Какое свойство веществ лежит в основе поляриметрии
ПОЛЯРИМЕТРИЯ (позднелат. polaris полярный + греч, metreo мерить, измерять) — совокупность физико-химических методов исследования, основанных на определении угла вращения плоскости поляризации проходящего через оптически активную среду поляризованного света.
Поляриметрия находит широкое применение в сан.-гиг., клинических и физиологических исследованиях. Методами Поляриметрии определяют наличие и концентрацию углеводов в растительном сырье, белков и аминокислот в растворах; этими методами исследуют активность ферментов, расщепляющих углеводы, и т. д.
В основе Поляриметрии лежит прохождение поляризованного луча света через оптически активную среду (напр., через какую-либо биол, пробу, исследуемый р-р). При этом плоскость поляризации луча (см. Поляризация света), прошедшего через исследуемое вещество, оказывается повернутой на некоторый угол (угол вращения плоскости поляризации). По величине этого угла, а также по направлению смещения (знаку вращения) плоскости поляризации идентифицируют оптически активное вещество и определяют его концентрацию.
Для количественной оценки угла вращения плоскости поляризации используются удельное вращение [α], выражающееся формулой:
[α] = α/lc,
где α — угол вращения плоскости поляризации (в градусах); l — длина кюветы в дм; с — концентрация оптически активного вещества в г/мл, а также молекулярное вращение :
[M] = αM/100,
где М — молекулярный вес (масса) оптически активного вещества. Для характеристики оптических свойств высокомолекулярных веществ (напр., для белков или нуклеиновых к-т) используется также определение «вращения на мономерное звено или остаток» — m или R (т. e. в расчете на молекулярный вес мономерного звена или остатка). Удельное и молекулярное вращение — специфичны для каждого оптически активного соединения (зависят от структуры вещества, температуры, типа растворителя и др.).
Угол вращения плоскости поляризации зависит от длины волны проходящего света; такая зависимость носит название дисперсии оптического вращения. Показано, что каждый оптически активный хромофор молекулы в области своей полосы поглощения характеризуется специфической, так наз. аномальной дисперсией оптического вращения. Вне области полосы поглощения дисперсия оптического вращения носит название нормальной. При наличии нескольких оптически активных переходов нормальная дисперсия определяется суммой вкладов от всех хромофоров. Дисперсию оптического вращения изучают с помощью приборов — спектрополяриметров; метод изучения называется спектрополяриметрией.
Наряду с вращением плоскости поляризации падающего света любое оптически активное вещество по-разному поглощает компоненты света, поляризованные по кругу влево и вправо, т. е. обладает круговым дихроизмом. Мерой его является величина ΔЕ, вычисляемая по формуле:
ΔЕ = ЕL — ЕR,
где ЕL и ЕR — молекулярные коэффициенты поглощения для двух компонент поляризованного света. Величина ΔЕ связана с разностью оптических плотностей для двух компонент света ΔD = DL — DR соотношением:
ΔЕ = ΔD/cl,
где с — концентрация вещества в моль/л, l — длина кюветы в см. Значения ΔE изменяются с длиной волны света и могут быть как положительными, так и отрицательными. Эта величина имеет большие значения только в узкой области частот вблизи максимума поглощения, поэтому спектр кругового дихроизма молекул, имеющих несколько хромоформных групп, обладает большей разрешающей способностью, чем спектры дисперсии оптического вращения.
Спектры кругового дихроизма изучают с помощью приборов, называемых дихрографами.
Методы измерения дисперсии оптического вращения и кругового дихроизма широко применяются для изучения структуры многих биологически важных соединений, в частности вторичной и третичной структур молекул белков, конформационных изменений белков в растворах при изменении условий среды или при их взаимодействии с другими молекулами. Этими методами изучаются структура ферментов, пептидных гормонов, мембранных белков, различных белковых комплексов (напр., антиген — антитело), сложных комплексов (напр., хроматина, рибосом, вирусов и фагов), процессы нуклеиново-белкового узнавания и т. д.
Рис. 1. Схема простого поляриметра: 1 — источник оптического излучения 2 — светофильтр, или монохроматор, 3 — линза, 4 — поляризатор, 5, 7, 11 —диафрагмы 6 — наследуемый раствор; 8 — анализатор, 9 — угломерное устройство, 10 — объектив 12 — окуляр, 13 — выходное отверстие; I — поляризирующее устройство, II — анализирующее устройство, III — зрительная труба.
