Lucrarea nr. 7

POLARIMETRIE. MSURAREA POLARIMETRIC A CONCENTRAIEI GLUCOZEI DIN URIN

LUMIN POLARIZANT, BIREFRIGEN, ACTIVITATE OPTICDATE TEORETICE

1. Unda luminoas n conformitate cu teoria ondulatorie luminii, raza luminoas este o und electromagnetic. Iniiat de o perturbaie electric ntr-un punct, raza luminoas, reprezentat oscilaia transversal, se propag cu viteza luminii prin variaii n faz ale cmpului electric i magnetic a cror vectori intensitate sunt perpendiculari ntre ei i pe direcia de propagare (fig.1).

Fig.1 und plan polarizat cu vectorii i pentru o raz particular

Fenomenul luminos, datorat oscilaiilor acestor dou cmpuri, este provocat de variaiile periodice a strii electrice a atomilor, a cror arhitectur electronic este astfel perturbat. S-a stabilit pe cale teoretic i experimental c efectele luminoase sunt produse de cmpul electric al undei electromagnetice i nu a cmpului magnetic , de aceea pentru simplificarea reprezentrii vibraiei luminoase, o considerm datorat exclusiv acestui cmp, reprezentat printr-un vector transversal, adic perpendicular pe direcia de propagare. 2. Lumin natural i lumina polarizat Numim lumin natural, lumina ce provine de la o surs cnd oscilaiile elementare ale vectorului electric au loc complet haotic, n toate direciile. Aceste direcii sunt coninute ntr-un plan perpendicular pe direcia de propagare (fig.2).

Fig.2 . Lumin natural

Dac maniera prin care producem lumina sau mediile pe care le traverseaz impun vibraiilor luminoase elementare direcii privilegiate, obinem o lumin polarizat. Dac nu exist dect o singur direcie de oscilaie ca n fig. 3, de exemplu OV, avem de-a face cu lumina total polarizat sau liniar polarizat, iar planul de polarizare este planul perpendicular de direcia OV a vibraiei. Dac

vectorul electric oscileaz n mai multe direcii posibile, cuprinse ntr-un anumit interval unghiular, lumina este parial polarizat (fig.4)

Fig. 3. Lumin total polarizat

Fig. 4. a) lumin natural; b) lumin total polarizat; c) lumin parial polarizat 3. Procedee de obinere a luminii polarizate Lumina polarizat se poate obine prin fenomenele de reflexie, refracie i dubl refracie. Din punctul de vedere al aplicaiilor practice, cel mai frecvent se utilizeaz lumina polarizat prin fenomenele de reflexie i dubl refracie. 1. Polarizarea prin reflexie

Fenomenul se polarizare apare ntr-una din cele mai simple i obinuite situaii- reflexia luminii pe o suprafa plan. Atunci cnd o raz de lumin ajunge la suprafaa de separaie a dou medii transparente, cea mai mare parte a luminii se refract i doar 10-15% se reflect. Aceast raz reflectat este parial polarizat. Fizicianul scoian Sir John Brewster a artat c atunci cnd ntre raza refractat i cea reflectat exist un unghi de , situaie realizabil prin alegerea unui unghi de inciden convenabil, lumina reflectat este total polarizat. Explicaia fizic a acestui fenomen este urmtoarea: unda luminoas transversal incident produce n materialul reflectant oscilaia sarcinilor electrice, care la rndul lor, genereaz fasciculul reflectat. n figura de mai jos se observ c numai oscilaiile normale pe planul hrtiei pot radia n direcia de reflexie i, n consecin, fasciculul reflectat va fi polarizat perpendicular pe planul de inciden. Se observ din relaia (2) c tangenta unghiului de polarizare total este egal cu indicele de refracie ale mediului mai dens cnd trecerea se face din aer sau din vid.

Fig.5. Inciden brewsterian

Se poate scrie :

(1)

Dar n punctul I are loc reflexie i atunci unghiul de reflexie este egal cu cel de inciden, adic i atunci se poate scrie: sau Deci (2) Unde de unde rezult:

Activitatea optic Unele substane au proprietatea de a roti planul luminii polarizate, fie datorit asimetriei reelei cristaline, fie datorit nsi asimetriei moleculei. Substanele din cea de a doua categorie rotesc planul luminii polarizate n orice stare de agregare. Ele se numesc substane optic active i pot fi dextrogire sau levogire, dup cum rotaia se face spre dreapta sau spre stnga. Deoarece este o proprietate molecular, unghiul de rotire a planului luminii liniar polarizate este proporional cu numrul moleculelor ntlnite da fasciculul de lumin polarizat. Aceasta nseamn c unghiul de rotaie depinde de concentraia substanei optic active i grosimea stratului de soluie strbtut, conform legii lui Biot. Fenomenul optic de rotire a planului de polarizare al luminii liniar polarizate poart numele de activitate optic sau polarizare rotatorie. Principala aplicaie a metodei polarimetrice este msurarea glucozei n diferite lichide, inclusiv n cele biologice. n medicin, polarimetria se utilizeaz ndeosebi pentru msurarea concentraiei de glucoz n urin.

