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Un polarímetro [1] es un instrumento científico utilizado para medir la rotación óptica : el ángulo de rotación causado por el paso de luz polarizada linealmente a través de una sustancia ópticamente activa . [2]
Algunas sustancias químicas son ópticamente activas y la luz polarizada linealmente (unidireccional) rotará hacia la izquierda (en sentido contrario a las agujas del reloj) o hacia la derecha (en el sentido de las agujas del reloj) cuando pase a través de estas sustancias. La cantidad en que se rota la luz se conoce como ángulo de rotación . La dirección (en el sentido de las agujas del reloj o en el sentido contrario a las agujas del reloj) y la magnitud de la rotación revelan información sobre las propiedades quirales de la muestra, como la concentración relativa de enantiómeros presentes en la muestra.
La polarización por reflexión fue descubierta en 1808 por Étienne-Louis Malus (1775-1812). [2]
La proporción, la pureza y la concentración de dos enantiómeros se pueden medir mediante polarimetría. Los enantiómeros se caracterizan por su propiedad de rotar el plano de la luz polarizada lineal . Por lo tanto, esos compuestos se denominan ópticamente activos y su propiedad se conoce como rotación óptica . Las fuentes de luz, como una bombilla, una lámpara halógena de tungsteno o el sol, emiten ondas electromagnéticas a la frecuencia de la luz visible. Su campo eléctrico oscila en todos los planos posibles en relación con su dirección de propagación. En contraste, las ondas de luz polarizada lineal oscilan en planos paralelos. [3]
Si la luz se encuentra con un polarizador, solo la parte de la luz que oscila en el plano definido del polarizador puede pasar a través de él. Ese plano se llama plano de polarización. El plano de polarización se gira mediante compuestos ópticamente activos. Según la dirección en la que gira la luz, el enantiómero se denomina dextrógiro o levorrotatorio.
La actividad óptica de los enantiómeros es aditiva. Si diferentes enantiómeros existen juntos en una solución, su actividad óptica se suma. Es por eso que los racematos son ópticamente inactivos, ya que anulan sus actividades ópticas en sentido horario y antihorario. La rotación óptica es proporcional a la concentración de las sustancias ópticamente activas en solución. Por lo tanto, los polarímetros se pueden aplicar para mediciones de concentración de muestras de enantiómeros puros. Con una concentración conocida de una muestra, los polarímetros también se pueden aplicar para determinar la rotación específica al caracterizar una nueva sustancia. La rotación específica es una propiedad física y se define como la rotación óptica α a una longitud de trayectoria l de 1 dm, una concentración c de 10 g/L, una temperatura T (generalmente 20 °C) y una longitud de onda de luz λ (generalmente la línea D de sodio a 589,3 nm): [4]
Esto nos indica cuánto gira el plano de polarización cuando el rayo de luz pasa a través de una cantidad específica de moléculas ópticamente activas de una muestra. Por lo tanto, la rotación óptica depende de la temperatura, la concentración, la longitud de onda, la longitud del recorrido y la sustancia que se analiza. [5]
El polarímetro está formado por dos prismas de Nicol (el polarizador y el analizador). El polarizador es fijo y el analizador puede girarse. Los prismas pueden considerarse como las rendijas S1 y S2. Las ondas de luz pueden considerarse como ondas en la cuerda. El polarizador S1 sólo permite el paso de las ondas de luz que se mueven en un único plano. Esto hace que la luz se polarice en un plano. Cuando el analizador también se coloca en una posición similar, permite que las ondas de luz que provienen del polarizador pasen a través de él. Cuando se gira en un ángulo recto, ninguna onda puede pasar a través del ángulo recto y el campo parece oscuro. Si ahora se coloca un tubo de vidrio que contiene una solución ópticamente activa entre el polarizador y el analizador, la luz ahora gira a través del plano de polarización en un cierto ángulo, el analizador tendrá que girarse en el mismo ángulo.
Los polarímetros miden esto al pasar luz monocromática a través de la primera de dos placas polarizadoras, creando un haz polarizado. Esta primera placa se conoce como polarizador. [6] Luego, este haz gira a medida que pasa a través de la muestra. Después de pasar a través de la muestra, un segundo polarizador, conocido como analizador, gira ya sea mediante rotación manual o detección automática del ángulo. Cuando el analizador se gira de manera que toda la luz o ninguna luz pueda pasar a través de él, entonces se puede encontrar el ángulo de rotación que es igual al ángulo θ por el cual se giró el analizador en el primer caso, o 90-θ en el segundo caso.
Cuando la luz polarizada en un plano pasa a través de algunos cristales, la velocidad de la luz polarizada a la izquierda es diferente de la de la luz polarizada a la derecha, por lo que se dice que los cristales tienen dos índices de refracción, es decir, doble refracción.