Поляриметры — приборы для измерения углов вращения плоскости поляризации. Любой прибор для П. содержит источник поляризованного излучения (источник света и поляризатор) и устройство для анализа этого излучения, прошедшего через исследуемый прибор (анализатор). В простейших поляриметрах при измерении поворотом анализатора добиваются полного затемнения поля зрения. В таких поляриметрах (рис. 1) поток излучения, выходящий из источника, проходит через светофильтр, или монохроматор, через поляризирующее устройство, исследуемый образец, анализатор, жестко связанный с угломерным устройством, и попадает в зрительную трубу. Лимб угломерного устройства расположен перпендикулярно к оси вращения анализатора. Для измерения угла вращения, производимого оптически активным веществом, анализатор дважды устанавливают на одинаковую яркость поля зрения и дважды выполняют отсчеты по угломерному устройству — без исследуемого вещества между поляризатором и анализатором N0 и с исследуемым веществом (N1). Искомый угол вращения φ равен разности результатов двух отсчетов φ = N1 —N0.
Рис. 2. Схема сахариметра: 1 — источник оптического излучения, 2 — линза, 3 — полутеневой поляризатор, 4 — раствор сахара, 5 — пластина, 6 — неподвижный клин, 7 — подвижный клин, 8 — отсчетное устройство, 9 — анализатор, 10 — зрительная труба.
Для повышения точности измерений поляриметры снабжают полу-теневыми устройствами — поляризаторами (анализаторами) особой конструкции, обеспечивающими небольшой сдвиг плоскостей поляризации в поле зрения и делящими его на два или три поля сравнения. При этом чувствительность прибора возрастает. Поляриметры, предназначенные для определения содержания сахара в растворах, называются сахариметрами, а процесс определения концентрации сахара в растворах — сахарометрией. Излучение от источника света (рис. 2) проходит через фокусирующую линзу и полу-теневой поляризатор. Анализатор жестко установлен на полутеневое равенство в нулевом положении. Для компенсации вращения, вызываемого р-ром сахара, служит компенсатор в виде плоскопараллельной пластины кристаллического кварца переменной толщины, установленной перед анализатором и состоящей из плоскопараллельной пластины правовращающего и клиньев левовращающего кварца. Угол вращения отсчитывают с помощью линейной шкалы и нониуса, отградуированных в единицах Международной сахарной шкалы. Полутеневое равенство устанавливается при наблюдении в зрительную трубу.
Рис. 3. Схема фотоэлектрического поляриметра: 1 — источник света, 2 — поляризатор, 3 — модулятор, 4 — исследуемый раствор, 5 — анализатор, 6 — угломерное устройство, 7 — фотоприемник, 8 — усилитель, 9 — фазочувствительный нуль-индикатор.
Применение фотоэлектрических приемников излучения в поляриметрах позволяет значительно повысить их чувствительность, отказаться от затемненных помещений, повысить скорость выполнения измерений, проводить измерения в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра, исследовать вещества с большой оптической плоскостью. В общем виде схема одного из фотоэлектрических поляриметров приведена на рис. 3. Поток излучения в нем от источника света проходит поляризатор, модулятор, исследуемый образец, анализатор с угломерным устройством и попадает на фотоэлектрический приемник, а затем в резонансный усилитель, настроенный на частоту модуляции, и фазочувствительный нуль-индикатор. При углах скрещения, отличных от 90°, световой поток будет иметь составляющую модуляции на частоте f (частота переменного тока, питающего модулятор), фаза к-рой зависит от направления поворота плоскости поляризации исследуемым веществом. Погрешности измерений фотоэлектрическими поляриметрами лежат в пределах 0,02° для приборов с диапазонами измерений порядка нескольких градусов.
Библиография: Веллюз Л., Легран М. и Грошан М. Оптический круговой дихроизм, пер. с англ., М., 1967; Волкова Е. А. Поляризационные измерения, М., 1974; Волькенштейн М. В. Молекулярная биофизика, с. 315, М., 1975; Дисперсия оптического вращения и круговой дихроизм в органической химии, под ред. Г. Снатцке, пер. с англ., М., 1970; Кудрявцев В. И. Автоматический сахариметр, Сахарная пром-сть, № 11, с. 14, 1953; The cell nucleus, ed. by H. Busch, v. 5’ p. 55, 99, N. Y., 1978; Jirgensons B. Optical activity of proteins and other macromоlecules, B. — N. Y., 1973.
