיוצרים כיום עדיין מאמצים עקרון בסיסי זה, הפיתוחים הרבים שיושמו על העיצוב האופטו-מכני המקורי לאורך השנים שיפרו משמעותית את ביצועי המדידה. הכנסת לוחית חצי-גל הגדילה את "רגישות ההבחנה", בעוד שסקאלת זכוכית מדויקת עם סולם ורנייה אפשרה קריאה סופית בדיוק של כ-0.05º±. רוב הפולרימטרים הידניים המודרניים משלבים גם LED צהוב בעל אורך חיים ארוך במקום מנורת קשת הנתרן היקרה יותר כמקור אור.

חצי-אוטומטי

כיום, פולרימטרים חצי-אוטומטיים זמינים. המפעיל צופה בתמונה דרך צג דיגיטלי ומכוון את זווית המנתח עם בקרים אלקטרוניים.

אוטומטי מלא

פולרימטרים אוטומטיים לחלוטין נמצאים כיום בשימוש נרחב ודורשים מהמשתמש פשוט ללחוץ על כפתור ולהמתין לקריאה דיגיטלית. פולרימטרים דיגיטליים אוטומטיים מהירים מניבים תוצאה מדויקת תוך מספר שניות, ללא קשר לזווית הסיבוב של הדגימה. בנוסף, הם מספקים מדידה רציפה, המאפשרת כרומטוגרפיה נוזלית בלחץ גבוה וחקירות קינטיות אחרות.

תכונה נוספת של פולרימטרים מודרניים היא אפנן פאראדיי (אנ'). אפנן פאראדיי יוצר שדה מגנטי של זרם חילופין. הוא מנדנד את מישור הקיטוב כדי לשפר את דיוק הגילוי על ידי כך שהוא מאפשר לעבור דרך נקודת החושך המרבית שוב ושוב וכך להיקבע בדיוק רב עוד יותר.

מכיוון שלטמפרטורת הדגימה יש השפעה משמעותית על הסיבוב האופטי של הדגימה, פולרימטרים מודרניים כבר כללו רכיבי פלטייה כדי לבקר באופן פעיל את הטמפרטורה. טכניקות מיוחדות כשפופרות דגימה מבוקרות טמפרטורה מפחיתות שגיאות מדידה ומקלות על ההפעלה. ניתן להעביר תוצאות ישירות למחשבים או רשתות לעיבוד אוטומטי. באופן מסורתי, מילוי מדויק של תא הדגימה היה צריך להיבדק מחוץ למכשיר, שכן בקרה מתאימה מתוך המכשיר לא הייתה אפשרית. כיום מערכת מצלמה יכולה לעזור לנטר את הדגימה ותנאי מילוי מדויקים בתא הדגימה. יתר על כן, תכונות למילוי אוטומטי שהוצגו על ידי מספר חברות זמינות בשוק. בעבודה עם כימיקלים מאכלים, חומצות ובסיסים זה יכול להיות מועיל לא לטעון את תא הפולרימטר ידנית. שתי אפשרויות אלו עוזרות למנוע שגיאות פוטנציאליות הנגרמות על ידי בועות או חלקיקים.

מקורות שגיאה

זווית הסיבוב של חומר פעיל אופטית יכולה להיות מושפעת מ:

ריכוז הדגימה
אורך גל של האור העובר דרך הדגימה (בדרך כלל, זווית סיבוב ואורך גל נוטים להיות ביחס הפוך)
טמפרטורת הדגימה (בדרך כלל השניים הם ביחס ישר)
אורך תא הדגימה (מוזן על ידי המשתמש ברוב הפולרימטרים האוטומטיים כדי להבטיח דיוק טוב יותר)
תנאי מילוי (בועות, מפלים של טמפרטורה וריכוז)

לרוב הפולרימטרים המודרניים יש שיטות לפיצוי או בקרה על שגיאות אלו.

כיול

באופן מסורתי, תמיסת סוכרוז בעלת ריכוז מוגדר שימשה לכיול פולרימטרים המקשרת את כמות מולקולות הסוכר לסיבוב קיטוב האור. הוועדה הבינלאומית לשיטות אחידות בניתוח סוכר (אנ') (ICUMSA) שיחקה תפקיד מפתח בהאחדת שיטות אנליטיות לתעשיית הסוכר, קבעה סטנדרטים לסולם הסוכר הבינלאומי (ISS) ואת המפרטים לפולרימטרים בתעשיית הסוכר. עם זאת, תמיסות סוכר נוטות לזיהום ואידוי. יתרה מכך, הסיבוב האופטי של חומר רגיש מאוד לטמפרטורה. נמצא סטנדרט אמין ויציב יותר: קוורץ גבישי אשר מכוון וחתוך בצורה שתואמת את הסיבוב האופטי של תמיסת סוכר רגילה, אך מבלי להפגין את החסרונות שהוזכרו לעיל. קוורץ (צורן דו-חמצני, SiO₂) הוא מינרל נפוץ, תרכובת כימית טריגונלית של צורן וחמצן.^[4] כיום, לוחות קוורץ או לוחות בקרה מקוורץ בעובי שונה משמשים כסטנדרטים לכיול פולרימטרים וסכרימטרים (אנ'). על מנת להבטיח תוצאות אמינות ובנות השוואה, לוחות קוורץ ניתנים לכיול ואישור על ידי מכוני מטרולוגיה. לחלופין, ניתן לבדוק כיול באמצעות תקן ייחוס קיטוב, המורכב מלוח קוורץ המורכב במחזיק המאונך לנתיב האור. תקנים אלה זמינים, ברי-עקיבות ל-NIST, על ידי יצירת קשר עם Rudolph Research Analytical.^[5] כיול מורכב תחילה מבדיקה מקדימה שבה נבדקת יכולת הכיול הבסיסית. לוחות הבקרה מקוורץ חייבים לעמוד בדרישות המינימום הנדרשות ביחס למידותיהם, טוהרם האופטי, עד כמה הם שטוחים, מקבילות הפנים ושגיאות ציר אופטי. לאחר מכן, ערך המדידה בפועל - הסיבוב האופטי - נמדד עם הפולרימטר המדויק. אי-הוודאות במדידה של הפולרימטר מסתכמת ב-0.001° (k=2).^[6]