Construcción: El polarímetro consta de una fuente monocromática S que se coloca en el punto focal de una lente convexa L. Justo después de la lente convexa hay un prisma de Nicol P que actúa como polarizador. H es un dispositivo de media sombra que divide el campo de luz polarizada que emerge del Nicol P en dos mitades, generalmente de brillo desigual. T es un tubo de vidrio en el que se llena una solución ópticamente activa. La luz, después de pasar a través de T, se deja caer sobre el Nicol A analizador que puede girar alrededor del eje del tubo. La rotación del analizador se puede medir con la ayuda de una escala C.
Principio de funcionamiento : Para entender la necesidad de un dispositivo de media sombra, supongamos que no está presente. La posición del analizador se ajusta de modo que el campo de visión esté oscuro cuando el tubo esté vacío. La posición del analizador se anota en la escala circular. Ahora el tubo se llena con la solución ópticamente activa y se coloca en su posición adecuada. La solución ópticamente activa gira el plano de polarización de la luz que emerge del polarizador P en un cierto ángulo, de modo que la luz es transmitida por el analizador A y el campo de visión del telescopio se vuelve brillante. Ahora el analizador se gira un ángulo finito de modo que el campo de visión del telescopio se vuelve oscuro nuevamente. Esto sucederá solo cuando el analizador se gira en el mismo ángulo en el que gira el plano de polarización de la luz por la solución ópticamente activa.
Se anota nuevamente la posición del analizador. La diferencia entre las dos lecturas dará el ángulo de rotación del plano de polarización.
Una dificultad que se presenta en el procedimiento anterior es que, cuando se gira el analizador para lograr la oscuridad total, esta se alcanza gradualmente y, por lo tanto, es difícil encontrar la posición exacta para lograr la oscuridad total. Para superar la dificultad anterior, se introduce el dispositivo de media sombra entre el polarizador P y el tubo de vidrio T.
Dispositivo de media sombra: consta de dos placas semicirculares ACB y ADB. Una mitad ACB está hecha de vidrio mientras que la otra mitad está hecha de cuarzo. Ambas mitades están cementadas juntas. El cuarzo se corta en paralelo al eje óptico. El espesor del cuarzo se selecciona de tal manera que introduzca una diferencia de trayectoria de 'A/2 entre los rayos ordinarios y extraordinarios. El espesor del vidrio se selecciona de tal manera que absorba la misma cantidad de luz que es absorbida por la mitad de cuarzo.
Considere que la vibración de polarización es a lo largo de OP. Al pasar a través de la mitad de vidrio, las vibraciones permanecen a lo largo de OP. Pero al pasar a través de la mitad de cuarzo, estas vibraciones se dividirán en componentes 0 y £. Los componentes £ son paralelos al eje óptico, mientras que el componente O es perpendicular al eje óptico. El componente O viaja más rápido en el cuarzo y, por lo tanto, un componente 0 de emergencia será a lo largo de OD en lugar de a lo largo de OC. Por lo tanto, los componentes OA y OD se combinarán para formar una vibración resultante a lo largo de OQ que forma el mismo ángulo con el eje óptico que OP. Ahora bien, si el plano principal del Nicol analizador es paralelo a OP, entonces la luz pasará a través de la mitad de vidrio sin obstrucciones. Por lo tanto, la mitad de vidrio será más brillante que la mitad de cuarzo o podemos decir que la mitad de vidrio será brillante y la mitad de cuarzo será oscura. De manera similar, si el plano principal del Nicol analizador es paralelo a OQ, entonces la mitad de cuarzo será brillante y la mitad de vidrio será oscura.
Cuando el plano principal del analizador se encuentra a lo largo de AOB, ambas mitades serán igualmente brillantes. Por otro lado, si el plano principal del analizador se encuentra a lo largo de DOC, ambas mitades serán igualmente oscuras.
Por lo tanto, es evidente que si el nicotín se altera ligeramente con respecto al DOC, una mitad se vuelve más brillante que la otra. Por lo tanto, al utilizar el dispositivo de media sombra, se puede medir el ángulo de rotación con mayor precisión.
Determinación de la rotación específica: Para determinar la rotación específica de una sustancia ópticamente activa (por ejemplo, azúcar), primero se llena el tubo del polarímetro con agua pura y se ajusta el analizador para obtener un punto de oscuridad uniforme (ambas mitades deben ser igualmente oscuras). La posición del analizador se anota con la ayuda de la escala. A continuación, se llena el tubo del polarímetro con una solución de azúcar de concentración conocida y se ajusta nuevamente el analizador de tal manera que se logre nuevamente el punto de oscuridad uniforme. Se anota nuevamente la posición del analizador. La diferencia de las dos lecturas dará el ángulo de rotación θ. Por lo tanto, una rotación específica S se determina como S = θ/LC, donde L es la longitud del camino óptico y C es la concentración de la sustancia.