И. А. Болотина; М. Я. Каабак (техн.).
Оптическое вращение – свойство вещества вращать плоскость поляризации при прохождении через него поляризованного света. Такое вещество имеет асимметричную молекулярную или кристаллическую структуру.
В зависимости от природы оптически активного вещества вращение плоскости поляризации может иметь различное направление и величину. Если свет, проходящий через оптически активное вещество, вращает плоскость поляризации по часовой стрелке, то вещество называют правовращающим (+), если же плоскость поляризации вращается против часовой стрелки, то – левовращающим (–).
Для сравнительной оценки способности различных веществ вращать плоскость поляризации света вычисляют величину удельного вращении [α]20D.
Величина угла вращения зависит от природы оптически активного вещества, длины волны света и длины пути поляризованного света в чистом веществе или растворе. Природа растворителя и концентрация оптически активного вещества также сказываются на результатах измерения. В связи с этим значение удельного вращения приводится с указанием природы растворителя и концентрации оптически активного вещества.
Удельное оптическое вращение [α]20D представляет собой угол вращения α плоскости поляризации монохроматического света при длине волны линии D спектра натрия (589,3 нм), выраженный в градусах, измеренный при температуре 20 ºС, рассчитанный для толщины слоя испытуемого вещества 1 дм и приведенный к концентрации вещества, равной 1 г/мл. Выражается в градус-миллилитрах на дециметр-грамм [(º) × мл × дм-1 × г-1]. Иногда для измерения используют зеленую линию спектра ртути с длиной волны 546,1 нм.
Для получения величины угла вращения [α]20D показания прибора, полученные при измерениях, алгебраически суммируют с ранее найденной величиной поправки. Величину удельного вращения [α] рассчитывают по одной из следующих формул.
Для веществ, находящихся в растворе:
[α]tλ= (100 × α) / (L × C),
где: α – измеренный угол вращения, в градусах; L – толщина слоя или длины оптического пути (длины кюветы), дм; С — концентрация раствора, в граммах вещества на 100 мл раствора.
Для жидких веществ:
[α]tλ= α / (L × ρ),
где: α – измеренныйугол вращения, в градусах; L – толщина слоя или длины оптического пути (длины кюветы), дм; ρ – плотность жидкого вещества, в граммах на 1 мл.
Концентрацию оптически активного вещества в растворе находят по формуле:
C = (100 × α) / ([α]tλ × L).
Измерение угла вращения проводят на поляриметре. Делается это с целью определения чистоты оптически активного вещества или для определения его концентрации в растворе. В практической работе используются поляриметры различных систем, основанные на одном и том же принципе их работы. Поляриметрия широко применяется для исследования строения оптически активных веществ и измерения их концентрации. Так, правовращающими оптически активными изомерами являются такие лекарственные препараты, как антибиотик группы макролидов азитромицин, каптоприл, кодеин, сердечно-сосудистый препарат лизиноприл, ингибитор АПФ эналаприл. К левовращающим оптическим изомерам относятся: глутаминовая кислота являющаяся ноотропом и дезинтоксикантом, антибиотик широкого спектра действия левомицетин, антиаллергический препарат клемастин, нестероидный противовоспалительный препарат напроксен, гиполипидемические препараты группы статинов – симвастатин и аторвастатин.
Большинство лекарственных препаратов применяется в медицине в виде смеси оптически активных энантиомеров (рацематов), например, сердечно-сосудистый препарат атаканд, ингибитор циклооксигеназы кеторолак, антидепрессант флуоксетин. Некоторые из них обладают существенными побочными эффектами, однако по жизненным показаниям эти препараты широко применяются.
В Европе и США проводятся исследования по разделению рацематов на оптически активные энантиомеры. Неплохие результаты достигнуты в результате разделения оптических изомеров таких сердечно-сосудистых препаратов как амлодипин и метопролол, а также противоастматического препарата сальбутамол.
