Схема поляриметра, основные части, их назначение.

б

Рис. 10 Оптическая схема поляриметра (объяснения см. в тексте).

Оптическая схема поляриметра (сахариметра) приведена на рис.10а, где Ф - светофильтр, П - неподвижный поляризатор (поляроид), кювета с исследуемым раствором, А - анализатор (тоже поляроид), укрепленный на вращающемся диске с угловыми делениями от 0 о до 360 о (для точности отсчета диск снабжен шкалой нониуса), Об и Ок - объектив и окуляр зрительной трубы, служащей для наблюдения поля зрения. Непосредственно за поляризатором П поставлена тонкая кварцевая пластинка К , закрывающая только часть поля зрения прибора и обеспечивающая полутеневой отсчет, который существенно повышает точность измерений. Вследствие этого поле зрения оказывается разделенным на три части: две крайние части, освещаемые поляризованным светом, прошедшим только через поляризатор П и среднюю часть, освещаемую светом, прошедшим через поляризатор П и кварцевую пластинку К (рис. 10б). Так как кварц – оптически активное вещество, то кварцевая пластинка поворачивает плоскость поляризации проходящего через него поляризованного света на небольшой угол. В результате плоскость поляризации световых лучей в средней части поля зрения будет составлять некоторый угол с плоскостью световых колебаний в крайних частях.

Ознакомление с работой поляриметра СМ-3.

На рис.11 схематично представлена конструкция поляриметра СМ-3. В корпусе прибора (1) расположены источник света, светофильтр, поляризатор, кварцевая пластинка. К нему крепится кюветное отделение (2) с поворачивающейся крышкой (3), через окуляр (4) наблюдается изображение полутеневого отсчета (рис. 10б). Ручкой 5 поворачивают анализатор. Через линзы отсчетного устройства (6) рассматриваются шкалы (7) отсчетного устройства.

Рис. 11. Поляриметр круговой СМ-3 – предназначен для измерения угла вращения плоскости поляризации оптически активными прозрачными растворами.

а) 1 – корпус, 2 – кюветное отделение, 3 – крышка кюветного отделения, 4 – окуляр, 5- вращающаяся рукоятка анализатора, 6 – линзы отсчетного устройства, 7 – шкалы отсчетного устройства; б) схема нониуса. 8 – лимб, 9 – шкала нониуса.

Две шкалы отсчетного устройства используются для облегчения измерений растворов лево- и правовращающих веществ. Нониус – это устройство, состоящих из двух расположенных рядом шкал и служащее для повышения точности отсчета. Первой шкалой является круговой лимб (8) (на рисунке показана его часть), второй шкалой является шкала нониуса (9). Отсчет показаний анализатора производится следующим образом. Сначала находят число минимального количества градусов (с точностью до 0,5 0), на которое указывает нуль нониуса – на рис.11 – это 2,5 0 . Затем к этому значению прибавляют десятые и сотые доли градуса, соответствующие тому штриху нониуса, который точнее всего совпадает с каким-либо штрихом лимба, (вся шкала нониуса составляет 0,50 0). Например, на рис. 11б таким делением на шкале нониуса является 20, т.е. 0,20 0 . Таким образом, на рисунке положение анализатора характеризуется углом = 2,5 0 + 0,20 0 .

В настоящее время в технохимическом контроле бродильных производств применяют два основных метода определения содержания углеводов: поляриметрический и химический. Известны также колориметрический, хроматографический и полярографический методы определения углеводов, изложенные в следующих разделах этой главы.

Поляриметрический метод определения содержания углеводов

Свет представляет собой электромагнитные колебания, распространяющиеся от источника света во все стороны по прямым линиям (лучам). Различают лучи естественные и поляризованные. Луч, колебания которого происходят во всех плоскостях, перпендикулярных его направлению, называется естественным лучом (рис. 27). Поляризованным лучом называется такой луч, колебания которого происходят только в какой-либо одной плоскости. Плоскость, в которой происходят колебания луча, называется плоскостью колебаний поляризованного луча, а плоскость, перпендикулярная ей, - плоскостью поляризации.

Способность веществ и растворов изменять (вращать) плоскость поляризации света называется оптической активностью. Вещества, способные вращать плоскость поляризации света, являются оптически активными. В противоположность им вещества, не способные изменять плоскость поляризации света, оптически неактивны. Углеводы относятся к оптически активным веществам. Оптическая активность углеводов обусловлена наличием в их молекуле асимметрических атомов углерода, т.е. таких, все четыре валентные связи которых соединены с различными атомами или группами атомов. Углеводы, как и другие органические вещества, содержащие асимметрический углерод, проявляют оптическую активность в растворенном состоянии. На свойстве оптической активности углеводов основан поляриметрический метод их определения.

Различают вещества, изменяющие плоскость поляризации света по часовой стрелке - правовращающие - и изменяющие ее против часовой стрелки - левовращающие. К правовращающим веществам относятся глюкоза, сахароза, раффиноза, крахмал, к левовращающим - фруктоза. Если через раствор оптически активного вещества проходит поляризованный луч, то он вращает плоскость поляризации. Плоскость поляризации вышедшего луча оказывается повернутой на некоторый угол, называемый углом вращения плоскости поляризации. Величина этого угла зависит от природы вещества, толщины слоя раствора (длина пути луча), концентрации раствора, длины волны поляризуемого света и температуры.