Polarimetrie Msurarea polarimetric a concentraiei glucozei din urin

Principiul metodei polarimetrice const n msurarea unghiului de rotaie a luminii plan polarizate de ctre o substan optic activ introdus ntre polarizor i analizor. Metoda folosit este o metod cantitativ cu ajutorul creia se msoar concentraia unei soluii etalon. La baza metodei polarimetrice st la baz legea lui Biot:

(3)

unde: : puterea rotaorie optic a substanei []: puterea rotatorie specific a substanei (n funcie de temperatura T i lungimea de und ) C: concentraia masic a unei substane n soluie (g.cm-3) l: lungimea de material traversat de lumina (dm)Scriem legea lui Biot pentru cele dou soluii:

e = [ ] l ce x = [ ] l c xRaportnd valoarea unghiului determinat de soluiile de cercetat la valoarea unghiului generat de soluia etalon rezult relaia de principiu a metodei:

x cx = e c e

(4)

Relaia (4) arat c rotaia planului de oscilaie al luminii liniar polarizat este proporional cu concentraia n cazul a dou soluii care conin acelai component optic activ, dac determinrile sunt efectuate la aceeai temperatur i la aceeai lungime de und, lumina strbtnd straturi egale de soluii. Din relaia 4 rezult relaia de calcul: (5) Aparatele ce permit msurarea unghiului de rotaie a planului de polarizare, consecutiv trecerii luminii polarizate printr-o substan optic activ, se numesc polarimetre (fig.9).

Fig. 9. Polarimetru 1. Ocular 2. Lup 3. Roti de control 4. Inel de focalizare 5. Scal i vernier 6. Compartimentul pentru prob 7. Filtru de sticl 8. Capac pentru Polarimetrul este un dispozitiv alctuit n principal din dou prisme nicol dispuse coaxial, ntre cei doi nicoli fiind aezat tubul polarimetric ce conine soluia optic activ (fig.10). Sursa de lumin monocromatic- o lamp de sodiu- produce un fascicul divergent, transformat n fascicul paralel de lentil colimator LC. Lumina strbate nicolul polarizator onbinndu-se un fascicul de lumin liniar polarizat. Nicolul analizator, montat ntr-un tub, se afl la o distan de circa 30 i se poate roti n jurul axei cu . Analizorul este solidar cu un tambur gradat (0), iar un sistem vernier permite citirea diviziunilor de grad.

Fig.10. schema polarimetrului: S-sursa de lumin monocromatic; L.C.- lentil colimator; P-polarizor; C-cuv; F- ferestre; A- analizator; T- tambur gradat

S considerm acum cazul a doi nicoli aezai coaxial. Poziia axelor optice ale celor doi nicoli, una n raport cu cealalt, genereaz urmtoarele situaii:a)

Dac axele optice ale celor doi nicoli sunt paralele ntre ele, lumina polarizat care iese din polarizor trece prin analizor i iese aproape n totalitate, producnd o raz emergent de intensitate maxim. Cmpul polarimetrului are luminozitate maxim (fig.11, caz A). Dac axele optice ale nicolilor sunt perpendiculare ntre ele, lumina polarizat care iese din polarizor se stinge n analizor. n acest caz raza care ptrunde n analizor produce numai o raz ordinar, deoarece are numai oscilaii perpendiculare pe planul seciunii principale a analizorului i, dup cum tim, raza ordinar format n nicol sufer o reflexie total i absorbit n nicol. Cmpul polarimetrului va fi ntunecat (fig.11, caz C). Dac axele optice ale nicolilor fac ntre ele un unghi diferit de sau de , raza care iese din analizor are o intensitate mai redus (fig.11, caz B).

b)

c)

Fig.11. imaginile posibile ale cmpului polarimetric

S presupunem acum c ntre cei doi nicoli, aezai ca la punctul b), se introduce o prob optic activ, lichid sau n soluie, plasat ntr-o cuv cilindric cu dou ferestre plan-paralele. Prezena substanei optic active va determina rotirea cu un anumit unghi al planului de polarizare al luminii astfel nct acesta, deviat de la direcia iniial, nu se va mai stinge n analizator i cmpul polarimetrului se va ilumina. Pentru refacerea situaiei existente la extincie, nicolul analizor se rotete n jurul axei sale cu un unghi , pentru a compensa deplasarea determinat de

substana optic activ. n concluzie, unghiul reprezint de fapt unghiul cu care substana optic activ a rotit planul luminii polarizate. Timpii de lucru: Trebuie parcurse urmtoarele dou etape de lucru:1.

