Polarimeter sind optische Geräte zur Messung der Drehung oder „Verdrehung“ von Licht. In industriellen und akademischen Laboratorien werden Polarimeter für viele verschiedene Zwecke von einfacher Qualitätskontrolle bis hin zu Grundlagenerforschung komplexer chemischer Strukturen benutzt. Bellingham + Stanley gestaltet und produziert seit 100 Jahren qualitativ hochwertige Polarimeter.
Prinzip der Polarimetrie
Polarisiertes Licht ist Licht, das durch einen „Polarisator“ gefallen ist, welcher die randomisierten elektromagnetischen Wellenformen in eine Ebene zwingt. Wenn dies in einer Ebene polarisierte Licht dann durch eine optisch aktive Substanz (z. B. eine Lösung einer optisch aktiven Chemikalie) fällt, dann wird die EBENE der Polarisation um einen Betrag verdreht, der für die Prüfsubstanz charakteristisch ist. Polarimeter erkennen die Position der EBENE und vergleichen sie mit der Originalposition, wobei der Unterschied die Drehung ist, die normalerweise in Winkelgrad (°A) angegeben wird.
Eine die Probenflüssigkeit (Lösung) enthaltende Probenröhre wird zwischen zwei Polarisierungselementen (Polaroid-Streifen oder Kalzitkristall) platziert. Das erste Element, der Polarisator, polarisiert das Licht, bevor es durch die Probe fällt. Das zweite Element, der Analysator, kann gedreht werden, um jeglicher Drehung durch die Probe entgegenzuwirken, und so die sich ergebende Winkelposition der Lichtebene und damit den durch die Probe verursachten Betrag der Drehung zu bestimmen. In der Zuckerindustrie wird die Drehung mit Hilfe einer anderen Skala, der „International Sugar Scale“ (ISS) ausgedrückt und in °Z angegeben. Polarimeter, die speziell für den Einsatz in der Zuckerindustrie gestaltet wurden, werden Saccharimeter genannt.
Optische Drehung
Nur bestimmte Chemikalien werden als optisch aktiv bezeichnet - die Entstehung der optischen Drehung ist ein komplexer Bereich der Chemie und es ist nicht unbedingt erforderlich, diesen zu verstehen, um grundlegende Polarimetrie zu schätzen. Ein Beispiel für ein optisch aktives Molekül ist Zucker. Wasser und andere gängige Lösungsmittel sind nicht optisch aktiv und daher ist es nach Vorbereitung der Probe die gelöste, optisch aktive Chemikalie (z. B. der Zucker im Wasser), die die Drehung verursacht, und nicht das Lösungsmittel.
Drehung und spezifisch Drehung
Die Drehung ist eine lineare Funktion sowohl der Konzentration der Probensubstanz als auch der Weglänge durch die Lösung (= Röhrenlänge). Daher verursacht eine Verdopplung der Konzentration eine Verdopplung der Winkeldrehung; Verdoppeln der Röhrenlänge führt auch zu einer Verdopplung der Drehung. Messungen der optischen Drehung können zur Bestimmung der Konzentration und/oder Reinheit einer Substanz oder einfach zum Erkennen einer optisch aktiven Chemikalie in einer Mischung benutzt werden.
Die spezifische Drehung einer Chemikalie ist einfach die unter Standard-Messbedingungen (Konzentration, Röhrenlänge, Temperatur und Wellenlänge) erhaltene Winkeldrehung. Die meisten spezifischen Drehungen beziehen sich auf die Natrium-Wellenlänge von 589 nm. Die spezifische Drehung ist eine einmalige Charakteristik einer Chemikalie und sie kann natürlich jeder beliebige Winkel sein, wobei dieser häufig eine Magnitude von mehr als ±90° hat. Nachstehend einige Definitionen der spezifischen Drehung.