Для сравнения оптической активности различных оптически активных веществ и использования этого явления в аналитической практике введено понятие удельного вращения. Удельным вращением называют угол, на который поворачивается плоскость поляризации под действием раствора, содержащего 100 г вещества в 100 мл раствора при толщине слоя этого раствора 1 дм (100 мм); условились удельное вращение измерять при температуре 20° С в желтом свете натриевого пламени и обозначать индексом [a]20D . Каждое оптически активное вещество характеризуется определенной величиной удельного вращения при растворении его в определенном растворителе. Ниже приведены величины удельного вращения некоторых углеводов [a]20D

Знак «+» означает правое вращение, знак «-» -левое.

Свежеприготовленные растворы некоторых сахаров не сразу проявляют свойственное им удельное вращение. Вращательная способность таких растворов изменяется на холоде медленно, а при известных условиях (нагревание, незначительное добавление щелочи) - быстро. Это явление постепенного изменения удельного вращения называется мутаротацией и объясняется наличием а- и b-форм молекул сахаров. Например, a-d-глюкоза имеет удельное вращение [а]20D = +110°, а a-d-глюкоза +19°. Свежеприготовленный раствор одной из этих форм постепенно изменяет вращение, пока величина его не достигнет среднего значения, соответствующего удельному вращению +52,5°, при котором обе формы глюкозы находятся в равновесии.

Удельное вращение оптически активного вещества в растворе выражается формулой

где а - наблюдаемый угол поворота плоскости поляризации; С - концентрация оптически активного вещества, г/100 мл раствора; l - толщина слоя раствора, дм.

Пользуясь указанной формулой, можно по величине угла поворота плоскости поляризации а найти концентрацию оптически активного вещества С. Прибор, при помощи которого можно измерить угол поворота плоскости поляризации, производимого оптически активным веществом, называется поляриметром.

Устройство поляриметра

Основными частями поляриметра являются поляризатор и анализатор. Поляризатор служит для получения поляризованного света, анализатор - для его исследования и обнаружения. В качестве поляризатора и анализатора обычно пользуются призмами Николя (рис. 28). Такая призма выпиливается из кристалла исландского шпата и состоит из двух частей abd и bcd, склеенных по плоскости bd. Луч света l, входя в кристалл, делится на два поляризованных луча mp и mo. Луч mo, обладающий большим коэффициентом преломления, претерпевает полное внутреннее отражение от слоя склеивающего вещества bd и уходит в сторону or. Луч mpqs с меньшим коэффициентом преломления проходит сквозь призму. Таким образом, первая призма Николя (поляризатор) дает возможность получить поляризованный свет. Призма Николя пропускает лишь световые колебания, лежащие в одной определенной плоскости; колебания, лежащие в перпендикулярной плоскости, она совершенно не пропускает. Поэтому, если пропустить луч света последовательно через две призмы Николя, расположенные одна за другой, то могут наблюдаться различные явления в зависимости от того, как повернута вторая из призм. Когда поляризатор и анализатор установлены взаимно параллельно, то лучи света проходят через обе призмы (рис. 29, а). Если же анализатор повернуть на 90° (рис. 29, б), то он не пропустит лучей, полученных в поляризаторе; в этом случае после анализатора свет не будет наблюдаться. Такое положение называется постановкой николей «на темноту».

Оптическую активность можно наблюдать в простейшем поляриметре (рис. 30) следующим образом. Между поляризатором Р и анализатором А, поставленными «на темноту», помещают оптически активное вещество R. Поляризованный луч после прохождения через это вещество повернется на угол, соответствующий оптической активности вещества, и подойдет к анализатору не под углом 90°, а под другим. После анализатора виден будет свет. Чтобы погасить его, придется повернуть анализатор на некоторый угол, равный углу поворота плоскости поляризации при прохождении его через вещество R. Таким образом можно определить угол поворота плоскости поляризации. Однако такой поляриметр не может быть использован для точных работ, так как человеческий глаз не способен четко отличить полную темноту от очень слабого света. Глаз легко и точно различает разницу в интенсивности освещения двух лежащих рядом слабоосвещенных плоскостей. Для этого в поляриметре должно быть так называемое «полутеневое» устройство; поляриметр с таким устройством называется полутеневым. Можно получить полутеневой поляриметр, применив вместо обычного поляризатора поляризатор Корню.

Устройство этого поляризатора следующее. Призму Николя распиливают вдоль пополам по линии АВ (рис. 31); затем от каждой половины удаляют острый клин Aba и Abc, обе оставшиеся половины вновь склеивают. Поляризованные лучи, выходящие из правой и левой половин призмы, не будут параллельны один другому, а расположатся под некоторым углом. Поворотом анализатора можно погасить только один из пучков этих лучей, а другой пройдет через анализатор и поле зрения будет состоять из двух половин - светлой и темной (рис. 32, а и в). Если поставить анализатор под одинаковым углом (близким к 90°) к обеим половинам призмы Корню, то получим одинаковое слабое освещение - «полутень» (рис. 32, б).

Призма Корню не совсем удобна, так как в ней видна линия, по которой склеены половины призмы, что мешает наблюдению. Этот недостаток устранен в поляризаторе Липпиха (рис. 33), который состоит из двух призм Николя - большой Р и малой H, расположенных так, что меньшая из них закрывает половину поля зрения и повернута на небольшой угол относительно большой призмы. При этом, если анализатор установлен «на темноту» относительно большой призмы, то одна половина поля будет освещена, а вторая слабо освещена. Если же его установить «на темноту» относительно малой призмы, то первая половина поля будет освещена, а вторая затемнена. Между этими двумя положениями анализатора можно найти такое, при котором оба поля будут слабо и равномерно освещены (см. рис. 32, б).