В фармацевтике с помощью поляриметрии могут измеряться концентрация и чистота самых разнообразных веществ и соединений, которые обладают оптической активностью. Во-первых, к ним относятся все энантиомеры и хиральные вещества. Во-вторых, это различные анальгетики, антибиотики, витамины, стероиды, транквилизаторы и диуретики. В-третьих, для измерения глюкозы, фруктозы, аминокислот и аминосахаров, крахмала, сахарозы и природных масел. Поляриметрический контроль за чистотой, а следовательно, качеством препаратов прописан как эталонный во многих мировых стандартах (GLP/GMP/ISO/ГОСТ и пр.) и является обязательным для международных фармакопей.
Рассмотрим некоторые примеры применения поляриметров в фармацевтике подробнее.
1) Глюкозамин
Глюкозамин используется для лечения остеоартрита и артралгии и относится к к корректорам метаболизма костной и хрящевой ткани в соответствии с российскими классификацией. Также в некоторых странах он используется как диетическая добавка. Глюкозамин может быть извлечён из хитина посредством гидролиза с помощью высококонцентрированной соляной кислоты. Концентрацию и чистота глюкозамина после процесса гидролиза можно определить с помощью поляриметрии.
2) Лактоза
Лактоза моногидрата часто используется в процессе прессования таблеток, благодаря хорошей текучести и высокой сжимаемости. Также лактоза может применяться в процессе производства ингаляторов сухого порошка и адьювантов. Поляриметрия заявлена как метод определения чистоты лактозы в соответствии с фармакопеями во всём мире.
3) Аминокислоты
α-аминокислоты являются основой белков и входят в состав живых организмов. Составляющие аминокислот карбоксильная и амино группы могут терять или приобретать протон водорода в зависимости от pH раствора, а при физиологическом рН являются цвиттерионными, то есть носителями как отрицательных, так и положительных зарядов. Значение pH в свою очередь очень сильно влияет на оптические свойства, которые и измеряются с помощью поляриметрии.
4) Камфора
Камфора добывается из различных природных масел. Применяется же она в качестве аналептического и отхаркивающего средства – как правило, для наружного применения. Процесс синтеза включает в себя сложение равных по количеству D- и L- форм камфоры, а успех процесса – получение оптически неактивного рацемата – определяется с помощью измерения угла вращения плоскости поляризации. Камфора имеет очень большую зависимость от температуры, поэтому необходимо поддерживать температуру на определённом уровне – например, с помощью термомодуля Пельтье.
5) Декстрометорфан
Декстрометорфан, или правовращающий энантиомер меторфана, часто используется как противокашлевое средство. Левовращающий энантиомер – левометорфан – имеет совершенно другие свойства и является опиоидным анальгетиком. Именно поэтому важно измерять чистоту энантиомера с помощью поляриметрии.
6) Противораковые препараты
Противораковые препараты имеют очень короткий срок хранения и зачастую крайне ядовиты и тератогенны. Именно поэтому необходим тщательный контроль на каждом этапе производства и обращения. Поляриметрия позволяет измерить чистоту и концентрацию оптически активных противораковых препаратов, таких как S-метотрексат, доксорубицин, винкристин, преднизон, винбластин, этопозид, эпирубицин, капецитабин и оксалиплатин.
7) Морфин.
Морфин также является оптически активным веществом. Некоторые его производные (например, гидрохлорид и сульфат морфия) используются в фармацевтике и медицине. Производные морфия используются в качестве опиоидного анальгетика, обезболивающего. Так как морфин относится к наркотическим веществам, необходим строжайший контроль, в том числе и поляриметрический.
8) Крахмал.
В фармацевтической промышленности крахмал используется как наполнитель и связующее средство для таблеток, а также для других вспомогательных задач.
Также поляриметрия может использоваться в медицине для определения хиральных продуктов метаболизма (например, альбумин и сахар в моче), гормонов, энзимов (ферментов), при проведении анализа ядов, тестостерона, для анализов токсикологии и в количественном контроле при введении глюкозы (декстрозы) и декстрана.
Поляриметры ATAGO.
Компания ATAGO производит целый ряд поляриметров, которые могут быть использованы для фармацевтической промышленности.
Для самых требовательных измерений существует поляриметр SAC-i. Надёжный и точный поляриметр, обладающий высокими техническими характеристиками и полным соответствием с GLP/GMP стандартами.
