Polarimetrie - Deutschlands nationales Metrologieinstitut

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1 Polarimetrie - Deutschlands nationales Metrologieinstitut - 1 -

2 Anwendungen der Polarimetrie In vielen Bereichen wird Polarimetrie eingesetzt, um optisch aktive Substanzen nachzuweisen und deren Konzentration zu bestimmen. Wichtige Anwendungen: Messungen des Zuckergehalts (Saccharimetrie) in der Zuckerherstellungsindustrie, Süßwarenindustrie, Alkoholindustrie, Medizinische Laboranalytik: Bestimmung des Blut- oder Urinzuckers, Lebensmittelindustrie, Pharmaindustrie (Arzneistoffanalytik - Bestimmung der Konzentration und Reinheit von Medikamenteninhalten), Qualitätskontrolle in vielen Bereichen. Von vielen Herstellern werden Polarimeter (sowie auch einige andere auf dem polarimetrischem Prinzip basierende Geräte) für verschiedene Industriebereiche entwickelt und kommerziell angeboten. Damit die mit Polarimetern gemessenen Werte verlässlich und anerkannt werden, müssen Polarimeter erstmalig bei der Herstellung und danach regelmäßig kalibriert werden

3 Licht und Polarisation Licht als elektromagnetische Strahlung wird durch eine Transversalwelle mit jeweils rechten Winkeln zwischen dem Wellenvektor (in Ausbreitungs-richtung) und den Vektoren des elektrischen (E) und magnetischen Feldes (H) dargestellt. E(x) Wellenlänge λ x Die Polarisation einer Transversalwelle beschreibt die Richtung ihrer Schwingung. Ändert sich diese Richtung schnell und ungeordnet, nennt man die Welle unpolarisiert. In der Natur kommt polarisiertes, teilweise polarisiertes und unpolarisiertes Licht vor. Das menschliche Auge kann polarisiertes Licht von unpolarisiertem nicht unterscheiden. H(x) Darstellung einer elektromagnetischen Welle, die sich in im Raum ausbreitet. Ausbreitungsrichtung Zeichnung: Wikipedia/Commons - 3 -

4 Polarisator Glan-Thompson-Prisma Für die Erzeugung und Analyse von polarisierten elektromagnetischen Wellen werden Polarisatoren benutzt. Beispiel: Ein Glan-Thompson-Prisma polarisiert unpolarisiertes Licht linear: am Ausgang des Polarisators entstehen Wellen, deren elektrischer Feldvektor (E) nur in einer Ebene schwingt. Das Prinzip dieses Polarisators basiert auf Doppelbrechung in optischanisotropen Materialien (z. B. Kalkspat CaCO 3 ). Vorhergerufen durch bestimmte Geometrie des Elementes wird am Ausgang der Prisma nur ein linear polarisierter Lichtstrahl separiert. linear polarisierter, außerordentlicher sstrahl, Polarisation entspricht der Ausrichtung der optischen Achse Kleber, z. B. Kanadabalsam Am Übergang Kalkspat Kleber werden die Wellen einer Polarisation reflektiert Zeichnung Quelle: Wikimedia Commons, Cepheiden - 4 -

5 Polarisator und Analysator Mithilfe zweier hintereinander aufgebauter Polarisatoren der hintere davon Analysator genannt - lassen sich folgende Effekte beobachten: Analysator parallel zum Polarisator: Licht kommt durch, die Schwingungsebene bleibt erhalten. Analysator senkrecht zum Polarisator: Licht wird ausgelöscht, Beobachter sieht die sog. dunkle Stellung. zwischen Polarisator und senkrecht dazu stehendem Analysator wird eine Substanz angebracht, die die Lichtpolarisationsebene ändert (sog. optisch aktive Substanz): der elektrische Feldvektor wird um einen bestimmten Winkel gedreht. Der Analysator muss gedreht werden, um dunkle Stellung zu erreichen. Der Wert dieser Drehung ist eine charakteristische Konstante (Drehwinkel), die zur Identitäts-, Reinheitsund Konzentrationsanalyse einer Substanz eingesetzt wird

6 Optisch aktive Substanzen Heutzutage sind viele optisch aktive Substanzen (in der Natur vorkommend oder synthetisch hergestellt) bekannt, die die Lichtpolarisationsebene drehen. Wichtige Beispiele: Zucker (Saccharose), einige Naturkristalle, u. a. Quarz, Kalkspat CaCO 3, Zinnober, Natriumchlorat Flüssigkristalle für Bildschirme viele chemische Zusammensetzungen, die chiral sind (d. h. sie haben zwei Spiegel -Enantiomere) und in der Ernährung und Medizin eine wichtige Rolle spielen, z. B.: Ascorbinsäure (Vitamin C), Citalopram (Antidepressivum) Links: Enantiomere eines chiralen Moleküls finden im Alltag ihre Abbildung in der rechten und linken Hand Quelle: Wikipedia/commons Rechts: Enantiomere von Citalopram Quelle: Wikipedia/Commons - 6 -