В контроле бродильных производств применяют поляриметры, предназначенные для определения сахарозы, - так называемые сахариметры. В поляриметрах-сахариметрах анализатор устанавливают неподвижно и вместо вращения анализатора применяют кварцевые компенсаторы. Кварц является оптически активным веществом; существуют две разновидности кварца - право- и левовращающий. Если между поляризатором и анализатором поместить два кварцевых клина - один правовращающий, а другой - левовращающий - так, чтобы толщина слоя одного равнялась толщине слоя другого, то вращательная способность их будет равна нулю.

Кварцевый компенсатор состоит из правовращающей кварцевой пластинки Р и двух левовращающих клиньев К1 и K2 (рис. 34, а), из которых более длинный - К2 может двигаться параллельно клину К1. Если оба клина сложить плотно, то они составят пластинку с параллельными сторонами, вращающую влево. Толщину этой пластинки можно менять, вдвигая более или менее клин К2: если его вдвинуть больше, то левовращающий слой кварца станет толще, чем правовращающая кварцевая пластинка Р, и вся кварцевая система (в целом) будет вращать влево, что даст возможность компенсировать правое вращение исследуемого сахарного раствора. Если выдвигать постепенно назад клин К2, то сначала получится система, не вращающая ни вправо, ни влево (сумма толщин К1 и К2 станет равна толщине Р). Затем, при дальнейшем движении клина, перевесит правая вращательная способность пластинки Р и получится правовращающая система, способная компенсировать левое вращение.

Применяют и другую систему кварцевой компенсации (см. рис. 34,б), которая состоит из двух клиньев K1 и К2. Клин К2 из левовращающего кварца - подвижный, клин К1 из правовращающего кварца - неподвижный. Клинья своими более тонкими концами направлены в одну сторону. Луч света проходит через большую толщину клина К2 и через малую толщину клина K1; в этом случае клиновая система вращает влево и может компенсировать вращение раствора правовращающего вещества. Если же подвижный клин К2 передвинуть так, чтобы на пути света оказалась тонкая часть его, то перевесит правое вращение клина К1 и клиновая система будет вращать вправо, компенсируя вращение какого-либо раствора левовращающего вещества.

Луч света, проходя через клинья К1 и К2, направленные суженными концами в одну сторону, конечно, будет преломляться и изменит свое направление и, кроме того, еще разложится в спектр. Чтобы этого не произошло, ставят дополнительную компенсирующую стеклянную призму С, которая направлена тонким концом в другую сторону по сравнению с клиньями К1 и К2 и поэтому восстанавливает прежнее направление луча света (см. рис. 34, б).

Описанная клиновая кварцевая компенсация называется одинарной. Часто применяются поляриметры с двойной клиновой компенсацией. Двойная компенсация имеет две пары клиньев (рис. 35). Одна пара так называемых контрольных клиньев К изготовлена из правовращающего кварца и служит для измерения вращения левовращающих веществ; вторая пара клиньев, так называемых рабочих клиньев А, изготовлена из левовращающего кварца и служит для измерения вращения правовращающих веществ. Преимущество поляриметров с кварцевым компенсатором заключается в увеличении точности отсчетов, так как толщину кварцевого клина при изменении его положения можно измерить точнее, чем угол поворота анализатора.

Светофильтр. При поляризации бесцветных или слабоокрашенных растворов одна половина поля зрения сахариметра имеет слегка желтоватый оттенок, а другая - голубоватый. Для поглощения и тем самым устранения возможности появления различных окрасок устанавливают светофильтр. В качестве светофильтра применяют трубку с раствором двухромовокислого калия (К2Сг2О7) или желтое стекло. При поляризации окрашенных растворов, например мелассы, которые сами имеют желтую окраску и поглощают лучи нежелательной части спектра, пользоваться светофильтром необязательно. Поэтому при работе с окрашенными растворами в целях улучшения освещения поля зрения иногда выводят светофильтр из оптической системы поляриметра.

Освещение поляриметра. При применении поляриметра с подвижным анализатором необходимо пользоваться монохроматическим (одноцветным) светом, например желтым светом натриевого пламени. Пользоваться в этом случае сложным белым светом нельзя, так как лучи разной длины волны поворачиваются на различные углы и получается вращательная дисперсия: у лучей с короткой волной, например фиолетовых, плоскость поляризации поворачивается на больший угол, чем у лучей с длинной волной, например красных. Поэтому при пользовании сложным белым светом в таком поляриметре нельзя добиться поворотом анализатора слабого равномерного освещения обеих половин поля зрения. Наличие в сахариметре кварцевого компенсатора дает возможность пользоваться обычным белым, а не монохроматическим светом. Вращательная дисперсия для кварца почти такая же, как и для сахарных растворов. Поэтому белый поляризованный свет, разложенный при прохождении через сахарный раствор на составные лучи с различным поворотом плоскости поляризации, при дальнейшем прохождении через кварцевый компенсатор вновь превращается в первоначальный белый свет, а разложенные лучи вновь складываются в первоначальный луч. В качестве источника света для сахариметров применяют матовые лампы накаливания 100 вт; в настоящее время выпускают сахариметры, у которых лампа вставлена в прибор.