Второй поляриметр – AP-300, ветеран на рынке автоматических поляриметров, который зарекомендовал себя как крайне надёжный прибор по невысокой цене. Для данного поляриметра существуют две фармацевтические комплектации: Комплектация С и Комплектация D, которые позволяют сильно сэкономить.
Последний вариант – это новинка компании ATAGO, которая не имеет аналогов в мире. Рефрактополяриметр RePo-1 – портативный рефрактометр и поляриметр в одном корпусе. Данный прибор предназначен для второстепенных измерений и будет очень удобен, когда необходимо измерить как угол вращения, так и показатель преломления. Благодаря низкой стоимости, он может найти применение на самых разных стадиях производства.
Читайте также:
Применение поляриметрии в промышленности
Поляриметрия и приборы в поляриметрии
Поляриметрия представляет собой научный метод исследования веществ, основанный на измерении оптической активности органических и неорганических соединений. Оптическая активность вызывает вращение плоскости поляризованного света, а вещества, обладающие данным свойством, называются оптически активными.
Значение угла поворота зависит от молекулярной структуры и концентрации раствора. Удельное оптическое вращение [α] рассчитывается по следующей формуле:
[α]tλ= (100 × α) / (L × C)
и зависит оно от температуры образца t, длины волны света излучателя λ, длины оптического пути (длины кюветы) L и концентрации образца C в г/100мл.
Смотреть поляриметр SAC-i в нашем каталоге
В предыдущей статье мы рассмотрели применение поляриметров в такой важной сфере, как фармацевтика. Давайте теперь рассмотрим, в каких случаях можно использовать поляриметры в промышленности. Самое широкое применение поляриметры нашли в продуктовой промышленности, в производстве парфюмерии и бытовой химии. Рассмотрим некоторые примеры более подробно.
1) Сахарная промышленность.
Исторически сложилось, что сахарная промышленность является основной отраслью, где используются поляриметры: благодаря этому за ними закрепилось ещё одно название — «сахариметры». Так, практически все мировые производители выпускают модели поляриметров, предназначенные специально для сахарного производства. Автоматический поляриметр — незаменимая вещь на сахарном заводе, его используют для измерения содержания сахарозы в сырье, далее во всех полупродуктах, в готовой продукции и, наконец, в отходах производства. Поляриметр-сахариметр позволяет измерить содержание сахарозы во всех сахаросодержащих продуктах от 0 до 100% к массе продукта: это может быть сам сахар, меласса, свекловичный жом, барда и сточные воды. Стандарты международной комиссии ICUMSA предполагают использование длины пути (кюветы) 200 мм. и международную сахарную шкалу (МСШ). Эти стандарты также описывают методы температурной коррекции для сахарозы и многое другое. Для тёмных образцов применяются либо 100 мм. кюветы, либо источник света с большей длиной волны (как правило, 882 нм).
2) Натуральные масла.
Природные масла состоят из большого количества компонент, многие из которых оптически активны. Именно это разнообразие состава позволяет использовать поляриметрию для точного и простого определения чистоты и качества натуральных масел. Значения вращения измеряются, как правило, при 20 или 25°С.
Ориентировочные значения оптического вращения эфирных масел:
| Апельсиновое: +94° … +99° |
| Лимонное холодного прессования: +57° … +65° |
| Масло мяты садовой: -50° … -61°; перечной: -18° |
| Тминовое: +75° … +80° |
| Касторовое: +3.5° … +6° |
| Гвоздиковое: 0° … -1.5° |
| Эвкалиптовое: 0°… +10° |
| Пихты австрийской: -40°… -67° |
| Укропа: +60° … +90° |
| Лаванды: -3°… -12° |
| Грейпфрута: +91° … +92° |
| Кедра атласского: +50° … +70° |
3) Аминокислоты.
Аминокислоты широко используются в качестве пищевых добавок к корму животных, при производстве глутаминовой кислоты, спортивного питания, подсластителей, удобрений и косметики. Составляющие аминокислот карбоксильная и амино группы могут терять или приобретать протон водорода в зависимости от pH раствора, а при физиологическом рН являются цвиттерионными, то есть носителями как отрицательных, так и положительных зарядов. Значение pH в свою очередь очень сильно влияет на оптические свойства, которые и измеряются с помощью поляриметрии.