יישומים

מכיוון שכימיקלים רבים הפעילים אופטית כגון חומצה טרטרית, הם סטריאואיזומרים (אנ'), ניתן להשתמש בפולרימטר כדי לזהות איזה איזומר נוכח בדגימה – אם הוא מסובב אור מקוטב לשמאל, הוא לבו-איזומר, ולימין, הוא דקסטרו-איזומר. ניתן להשתמש בו גם למדידת היחס של אננטיומרים בתמיסות.

הסיבוב האופטי הוא פרופורציונלי לריכוז החומרים הפעילים אופטית בתמיסה. פולרימטריה עשויה לפיכך להיות מיושמת למדידות ריכוז של דגימות טהורות-אננטיומרית. עם ריכוז ידוע של דגימה, פולרימטריה עשויה להיות מיושמת גם כדי לקבוע את הסיבוב הסגולי (תכונה פיזיקלית) בעת אפיון חומר חדש.

תעשייה כימית

כימיקלים רבים מציגים סיבוב סגולי (אנ') כתכונה ייחודית (תכונה אינטנסיבית כמו מקדם שבירה או משקל סגולי) שניתן להשתמש בה כדי להבדיל ביניהם. פולרימטרים יכולים לזהות דגימות לא ידועות על סמך זה אם משתנים אחרים כגון ריכוז ואורך תא הדגימה מבוקרים או לפחות ידועים. זה משמש בתעשייה הכימית.

באותו אופן, אם הסיבוב הסגולי של דגימה כבר ידוע, אזי הריכוז ו/או הטוהר של תמיסה המכילה אותה ניתנים לחישוב.

רוב הפולרימטרים האוטומטיים מבצעים חישוב זה אוטומטית, בהינתן קלט על משתנים מהמשתמש.

תעשיות המזון, המשקאות והתרופות

מדידות ריכוז וטוהר חשובות במיוחד לקביעת איכות מוצר או מרכיב בתעשיות המזון והמשקאות והתרופות. דגימות המציגות סיבובים סגוליים שניתן לחשב לטוהר עם פולרימטר כוללות:

פולרימטרים משמשים בתעשיית הסוכר לקביעת איכות הן של מיץ מקנה סוכר והן של סוכרוז מזוקק. לעיתים קרובות, בתי זיקוק לסוכר משתמשים בפולרימטר מותאם עם תא זרימה (והמשמש בשילוב עם רפרקטומטר (אנ')) הנקרא סכרימטר (אנ'). מכשירים אלו משתמשים בסולם הסוכר הבינלאומי, כפי שהוגדר על ידי הוועדה הבינלאומית לשיטות אחידות בניתוח סוכר (אנ') (ICUMSA).

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא פולרימטר בוויקישיתוף

הערות שוליים

↑ "Polarimeter". physics.kenyon.edu. אורכב מ-המקור ב-2023-05-13.
↑ Carey, F. A.; R. J. Sundberg (2007). Advanced Organic Chemistry, Part A: Structure and Mechanisms (Fifth ed.). Springer. p. 123. doi:10.1007/978-0-387-44899-2. ISBN 978-0-387-44897-8.
↑ "Group :: Anton-Paar.com". Anton Paar.
↑ 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.
↑ "Polarimetric saccharimeters graduated in accordance with the ICUMSA, International Sugar Scale" (PDF). OIML R. International Organization of Legal Metrology. 14: 4. 1995.
↑ "Polarimetric calibration of quartz control plates". 2 באוקטובר 2020.

[r2-1] "Polarimeter". physics.kenyon.edu. אורכב מ-המקור ב-2023-05-13.

[Sundberg-2] Carey, F. A.; R. J. Sundberg (2007). Advanced Organic Chemistry, Part A: Structure and Mechanisms (Fifth ed.). Springer. p. 123. doi:10.1007/978-0-387-44899-2. ISBN 978-0-387-44897-8.

[3] "Group :: Anton-Paar.com". Anton Paar.

[4] 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.

[5] "Polarimetric saccharimeters graduated in accordance with the ICUMSA, International Sugar Scale" (PDF). OIML R. International Organization of Legal Metrology. 14: 4. 1995.

[6] "Polarimetric calibration of quartz control plates". 2 באוקטובר 2020.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]