Шкалы поляриметра. Существуют поляриметры с круговой и линейной (эмпирической) шкалой. Круговая шкала градуирована в угловых градусах линейная - в процентах сахарозы. В бродильной промышленности применяют поляриметры с линейной шкалой. Эта шкала дает отсчет 100 в том случае, если в 100 мл водного раствора содержится 26,00 г чистой сахарозы и раствор поляризуют в трубке длиной 200 мм; все операции выполняют при 20° С. Навеска 26,00 г называется нормальной. Таким образом, если нормальную навеску х. ч. сахарозы растворить в воде и довести объем раствора до метки в колбе на 100 мл, то такой раствор в трубке длиной 200 мм даст по шкале отсчет, равный 100,0%. Если взять нормальную навеску какого-либо продукта (например, мелассы или сахарного сиропа), содержащего n% сахарозы, то очевидно, по шкале получится отсчет n%. Следовательно, для того чтобы получить непосредственно на шкале поляриметра процент сахарозы в исследуемом продукте, следует соблюдать следующие условия: 1) навеска исследуемого продукта должна быть точно 26,00 г; 2) эта навеска должна быть растворена до объема 100 мл; 3) поляризация раствора проводится в трубке длиной 200 мм.

Линейная шкала поляриметра дает возможность вести отсчет с точностью до 0,1 деления. Для отсчета десятых долей служит нониус. На рис. 36,а показано положение шкалы относительно нониуса, соответствующее отсчету +12,7. При этом нуль нониуса расположен после 12 полных делений шкалы, а седьмое деление нониуса совпадает с одним из делений шкалы. На рис. 36,б показано положение нониуса, соответствующее отсчету -3,2. В этом случае нуль нониуса расположен левее шкалы на три полных деления шкалы, а второе деление нониуса совпадает с делением шкалы.

Поляриметрические трубки и пользование ими. При поляриметрических определениях исследуемый раствор наливают в поляриметрическую трубку (рис. 37). Трубки изготовляют из металла (латунь, медь) и стекла. При исследовании растворов с кислой реакцией следует пользоваться только стеклянными трубками. Длина трубок 100, 200 и 400 мм. Трубка длиной 200 мм считается нормальной. Длину трубок проверяют специальными штангенциркулями, дающими показание с точностью до 0,1 мм. Трубки закрывают покровными стеклами, прижимая их к концам трубок гайками; для уплотнения между покровными стеклами и гайками прокладывают резиновые кольца. Перед употреблением покровные стекла следует вымыть и вытереть досуха. Трубка должна быть чистой и сухой. Высушивают трубку, проталкивая сквозь нее деревянной палочкой тампон из фильтровальной бумаги. Если перед наполнением трубка не была высушена, то ее ополаскивают 2 раза исследуемым раствором. Наполняют трубки следующим образом: трубку закрывают с одного конца стеклом и гайкой, берут ее двумя пальцами, держат наклонно (чтобы в трубку не увлекались пузырьки воздуха) и наливают в нее столько жидкости, чтобы она выступала поверх краев трубки в виде капли. Затем закрывают трубку сверху покровным стеклом, двигая его с одной стороны в горизонтальном направлении по бортику трубки, как бы срезая выступающую каплю жидкости; закрывать трубку надо быстро и аккуратно так, чтобы под покровным стеклом не осталось пузырька воздуха. Если это не удалось сделать сразу, то, вытерев досуха стекло и долив трубку, следует повторить эту операцию. Покровные стекла нельзя прижимать слишком сильно, так как при этом они могут стать оптически активными.

Схема сахариметра. Выпускаемые в настоящее время Киевским заводом КИП сахариметры СУ-1 и СУ-2 имеют следующую схему (рис. 38). Свет от электролампы 1 проходит через матовое стекло 2 или светофильтр 3, затем через конденсаторную линзу 4 и поступает в поляризатор 5. Поляризованный луч из поляризатора проходит два защитных стекла 6 и 7, между которыми помещается поляриметрическая трубка с исследуемым раствором. За защитным стеклом 7 установлен кварцевый компенсатор, состоящий из трех клиньев: подвижного кварцевого клина 8, стеклянного контрклина 9 и неподвижного кварцевого клина 10. Далее установлен анализатор 11 и зрительная труба, состоящая из двухлинзового объектива 12, 13 и окуляра 14. От электролампы 1 свет попадает также в отражательную призму 15 и, отражаясь, падает на защитное стекло 16. Это стекло рассеивает свет, который затем освещает шкалу 17 и нониус 18. Цифры и деления на шкале и нониусе рассматривают в увеличенном виде при помощи окуляра, состоящего из двух линз 19 и 20. Шкала 17 связана с подвижным кварцевым клином 8. Таким образом, смещение подвижного кварцевого клина 8, пропорциональное углу вращения плоскости поляризации, передается на шкалу 17 и отсчитывается при помощи окуляра шкалы 19-20.

Установка сахариметра. Сахариметр должен быть установлен на столе в темной комнате длиной около 2 и шириной 1,2 м со стенами, окрашенными в черный цвет. Если такой комнаты нет, над поляриметром устанавливают колпак из фанеры. Длина колпака 1,2, ширина 0,9 и высота 0,8 м. Изнутри колпак окрашивают в черный цвет. На отверстие колпака, обращенное к наблюдателю, навешивают портьеру из темной и плотной материи. Для удобства работы стол с прибором должен быть расположен так, чтобы поляризующий сидел спиной к окну. Это исключает проникновение дневного света в глаз наблюдателя и уменьшает утомляемость глаз при наблюдении. У стола, на котором установлен сахариметр, должны быть два выключателя: один - к электролампе, освещающей поляриметрическую комнату, а второй - к электролампе прибора.