Verificarea exactitii lanului experimental polarimetric se face prin urmtoarele operaiuni succesive:

Se conecteaz lampa de sodie la reeaua de 220 V Aceasta necesit o perioad de 5-10 min. pentru nclzire;

Se umple cu ap distilat tubul optic al polarimetrului; Se rotete ocularul polarimetrului pn ce imaginea este clar. n acest moment, n cmpul ocularului vei observa una din imaginile posibile redate in fig.11;

Pentru a stabili condiia iniial de extincie a nicolilor, se rotete tamburul situat n partea inferioar a ocularului polarimetrului, modificndu-se astfel poziia axei optice a analizorului, pn ce cmpul ocularului va fi uniform iluminat i ct mai ntunecat (cazul C din fig. 11); Se citete unghiul de rotaie al analizorului folosind sistemul vernier alctuit dintr-o riglet cu diviziuni de la 1 la 10 i rigla cu valori ale unghiului cuprinse ntre . Acest unghi trebuie s fie zero, diviziunea 0 de pe riglet este perfect n prelungirea diviziunii 0 de pe rigl, deoarece substana introdus este optic inactiv.

2. Determinarea propriu-zis a unghiurilor de rotaie a luminii plan polarizate. Pentru determinarea propriu-zis a unghiurilor de rotaie a luminii plan polarizate n cazul soluiei de cercetat i a soluiei etalon se procedeaz ca la punctul precedent, introducndu-se n tubul polarimetric, pe rnd, soluia etalon i cea de cercetat.

Citirea unghiului de rotire al analizorului se face astfel: Privind prin lupa care se afl n dreapta sau n stnga ocularului se noteaz numrul de diviziuni de pe rigl cuprins ntre diviziunea 0 a riglei i diviziunea 0 de pe riglet.

Dac diviziunea 0 a rigletei nu este perfect n prelungirea unei diviziuni de pe rigl, notm acea diviziune de pe riglet care este perfect n prelungirea unei diviziuni de pe rigl (fig.12). n acest caz valoarea msurat a unghiului va fi = N, n.

Fig. 12. Msurarea unghiului de rotire a planului luminii polarizate

Datele experimentale se trec in tabel: Nr. crt. 1 2 3 4

Msurarea concentraiei unei substane optic active n soluie prin metoda interpolrii Valoarea concentraiei necunoscute a substanei optic active obinut prin calcul la punctul precedent poate fi aflat i prin utilizarea metodei interpolrii. n esen,

metoda const n msurarea unghiurilor de rotire a planului luminii polarizate pentru un set de soluii obinute dintr-o soluie stoc, de concentraie cunoscut, urmat de reprezentarea grafic a valorilor unghiului de rotire n funcie concentraie. Din acest grafic, prin interpolare, se poate afla concentraia soluiei de cercetat a crui unghi de rotire a fost msurat la punctul precedent. Timpii de lucru: Comport dou etape: 1. Prepararea setului de soluii diluate din soluie stoc: n acest scop vei avea la dispoziie o soluie stoc cu concentraia de glucoz de 5%, din care va trebui s preparai succesiv cte 30 ml de soluie 1% 2%; 2,5%; 3%; 4% n paharele Berzelius corespunztoare. 2. Msurarea unghiuliu de rotire a planului luminii polarizate pentru fiecare soluie: Pentru msurarea unghiurilor vei urma tehnica de lucru deja descris, obinnd valorile unghiurilor pentru soluiile cu concentraia 1%; 2%; 2,5%; 3%; 4%;5%. Prezentarea datelor experimentale Valorile unghiurilor n funcie de concentraie vor fi trecute n tabel. Nr. Crt. Concentraia % Valoarea unghiului 1 1 2 2 3 2,5 4 3 5 4 6 5 Cu datele din tabel se va alctui un grafic reprezentnd valorile unghiuliu de rotaie a luminii polarizate n funcie de concentraie. Prin interpolare, din graficul de diluie se va afla valoarea concentraiei n glucoz pentru unghiul msurat la punctul precedent.

Unghiul de rotire

concentraie