7 Aufbauprinzip eines Polarimeters Polarisator und Analysator sind die Hauptbestandteile eines Polarimeters. Mit einem Polarimeter wird der Polarisationsdrehwinkel von optisch aktiven Substanzen bestimmt Lampe mit Farbfilter (z. B. Na-Lampe) oder Laser (z. B. Helium-Neon, λ 633 nm) 2. Sammellinse 3. Die Polarisationsebene des Lichtstrahls schwingt in allen Richtungen 4. Polarisator 5. Die Polarisationsebene des polarisierten Lichtes schwingt nur noch in eine Richtung 6. Küvette mit einer optisch aktiven Substanz 7. Die Ebene des polarisierten Lichtes wird von der optisch aktiven Substanz gedreht 8. Analysator mit Winkelmessgerät 9. Lichtempfindlicher Empfänger (z. B. Auge, Fotodiode) - 7 -

8 Bestimmung der Konzentration Der Drehwinkel, den man beim Durchgang von linear polarisiertem Licht durch eine optisch aktive Substanz in einem Polarimeter bestimmt, hängt von mehreren Faktoren ab: Anzahl der Moleküle, also der Konzentration einer Substanz in einer Probe Länge, die das Licht durch die Probe zurücklegt, Wellenlänge des Lichts, Temperatur der Probe, die die thermische Bewegung des einzelnen Moleküls bestimmt, Lösungsmittel. Bei bekannter Konzentration (β) und Länge der Probe (d) kann nun der sog. spezifische Drehwinkel [a] λ, T einer Substanz bei der Wellenlänge des Lichts λ und der Temperatur T bestimmt werden. Misst man für diese Lösung den Drehwinkel α, dann ist: a [ ] T α λ, = d β Mittels dieses einmal bestimmten spezifischen Drehwinkels kann nun die unbekannte Konzentration einer Substanz in einer Probe durch die Messung des Drehwinkels in einem Polarimeter berechnet werden

9 Kalibrierung an der PTB Zur Kalibrierung polarimetrischer Geräte werden Quarzkontrollplatten verwendet. An der PTB wird die polarimetrische Kalibrierung von Quarzkontrollplatten durchgeführt. Quarz gehört zu den sehr stabilen optisch aktiven Substanzen. Quarzkontrollplatten haben sehr genau definierte Drehwinkel, die von ihrer Dicke, der Temperatur und der Wellenlänge des verwendeten Lichtes abhängig sind. Die Drehwerte von Quarzkontrollplatten werden mit einem Präzisionspolarimeter bestimmt und durch einen Kalibrierschein dokumentiert. Die Kalibrierung erfolgt nach den Empfehlungen der ICUMSA (International Commission for Uniform Methods of Sugar Analysis) bzw. im gesetzlichen Bereich durch die OIML (Organisation Internationale de Métrologie Légale). Eine typische Quarzkontrollplatte zur Kalibrierung von kommerziellen polarimetrischen Geräten: Durchmesser: 16 mm, Dicke 1,6 mm - 9 -

10 Präzisionspolarimeter der PTB Die Kalibrierung einer Quarzkontrollplatte besteht zunächst aus einer Vorprüfung, in der ihre grundsätzliche Kalibrierfähigkeit geprüft wird. Die festgelegten Mindestanforderungen müssen in Bezug auf optische Reinheit, Abmessungen, Ebenheit, Planparallelität und Achsenfehler erfüllt werden. Die Platten, die die Mindestanforderungen erfüllen, werden nach der Vorprüfung kalibriert, d.h. es wird der eigentliche Messwert - die optische Drehung - mit einem Präzisionspolarimeter bestimmt. Schematische Dargestellung, wie Licht beim Durchgang seine Polarisationsebene ändert. Optisch aktive Substanz befindet sich in einer typischen (normierten) Probenhalterung für Flüssigkeiten und Normalquarzplatten

11 Präzisionspolarimeter der PTB ) Lichtquelle: HeNe-Laser (λ 633 nm); 2) Polarisator; Probenhalter; Modulator und Analysator gekoppelt mit einem Winkelmesssystem; 3) eine Si-Fotodiode oder ein Photomultiplier als Lichtdetektor. Die Messwerte werden auf eine Temperatur von 20 C korrigiert. Der Drehwinkel der Quarzplatte kann auf verschiedene Wellenlängen zwischen 404 nm und 882 nm umgerechnet werden. Der Messplatz ist automatisiert und ermöglicht sehr schnelle Durchführung von Messungen

12 Weiterführende Literatur: Polarimetrie Mehr Informationen unter: Andere Quellen: Physik-Wissen - eine informative Seite für Schüler und Lehrer (u.a. Licht im Medium, Polarisation...) - eine didaktische Seite über Physik (u. a. Elektromagnetische Wellen, Licht, Polarisation, Polarisationsfilter...)

13 Kontakt Foto: Wächtergruppe von Friedrich-Wilhelm Voswinkel (1982) am Eingang der PTB, Braunschweig Physikalisch-Technische Bundesanstalt PTB Bundesallee Braunschweig Abteilung 4 - Optik, Sekretariat: Tel.: (05 31)

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