Практика пользования сахариметром. Поляризацию проводят следующим образом. Окуляр анализатора 1 (рис. 39) устанавливают на ясную видимость и вращением винта 2 добиваются одинаковой интенсивности освещения обеих половин поля зрения; показания сахариметра при этом должны быть равны нулю. Затем в камеру сахариметра 3 помещают поляриметрическую трубку, наполненную исследуемым раствором. Поле зрения сахариметра разделяется по вертикальной линии на две половины (см. рис. 32, а) - темную и светлую. Тогда вращением винта 2 вновь добиваются одинаковой интенсивности освещения обеих половин поля зрения, после чего проводят отсчет. Для большей точности следует проводить поляризацию 2-3 раза подряд (не вынимая трубки) и из полученных отсчетов выводить среднее.

Сахариметр следует содержать в абсолютной чистоте. Поляриметрическая трубка, помещенная в сахариметр, должна быть совершенно сухой и чистой. Правильность показаний сахариметра проверяют специальными контрольными трубками.

Осветлители

Растворы исследуемых продуктов для поляризации должны быть совершенно прозрачны и возможно меньше окрашены. Чем интенсивнее окраска раствора, тем труднее проводить или сахара, так как меньше заметна разница в интенсивности освещения обеих половин поля зрения. Поэтому окрашенные продукты перед поляризацией осветляют. При осветлении удаляются также другие оптически активные вещества, например белки. Так, при исследовании мелассы ее осветляют реактивом Герлеса. Этот реактив состоит из двух растворов: Герлес I и Герлес II. Герлес I представляет собой раствор азотнокислого свинца, Герлес II - раствор едкого натра. При исследовании сахарной свеклы и других сахарсодержащих продуктов в качестве осветлителя применяют основной уксуснокислый свинец, для крахмалсодержащих продуктов - молибденовокислый аммоний.

Автоматический сахариметр

В настоящее время Киевский завод КИП выпускает фотоэлектрический автоматический поляриметр типа СА конструкции В. И. Кудрявцева. Этот поляриметр выполняет автоматически компенсацию вращения плоскости поляризации раствором и дает отсчет процентного содержания сахара. Основная схема сахариметра конструкции Кудрявцева (рис. 40) такова. Свет от электролампы 1 через конденсор 2 поступает в поляризатор 3. Поляризованный свет, плоскость поляризации которого приводится в колебание магнитооптическим модулятором 4, проходит через светофильтр 5, поляриметрическую трубку с исследуемым раствором 6, диафрагму 7, кварцевый компенсатор 8, 10, стеклянный контрклин 9, анализатор 11 и попадает на фотоэлемент 12. Фотоэлемент преобразует колебания интенсивности света в переменный электрический ток.

В отличие от обычного поляриметра роль поляризатора и анализатора выполняют не призмы Николя, а поляроиды, состоящие из пластинки с нанесенным слоем органических соединений йода; поляроиды устанавливаются в положении «накрест». При отсутствии трубки с раствором оптически активного вещества свет из анализатора не выходит. Когда между поляриметром и анализатором помещают трубку с исследуемым раствором, то на фотоэлемент падает свет, интенсивность которого зависит от угла вращения плоскости поляризации. Вращение плоскости поляризации исследуемым раствором компенсируется перемещением подвижного клина 8 кварцевого компенсатора, причем это перемещение пропорционально углу вращения плоскости поляризации, следовательно, пропорционально и концентрации раствора.

Отсчет показаний прибора проводится по шкале 19, связанной с подвижным клином 8 кварцевого компенсатора и снабженной нониусом 18. Для удобства отсчета показаний деления и цифры шкалы и нониуса проецируются на полупрозрачный экран 21 оптической проекционной системы, состоящей из осветителя 16, конденсора 17 и объектива 20. Подвижный клин и связанная с ним шкала перемещаются реверсивным двухфазным двигателем 13 через редуктор 14 и кремальерную передачу 15. Одна из обмоток электродвигателя питается через понижающий трансформатор 26 и стабилизатор напряжения 27 от сети переменного тока с частотой 50 гц. Вторая обмотка питается от усилителя переменного тока 22, на входе которого включен фотоэлемент 23. Ток на усилитель поступает через выпрямители 24 и 25. Электродвигатель вращается при подаче на обмотки переменного напряжения с частотой 50 гц.

Определение содержания сахарозы в мелассе

Содержание сахарозы в мелассе определяют следующим образом. Нормальную навеску мелассы (26,00 г) с помощью теплой воды (здесь и далее, где специально не оговорено, имеется в виду дистиллированная вода) переводят в мерную колбу на 100 мл, охлаждают до 20° С, прибавляют для осветления 8-10 мл растворов реактива Герлеса. Растворы Герлеса добавляют в 4-5 приемов; после каждого прибавления раствора азотнокислого свинца добавляют такое же количество раствора едкого натра, смесь перемешивают легким вращением колбы в течение 1,5-2 мин, затем опять в том же порядке прибавляют осветлитель. Содержимое колбы доводят до метки водой (при температуре 20° С), взбалтывают и после 2-5 минутного стояния фильтруют и поляризуют в трубке длиной 200 мм. Показание поляриметра дает непосредственно процент сахарозы в исследуемой мелассе.

Определение содержания крахмала в зерне

Содержание крахмала в зерне определяют по методу Эверса, который предусматривает превращение нерастворимого крахмала зерна в растворимый путем нагревания с разбавленной соляной кислотой. Навеску размолотого зерна 5,0000 г (т.е. с точностью до 0,0001 г) количественно переносят (через воронку с отрезанным концом) в сухую мерную колбу на 100 мл, приливают 25 мл 1,124%-ной соляной кислоты, ополоснув ею стаканчик, в котором взвешивали. Следующими 25 мл кислоты смывают частицы зерна со стенок колбы. Смесь перемешивают и колбу помещают на 15 мин в кипящую водяную баню, причем в тёчение первых трех минут содержимое колбы размешивают плавными круговыми движениями. Необходимо наблюдать, чтобы вода в бане покрывала всю колбу, а кипение было энергичным и не прекращалось при погружении колбы.