Berechnung der spezifischen Drehung (optisch aktive Flüssigkeiten/Lösungen)
mit
a ist die korrigierte optische Drehung
[a]t ist die spezifische Drehung bei t °C in polarisiertem Licht mit Wellenlänge
I ist die Länge der Polarimeter-Röhre in Metern
d ist die relative Dichte der Flüssigkeit oder Lösung bei 20 °C
c ist die Konzentration der gelösten Substanz ausgedrückt in Gramm pro ml der Lösung
p ist die Konzentration der gelösten Substanz ausgedrückt in Gramm pro Gramm der Lösung
Wellenlänge
Die Natrium-Wellenlänge von 589 nm ist bei weitem die am häufigsten in der Polarimetrie benutzte Lichtquelle und die meisten experimentellen Methoden und veröffentlichten Daten basieren auf dieser Wellenlänge. Eine weitere beliebte Quelle ist die Quecksilber 546 nm Quelle und das Interesse an der nahinfraroten Wellenlänge 880 nm nimmt ständig zu, da sie in der Lage ist, dunkle, stark gefärbte und lichtabsorbierende Proben zu durchdringen.
Winkelbereich - Ambiguität
Polarimeter können nur die Position der LICHTEBENE vor Eintritt in die Probe und nach Durchdringen der Probe bestimmen. Der Winkelunterschied (= Drehung) kann ein mehrdeutiges Ergebnis liefern, da eine positive Drehung von 110° die gleiche EBENE hat, wie eine negative Drehung von -70. Daher wird eine Probe mit einer Drehung von +110 im Standard-Gradbereich - 70° (siehe Diagramm) anzeigen.
Das Gerät selber kann nicht entscheiden, wie häufig die Ebene die 180° Referenzposition entlang des Wegs durch die Probe passiert hat. Der Nutzer muss entweder den Bereich (das Winkelsegment) kennen, in den das Ergebnis in etwa fallen wird, oder er muss bereit sein, zu experimentieren, um die absolute Drehung zu bestimmen. Dies ist der Grund dafür, dass der Nutzer bei automatischen, digitalen Polarimetern, wie dem ADP, den Winkelmessbereich auswählen muss, in den das Messergebnis (in etwa) fallen wird.
Für große Winkeldrehungen (mit einer Magnitude von mehr als ±90°) ist es für den Nutzer üblich, systematisch die Konzentration (oder Röhrenlänge) zu ändern und die zugehörigen Drehungen zu messen. Auf diese Art und Weise ist es möglich, den Unterschied zwischen einer Drehung von +270° und einer von + 90° zu erkennen. Bei manuellen oder halbautomatischen Polarimetern ist es natürlich möglich, den gesamten Kreis von ±180° anzuzeigen. Das Ergebnis ist immer noch zweideutig, doch kann der Nutzer einen der beiden Punkte auf der Rundskala oder rotierenden Trommel auswählen, der geeignet ist. Das Gerät entscheidet nicht, welche Position korrekt ist; der Nutzer tut dies.
Bei vollautomatischen Polarimetern ist es gängige Praxis, eine ±90° Anzeige zu bieten. Es obliegt dem Nutzer, mit den Konzentrationen oder Röhrenlängen zu experimentieren, um die Magnitude der Drehung zu untersuchen. Wenn ein Messergebnis von 45° angezeigt wird, kann es sein, dass der Nutzer 180° addieren muss, wenn er weiß, dass die absolute Drehung 225° beträgt (in diesem Fall gibt eine fünffache Verdünnung immer noch ein Messergebnis von 45°).
Nutzung von Polarimetern
Polarimeter werden von technischem Personal mit unterschiedlichsten Kenntnissen und Erfahrungen mit der Technik für viele Zwecke eingesetzt. Bei einigen Qualitätssicherungsanwendungen kann der Nutzer die Prinzipien der Polarimetrie nicht vollständig verstehen oder vielleicht kein wirkliches wissenschaftliches Verständnis haben und befolgt einfach Standard-Laborverfahren und zeichnet die Ergebnisse auf.
Bei anderen Anwendungen, wie zum Beispiel in F&E, muss der Nutzer vollständig mit den Prinzipien vertraut sein und sich in einer Position befinden, die optischen Eigenschaften von Probenmaterialien möglicherweise zum ersten Mal zu untersuchen.