Il polarimetria misura la rotazione che subisce un fascio di luce polarizzata quando passa attraverso una sostanza otticamente attiva che può essere un cristallo (ad esempio tormalina) o una soluzione zuccherina.
È una tecnica semplice, appartenente ai metodi di analisi ottica e con numerose applicazioni, soprattutto nell'industria chimica e agroalimentare, per determinare la concentrazione di soluzioni zuccherine..
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Il fondamento fisico di questa tecnica risiede nelle proprietà della luce come un'onda elettromagnetica, costituita da un campo elettrico e da un campo magnetico che si muovono in direzioni reciprocamente perpendicolari..
Le onde elettromagnetiche sono trasversali, il che significa che questi campi, a loro volta, si propagano nella direzione perpendicolare ad esse, secondo la figura 2.
Tuttavia, poiché il campo è costituito da numerosi treni d'onda che provengono da ciascun atomo, e ognuno oscilla in direzioni diverse, la luce naturale o quella proveniente da una lampadina a incandescenza non è polarizzata..
Al contrario, quando le oscillazioni del campo si verificano in una direzione preferenziale, si dice che la luce sia polarizzata. Ciò può essere ottenuto facendo passare il fascio di luce attraverso alcune sostanze in grado di bloccare i componenti indesiderati e facendone passare solo uno in particolare..
Se, inoltre, l'onda luminosa è costituita da una sola lunghezza d'onda, abbiamo un raggio monocromatico polarizzato linearmente.
I materiali che agiscono come filtri per ottenere questo risultato sono chiamati polarizzatori o analizzatori. E ci sono sostanze che rispondono alla luce polarizzata, ruotando il piano di polarizzazione. Sono note come sostanze otticamente attive, ad esempio gli zuccheri.
In generale, i polarimetri possono essere: manuali, automatici e semiautomatici e digitali.
I polarimetri manuali sono utilizzati nei laboratori didattici e piccoli laboratori, mentre quelli automatici sono preferiti quando è richiesto un numero elevato di misurazioni, in quanto riducono al minimo il tempo impiegato per la misurazione..
I modelli automatico e digitale sono dotati di un rilevatore fotoelettrico, un sensore che emette una risposta al cambiamento di luce e aumenta notevolmente la precisione delle misurazioni. Ci sono anche quelli che offrono la lettura su uno schermo digitale, essendo molto facili da usare.
Per illustrare il funzionamento generale di un polarimetro, di seguito viene descritto un tipo ottico manuale..
Un polarimetro di base si avvale di due prismi Nicol o fogli Polaroid, al centro dei quali si trova la sostanza otticamente attiva da analizzare..
William Nicol (1768-1851) era un fisico scozzese che dedicò gran parte della sua carriera alla strumentazione. Utilizzando un cristallo di calcite o un longherone islandese, un minerale in grado di scindere un fascio di luce incidente, Nicol creò nel 1828 un prisma con cui si poteva ottenere la luce polarizzata. È stato ampiamente utilizzato nella costruzione di polarimetri.
Le parti principali di un polarimetro sono:
- La fonte di luce. Generalmente una lampada a vapori di sodio, tungsteno o mercurio, la cui lunghezza d'onda è nota.
- Polarizzatori. I vecchi modelli utilizzavano prismi Nicol, mentre quelli più moderni usano solitamente fogli Polaroid, costituiti da molecole di idrocarburi a catena lunga con atomi di iodio..
- Un portacampioni. Dove si colloca la sostanza da analizzare, la cui lunghezza è variabile, ma nota esattamente.
- Un oculare e indicatori dotati di scale nonio. Per l'osservatore per misurare con precisione la potenza di rotazione del campione. I modelli automatici hanno sensori fotoelettrici.
- Inoltre, indicatori di temperatura e lunghezza d'onda. Poiché il potere rotazionale di molte sostanze dipende da questi parametri.
Nella procedura descritta c'è un piccolo inconveniente quando l'osservatore regola il minimo di luce, poiché l'occhio umano non è in grado di rilevare piccolissime variazioni di luminosità..
Per ovviare a questo problema, il polarimetro Laurent aggiunge un mezzo foglio ritardante a mezza lunghezza d'onda, realizzato in materiale birifrangente..
In questo modo, l'osservatore ha due o tre regioni adiacenti di diversa luminosità, chiamate campi, nell'osservatore. Ciò rende più facile per l'occhio distinguere tra i livelli di luminosità..
La misurazione più accurata si ottiene quando l'analizzatore viene ruotato in modo che tutti i campi siano ugualmente deboli..
La legge di Biot mette in relazione la potenza rotante α di una sostanza otticamente attiva, misurata in gradi sessagesimali, con la concentrazione c di tale sostanza -quando è una soluzione- e la geometria del sistema ottico.
Questo è il motivo per cui nella descrizione del polarimetro è stato posto l'accento sul fatto che i valori di lunghezza d'onda della luce e quella del portacampioni dovevano essere conosciuti.