По истечении 15 мин колбу вынимают, вливают в нее 40 мл воды, взбалтывают и быстро охлаждают до 20° С. Для осветления раствора и осаждения белков прибавляют 4-6 мл раствора молибденовокислого аммония, доливают до метки водой, взбалтывают и фильтруют через сухой фильтр в чистую сухую колбу. Во избежание испарения воронку покрывают стеклом. Первые 20 мл фильтрата выливают, а последующие немедленно поляризуют в стеклянной трубке длиной 200 мм.

При исследовании крахмалсодержащих продуктов (зерна, картофеля) поляриметр не покажет непосредственного содержания крахмала. Для того чтобы рассчитать содержание крахмала, поступают следующим образом. Из формулы удельного вращения находим С:

При пользовании поляриметром с линейной шкалой формула приобретает следующий вид:

где П - показания поляриметра с линейной шкалой; 0,3468 - коэффициент перехода от линейной шкалы поляриметра к круговой.

Для определения крахмалистости зерна применяют навеску 5 г и растворяют крахмал до объема 100 мл разбавленной соляной кислотой. Пользуясь приведенной формулой, получают содержание крахмала в 100 мл раствора или (что то же) в 5 г навески. Процентное содержание крахмала в зерне находят умножением результата расчета на 20 (100:5 = 20).

Следовательно, крахмалистость зерна К можно рассчитать по формуле

В указанной формуле все величины, кроме П (показания поляриметра), постоянные. Поэтому можно написать К = kП, где k - постоянный коэффициент. Коэффициенты k для разных видов крахмала несколько различны, так как различны значения удельного вращения крахмала отдельных зерновых культур. Коэффициенты k были вычислены Эверсом и называются коэффициентами Эверса. Эти коэффициенты вычислены для навески 5 г при применении мерной колбы на 100 мл и поляриметрической трубки длиной 200 мм.

Приводим значения удельного вращения и коэффициента Эверса для различных видов крахмала.

Процентное содержание крахмала получают умножением показания шкалы поляриметра на соответствующий коэффициент Эверса.

Пример. При анализе пробы кукурузы показания поляриметра 28,4. Содержание крахмала составит 28,4 * 1,849 = 52,51%.

А. Н. Бондаренко и В. А. Смирнов считают, что удельное вращение крахмалов, выделенных из зерна хлебных и крупяных культур, при растворении в 1,124%-ной соляной кислоте и определении по методу Эверса одинаково и равно 181,0°. Соответственно будет одинаков и коэффициент Эверса, равный 1,910.

Существует несколько различных типов поляриметров, отличающихся, главным образом, природой источника света и точностью отсчитываемых показаний. Опишем устройство прибора на примере кругового поляриметра.

Монохроматический свет от источника (натриевой лампы), расположенного в отделении (1) проходит через поляризатор (2), становясь при этом поляризованным. Далее луч поляризованного света попадает в кюветное отделение (3), где располагается кювета (4) с исследуемым раствором. Если в кювете имеется оптически активное вещество, плоскость поляризации света поворачивается вправо или влево в зависимости от природы вещества. Вследствие поворота плоскости поляризации луч света может пройти через анализатор (5) и попасть в окуляр (6) только в том случае, если анализатор повернут на тот же угол и в том же направлении. Поворот анализатора осуществляется регулятором (7).

Отсчет показаний производится с помощью шкал, расположенных по обе стороны от окуляра в окошках (8). Включение и выключение прибора осуществляется тумблером (9).

Измерения с помощью поляриметра проводятся следующим образом:

1. После включения прибор прогревается около 10 мин до появления яркого желтого света в вентиляционных отверстиях отделения (1).

2. Кювета (4) заполняется без пузырьков воздуха исследуемым раствором и помещается в кюветное отделение (3), крышка кюветного отделения закрывается.

3. Вращением регулятора (10) устанавливается резкость изображения в окуляре (6). При этом на черном фоне должен быть виден желтый кружок, разделенный вертикальной линией; одна из половин кружка может быть более темной, чем другая.

4. Поворотом регулятора (7) достигается такое положение, при котором обе половины освещенного кружка приобретают одинаковую яркость и вертикальная граница полукружий исчезает.

5. Угол поворота (“вращения”) плоскости поляризации светового луча определяется с помощью шкал (8). При прецизионных измерениях угол отсчитывается дважды (по левой и по правой шкале) с вычислением среднего арифметического; при учебных измерениях можно ограничиться одним отсчетом по левой шкале.

Принцип отсчета показаний приведен на рисунке. Деления подвижной шкалы нанесены через каждые 0,5 градуса. Неподвижный нониус позволяет определить угол с точностью 0,02 о. Сначала определяется число градусов, отделяющих нуль нониуса от нуля подвижной шкалы. Затем среди делений нониуса находится такое, которое сливается в одну линию с каким-либо делением подвижной шкалы. Это деление нониуса дает десятые и сотые доли градуса. Оба показания складывают. Так, изображение на рисунке соответствует углу 3,5 + 0,06 = 3,56 о. Вставить рисунок.

Оба луча, обыкновенный и необыкновенный, полностью поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях. Плоскость колебаний необыкновенного луча совпадает с главным сечением кристалла, а плоскость колебаний обыкновенного луча перпендикулярна к нему.