4) Мёд.
Поляриметры могут использоваться для распознавания падевого и цветочного мёда, так как первый имеет положительные значения вращения плоскости поляризации, а второй — отрицательные. Оптическое вращение мёда определяется сочетанием различных сахаров и измеряется для установления наличия в падевом мёде цветочного и наоборот. Значения удельного вращения являются показателем качества мёда согласно многим мировым стандартам.
5) Лактоза.
Поляриметрия позволяет определять содержание лактозы в сыром и обработанном молоке, что пропорционально количеству питательных веществ. Контроль за содержанием лактозы позволяет эффективно проверять качество как безлактозных продуктов, так и продуктов с её уменьшенным содержанием (сыр, простокваша и пр.). Поляриметры позволяют контролировать эти значения с большей точностью по сравнению со стандартными методами исследований.
6) Крахмал.
Крахмал крайне широко применяется в промышленности. В пищевой промышленности он используется для получения глюкозы, патоки, этанола, в текстильной промышленности — для обработки тканей, в бумажной — в качестве наполнителя. Также крахмал входит в состав большинства колбас, майонеза, кетчупа и используется для изготовления клейстерного клея. Поляриметрия является наиболее точным методом определения концентрации крахмала.
7) Сахароза в винах.
Спелый виноград содержит от 15 до 25% сахара, который в свою очередь состоит из примерно равных частей фруктозы и глюкозы. Хоть сахароза не полностью эквивалентна сахарам в винограде, её добавление в некоторых случаях допускается как средство увеличения содержания алкоголя в конечном продукте. В процессе брожения сахар преобразуется в алкоголь и его содержание уменьшается – поляриметры позволяют с большой точностью контролировать это изменение.
8) Парфюмерия.
Ароматические вещества в парфюмерии могут быть естественного или искусственного происхождения. Естественные ароматические вещества представляют собой эфирные масла – например, камфоровое масло, лимонен, линалоол, α-пинен, γ-терпинен, α-терпинеол – и, как правило, проявляют оптическую активность. Именно благодаря этому свойству эфирных масел, поляриметрия позволяет определять концентрацию и чистоту духов, а также отделять искусственную парфюмерию от естественной.
Помимо перечисленных выше примеров, поляриметры могут быть использованы для анализа неорганических ионов в сочетании с оптически активными веществами (например, висмута, кадмия, меди, железа и ртути), органических веществ, скипидара, бензола, кислот и прочего.
Поляриметры ATAGO.
Компания ATAGO производит большое количество поляриметров, которые могут быть использованы в различных сферах промышленности.
Для сахарной промышленности компания ATAGO предлагает две модели поляриметров-сахариметров: первая – AP-300, ветеран на рынке автоматических поляриметров, который зарекомендовал себя как крайне надёжный прибор по невысокой цене. Является одним из самых часто используемый поляриметров на сахарных заводах в России. Вторая – Sac-i – новый поляриметр, в который были заложены отзывы и предложения пользователей AP-300 на сахарном производстве. Он позволяет получать более точные результаты и работать в более сложных условиях, а специальная модификация даёт возможность измерять даже самые тёмные образцы. Обе модели могут быть укомплектованы проточными кюветами с воронками, что значительно упрощает работу при круглосуточном цикле производства.
Для самых требовательных измерений существует поляриметр SAC-i. Высокие технические характеристики и надёжность, стабильность показаний и соответсвие мировым и российским стандартам – данный поляриметр станет спутником любой лаборатории на долгие-долгие годы.
Полуавтоматический поляриметр POLAX-2L является хорошим решением для тех, кто не может позволить себе автоматические модели. Несмотря на скромные характеристики, данный прибор позволяет получить качественные результаты.
Последний вариант – это новинка компании ATAGO, которая не имеет аналогов в мире. Рефрактополяриметр RePo-1 – портативный рефрактометр и поляриметр в одном корпусе. Данный прибор предназначен для второстепенных измерений и будет очень удобен, когда необходимо измерить как угол вращения, так и показатель преломления. Благодаря низкой стоимости, он может применяться даже в тех сферах, в которых применение поляриметрии было затруднено из-за высокой стоимости оборудования – например, при производстве парфюмерии или пищевых добавок.