La costante di proporzionalità è denotata [α] ed è chiamata potenza rotativa specifica della soluzione. Dipende dalla lunghezza d'onda λ della luce incidente e dalla temperatura T del campione. I valori di [α] sono solitamente tabulati a 20 ºC per la luce al sodio, in particolare, la cui lunghezza d'onda è di 589,3 nm.
A seconda del tipo di composto da analizzare, la legge di Biot assume forme diverse:
- Solidi otticamente attivi: α = [α] .ℓ
- Liquidi puri: α = [α]. ℓ.ρ
- Soluzioni con soluti che hanno attività ottica: α = [α]. ℓ.c
- Campioni con vari componenti otticamente attivi: ∑αio
Con le seguenti grandezze aggiuntive e relative unità:
- Lunghezza portacampione: ℓ (in mm per solidi e dm per liquidi)
- Densità dei liquidi: ρ (in g / ml)
- Concentrazione: c (in g / ml o molarità)
I polarimetri sono strumenti di laboratorio molto utili in vari settori e ogni tipo di polarimetro presenta vantaggi in base al suo utilizzo..
Un grande vantaggio della tecnica stessa è che si tratta di un test non distruttivo, appropriato quando si analizzano campioni costosi e preziosi o che per qualche motivo non possono essere duplicati. Tuttavia, la polarimetria non è applicabile a nessuna sostanza, solo a quelle che hanno attività o sostanza ottica chirale, come sono anche conosciuti.
È inoltre necessario considerare che la presenza di impurità introduce errori nei risultati..
L'angolo di rotazione prodotto dalla sostanza analizzata è in accordo con le sue caratteristiche: il tipo di molecola, la concentrazione della soluzione e anche il solvente utilizzato. Per ottenere tutti questi dati è necessario conoscere esattamente la lunghezza d'onda della luce utilizzata, la temperatura e la lunghezza del contenitore portacampioni..
La precisione con cui si vuole analizzare il campione è determinante nella scelta di un'attrezzatura adeguata. E anche il suo costo.
- Di solito sono più economici, sebbene ci siano anche versioni digitali a basso costo. Per quanto riguarda questo c'è molta offerta.
- Sono adatti all'uso nei laboratori didattici e come formazione, perché aiutano l'operatore a prendere confidenza con gli aspetti teorici e pratici della tecnica.
- Sono quasi sempre a bassa manutenzione.
- Sono forti e durevoli.
- La lettura della misura è un po 'più laboriosa, soprattutto se la sostanza da analizzare è di bassa potenza rotazionale, pertanto l'operatore è solitamente personale specializzato.
- Sono facili da maneggiare e leggere, non richiedono personale specializzato per il loro funzionamento.
- Il polarimetro digitale può esportare i dati su una stampante o un dispositivo di memorizzazione.
- I polarimetri automatici richiedono un tempo di misurazione inferiore (circa 1 secondo).
- Hanno opzioni per misurare per intervalli.
- Il rivelatore fotoelettrico consente di analizzare sostanze con basso potere rotazionale.
- Controlla in modo efficiente la temperatura, il parametro che più influenza la misura.
- Alcuni modelli sono costosi.
- Richiede manutenzione.
La polarimetria ha un gran numero di applicazioni, come accennato all'inizio. Le aree sono diverse e anche i composti da analizzare possono essere organici e inorganici. Questi sono alcuni di loro:
- Nel controllo della qualità farmaceutica, aiuta a determinare che le sostanze utilizzate nella produzione di medicinali hanno la concentrazione e la purezza appropriate.
- Per il controllo di qualità dell'industria alimentare, analizzando la purezza dello zucchero, nonché il suo contenuto in bevande e dolci. Vengono anche chiamati polarimetri usati in questo modo saccarimetri e usano una scala particolare, diversa da quella usata in altre applicazioni: la scala ºZ.
- Anche nella tecnologia alimentare viene utilizzato per trovare il contenuto di amido di un campione.
- In astrofisica, la polarimetria viene utilizzata per analizzare la polarizzazione della luce nelle stelle e per studiare i campi magnetici presenti negli ambienti astronomici e il loro ruolo nella dinamica stellare..
- La polarimetria è utile per rilevare le malattie dell'occhio.
- Nei dispositivi di telerilevamento satellitare per l'osservazione di navi in mare, aree di inquinamento in mezzo all'oceano o sulla terraferma, grazie all'imaging ad alto contrasto.
- L'industria chimica utilizza la polarimetria per distinguere isomeri ottici. Queste sostanze hanno proprietà chimiche identiche, poiché le loro molecole hanno la stessa composizione e struttura, ma una è un'immagine speculare dell'altra..
Gli isomeri ottici differiscono nel modo in cui polarizzano la luce (enantiomeri): un isomero lo fa a sinistra (mancino) e l'altro a destra (destrorso), sempre dal punto di vista dell'osservatore..
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