Для получения плоскополяризованного света достаточно удалить один из лучей, образовавшихся при двойном лучепреломлении. Это достигается различными способами.

1.4 Прохождение поляризованного света через вещества

При прохождении линейно-поляризованного света через некоторые вещества плоскость поляризации световых лучей поворачивается. Это явление называется вращением плоскости поляризации. Вещества, вращающие плоскость поляризации, называются оптически активными .

Оптическая активность вещества обуславливается двумя факторами:

1. особенностями кристаллической решетки вещества;

2. особенностями строения молекул вещества.

В зависимости от этих факторов оптически активные вещества разделяются на два типа. К первому относятся твердые кристаллы, например, кварц SiO 2 . Вещества второго типа проявляют активность только в растворенном или газообразном состоянии. К этой категории относятся органические вещества: глюкоза, винная кислота и др.

Плоскость поляризации вышедшего луча оказывается повернутой на некоторый угол, называемый углом поворота плоскости поляризации.

Некоторые оптически активные вещества поворачивают плоскость поляризации вправо, т.е. по часовой стрелке, если смотреть навстречу (правовращающие вещества), другие - влево (левовращающие вещества).

Угол поворота плоскости поляризации зависит прямопропорционально от длины пути луча «е » в растворе, концентрации раствора «с » и индивидуальных свойств веществ, характеризующихся величиной, называемой удельным вращением «a ».

Удельное вращение зависит от длины волны света, рода растворителя, температуры раствора. С увеличением длины волны a 0 уменьшается, с увеличением температуры – увеличивается.

Обычное удельное вращение относится к температуре 20°С и жел­той линии натрия l 0 и обозначают .

Удельное вращение плоскости поляризации численно равно углу поворота плоскости поляризации при длине пути в 1м и объемной концентрации данного оптически активного вещества, равной 1кг/м 3 .

2. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

2.1 Описание прибора и принципа его действия

Поляриметр круговой СМ предназначен для измерения углов вращения плоскости поляризации света оптически активными веществами.

Оптическая схема поляриметра типа СМ изображена на рис.8.

Рис.8. Оптическая схема поляриметра

Свет от источника 1 (матовая электрическая лампочка) проходит последовательно через цветной светофильтр 2, поляриза­тор 3, диафрагму плоскопараллельной кварцевой пластинкой 4, поляриметрическую трубку 5, анализатор 6, зрительную трубку и попадает в глаз наблюдателя 9.

Анализатор можно вращать относительно оси прибора с помощью специального фрикциона 2. Вместе с анализатором вращается зритель­ная труба и диск 7. Благодаря двум нониусам, которые нанесены на диск, можно отсчитывать по лимбу 10 углы поворота анализатора от 0 до 369 0 с точностью до 0,05. Поляризатор 3 установлен неподвижно.

Пучок света, прошедший через поляризатор, оказывается поляризо­ванным линейно. Вектор напряженности электрического поля совершает колебания в плоскости главного сечения поляризации. На рис.9 это плоскость РР, плоскость главного сечения анализатора АА, счет идет из-за плоскости чертежа к наблюдателю. Стрелки указывают направление колебаний вектора .

Поляризованный свет отличается от обычного тем, что он колеблется только в одной плоскости, в то время как обычный свет колеблется во всех плоскостях пространства.

Поляризованный свет можно получить, если пропустить луч обычного света через призму Николя, кристаллическая решетка которой задерживает колебания света во всех плоскостях, кроме одной, через которую он проникает на другую сторону кристалла в виде поляризованного света. Призму Николя, служащую для получения поляризованного света, называют поляризатором.

Если на пути поляризованного света поставить вторую призму Николя, плоскость поляризации которой совпадаете первой призмой, то поляризованный свет свободно пройдет через вторую призму и осветит пространство позади нее. В случае смещения второй призмы так, что нарушится параллельность плоскостей поляризации, поляризованный свет не сможет полностью пройти через вторую призму и пространство позади нее будет частично или полностью затемнено (в зависимости от степени смещения). Вторую призму, находящуюся на пути поляризованного света, называют анализатором.

Если между поляризатором и анализатором, установленными так, что поляризованный свет проходит через анализатор, поместить слой жидкости, не содержащий оптически активных веществ, например дистиллированную воду, то плоскость колебания поляризованного света не отклонится и луч пройдет через анализатор так же, как в случае, когда слой жидкости отсутствовал.

Плоскость поляризованного света сдвинется на определенную величину, если при первоначальном положении обеих призм между ними поместить слой жидкости, содержащей оптически активное вещество, например глюкозу. В данном конкретном случае сдвиг произойдет на угол а и свет не сможет пройти через анализатор.

Для того, чтобы свет прошел через анализатор, последний необходимо повернуть на тот же угол а так, чтобы плоскость поляризованного света снова совпадала с плоскостью анализатора. Поставив перед анализатором градуированную в градусах шкалу, можно измерить угол отклонения, а вместе с тем и угол вращения плоскости поляризованного света а.

Аппараты, построенные на описанном выше принципе, называются поляриметрами и с их помощью определяется угол вращения поляризованного света. Схематическое устройство простейшего поляриметра приведено на рис. 95, а, б.

Рис. 95.
а, б - схематическое изображение поляриметра. Пояснения в тексте.

Зеркало (1) служит для направления пучка света в аппарат, а оранжевый светофильтр (2), установленный перед поляризатором, пропускает только желтый свет, так как поляриметрию предпочтительно проводить при желтом, а еще лучше при монохроматическом свете натриевой лампы. Поляризатор (3) служит для поляризации пучка света, а трубка (4) предназначена для заполнения ее исследуемой жидкостью. Анализатор (5) и связанный с ним диск поворота (6) служат для вращения на соответствующий угол. Окуляр поляриметра (7) необходим для рассмотрения поля зрения, а шкала с нониусом (8) и окуляр (9) нужны для регистрации величины угла вращения.

Поле зрения поляриметра обычно разделено на две равные части (рис. 96, а). Когда в трубке находится оптически неактивная жидкость, то обе половины зрительного поля освещены одинаково, так как анализатор не задерживает света. При наличии в трубке оптически активного раствора одна из половин зрительного поля затемняется, так как плоскость поляризованного света отклоняется и свет не полностью проходит через анализатор. Поворотом диска, к которому прикреплен анализатор, последний поворачивают на угол а, соответствующий повороту плоскости поляризованного света, при этом обе половины зрительного поля освещаются одинаково. На шкале прибора определяется величина угла.

В некоторых приборах поле зрения разделено не на две, а на три части - центральную полосу и два боковых сегмента по сторонам (рис. 96, б). Эти приборы удобнее, чем поляриметры с двумя частями поля зрения. При оптически неактивной жидкости все три части поля зрения освещены одинаково. При оптически активной жидкости, находящейся в трубке, плоскость поляризованного света отклоняется и центральная полоска зрительного поля затемняется.

Диск с анализатором вращают до тех пор, пока все три части поля зрения примут одинаковую освещенность, после чего отмечают угол поворота.

Для оптически активного вещества величина угла вращения поляризованного света зависит от ряда факторов:
1) от характера веществ, каждое из которых имеет свой характерный угол вращения, который называют «удельным вращением» и обозначают ;
2) от концентрации оптически активного вещества;
3) от длины трубки, в которой помещена исследуемая жидкость (толщина слоя).

Зависимость между этими величинами может быть выражена следующим уравнением:

где 1) -удельное вращение вещества;
2) l - толщина слоя;
3) С - концентрация оптически активного вещества. Таким образом, зная удельное вращение вещества и длину
трубки, можно определить его концентрацию в растворе. Длина трубки в различных аппаратах может быть различной. Эта величина указывается в инструкциях по пользованию.
обозначает специфический угол вращения (удельное
вращение), т. е. угол вращения поляризованного света при концентрации одного грамма вещества в 1 мл, при длине трубки в 10 см, температуре 20°, при желтом натриевом свете (D - линия спектра).

Поляриметр П-161 в настоящее время не выпускается, но применяется во многих лабораториях. Он весьма прост в употреблении и предназначен для определения сахара в моче. Прибор состоит из трех основных частей: стойки, трубки поляриметра и трубки-кюветы.

Трубка-кювета изготовлена из керамики, на которую навинчивают колпачки с резиновыми прокладками и защитными стеклами, чтобы не вытекала исследуемая жидкость. Изготовленная из непрозрачной керамики кювета позволяет устанавливать ее в открытое ложе поляриметрической трубки. Керамическая трубка-кювета небьющаяся, кислотоустойчивая, стенки ее обладают меньшей отражательной способностью, чем стекло. Длина керамиковой трубки-кюветы - 94,7 мм, рассчитана таким образом, что удвоенное число отсчета дает непосредственное содержание сахара в 100 мл мочи или соответственно содержание сахара в процентах.

Более сложным прибором является круговой поляриметр типа СМ , позволяющий определять угол вращения в пределах ±360°. Луч света от лампы накаливания через отверстие в кожухе осветителя проходит через светофильтр, осветительную линзу-конденсор, дающую пучок параллельных лучей, и далее через поляризатор, помещенный между двумя защитными стеклами. Поляризованный свет проходит через диафрагму с кварцевой пластинкой, расположенной так, что через нее проходят лучи только средней части пучка. Пластинка отклоняет плоскость поляризации света, проходящего через поляризатор на 5-7°.

Поворотом анализатора регулируется освещенность фотометрического поля, которое в поляриметре СМ разделено на три части (рис. 96, б). Затемненность полей определяют через зрительную трубу и фиксируют либо в отсутствии трубки с исследуемым раствором, либо с трубкой, наполненной водой.

Рис. 96. Поле зрения поляриметра.
а - с двумя полями; б - с центральными и боковыми сегментами.

Сложным и высокоточным производительным прибором является поляриметр, выпускаемый фирмой «Perkin-Elmer» .

Поляриметр этой фирмы модели 241 МС имеет монохроматор. Монохроматический свет проходит через поляризатор, ячейку с образцом и анализатор и попадает на фотоумножитель. Прибор работает на принципе оптического нулевого отсчета. Поляризатор и анализатор установлены в нулевой позиции на вертикальной оптической оси. Когда оптически активный образец устанавливается в пучок света, анализатор поворачивается с помощью серво-системы до тех пор, пока опять не устанавливается оптический нуль. Угол вращения измеряется по шкале и результат указывается на цифровом табло.

Измерение угла вращения исследуемых веществ может проводиться в лучах ртутной лампы высокого давления, а также при необходимости в свете натриевой лампы с длиной волны 589 нм, дейтериевой лампы с длиной волн 250-420 нм или йодно-кварцевой лампы (350-650 нм). Три последних лампы смонтированы в отдельном блоке, который легко устанавливается в прибор и позволяет быстро осуществлять переключение необходимого источника света.

Для исследования малых объемов растворов имеется специальная микроячейка на 0,2 мл. Точность прибора: ±0,002° для ротационных величин <1°.

Габариты прибора: длина - 950 мм, ширина - 280 мм, высота - 350 мм. Масса - около 50 кг.