Un polarímetro de bicuarzo utiliza una placa de bicuarzo , que consta de dos placas semicirculares de cuarzo , cada una de 3,75 mm de espesor. Una mitad está compuesta de cuarzo ópticamente activo dextrógiro, mientras que la otra mitad está compuesta de cuarzo ópticamente activo levógiro.
Los primeros polarímetros, que datan de la década de 1830, requerían que el usuario girara físicamente un elemento polarizador (el analizador) mientras observaba a través de otro elemento estático (el detector). El detector se colocaba en el extremo opuesto de un tubo que contenía la muestra ópticamente activa y el usuario usaba su ojo para juzgar la "alineación" cuando se observaba menos luz. Luego se leía el ángulo de rotación desde un simple polarizador fijo hasta el móvil con una precisión de aproximadamente un grado.
Aunque la mayoría de los polarímetros manuales que se producen hoy en día siguen adoptando este principio básico, los numerosos avances aplicados al diseño opto-mecánico original a lo largo de los años han mejorado significativamente el rendimiento de la medición. La introducción de una placa de media onda aumentó la "sensibilidad de distinción", mientras que una escala de vidrio de precisión con tambor de vernier facilitó la lectura final con una precisión de aproximadamente ±0,05º. La mayoría de los polarímetros manuales modernos también incorporan un LED amarillo de larga duración en lugar de la lámpara de arco de sodio más costosa como fuente de luz.
En la actualidad, se encuentran disponibles polarímetros semiautomáticos. El operador visualiza la imagen a través de una pantalla digital y ajusta el ángulo del analizador mediante controles electrónicos.
Los polarímetros totalmente automáticos son ampliamente utilizados en la actualidad y simplemente requieren que el usuario presione un botón y espere una lectura digital. Los polarímetros digitales automáticos rápidos brindan un resultado preciso en unos pocos segundos, independientemente del ángulo de rotación de la muestra. Además, brindan una medición continua, lo que facilita la cromatografía líquida de alto rendimiento y otras investigaciones cinéticas.
Otra característica de los polarímetros modernos es el modulador de Faraday . El modulador de Faraday crea un campo magnético de corriente alterna. Oscila el plano de polarización para mejorar la precisión de detección al permitir que se pase por el punto de máxima oscuridad una y otra vez y, por lo tanto, se determine con mayor precisión.
Como la temperatura de la muestra tiene una influencia significativa en la rotación óptica de la muestra, los polarímetros modernos ya han incluido elementos Peltier para controlar activamente la temperatura. Las técnicas especiales, como los tubos de muestra con control de temperatura, reducen los errores de medición y facilitan la operación. Los resultados se pueden transferir directamente a computadoras o redes para su procesamiento automático. Tradicionalmente, el llenado preciso de la celda de muestra tenía que verificarse fuera del instrumento, ya que no era posible un control apropiado desde el interior del dispositivo. Hoy en día, un sistema de cámara puede ayudar a monitorear la muestra y las condiciones precisas de llenado en la celda de muestra. Además, las funciones para el llenado automático introducidas por pocas empresas están disponibles en el mercado. Cuando se trabaja con productos químicos cáusticos, ácidos y bases, puede ser beneficioso no cargar la celda del polarímetro a mano. Ambas opciones ayudan a evitar posibles errores causados por burbujas o partículas.
El ángulo de rotación de una sustancia ópticamente activa puede verse afectado por:
La mayoría de los polarímetros modernos tienen métodos para compensar y/o controlar estos errores.
Tradicionalmente, se utilizaba una solución de sacarosa con una concentración definida para calibrar polarímetros relacionando la cantidad de moléculas de azúcar con la rotación de polarización de la luz. La Comisión Internacional de Métodos Uniformes de Análisis del Azúcar (ICUMSA) jugó un papel clave en la unificación de los métodos analíticos para la industria azucarera, estableció estándares para la Escala Internacional del Azúcar (ISS) y las especificaciones para polarímetros en la industria azucarera. [7] Sin embargo, las soluciones de azúcar son propensas a la contaminación y la evaporación. Además, la rotación óptica de una sustancia es muy sensible a la temperatura. Se encontró un estándar más confiable y estable: el cuarzo cristalino que está orientado y cortado de manera que coincida con la rotación óptica de una solución de azúcar normal, pero sin mostrar las desventajas mencionadas anteriormente. [8] El cuarzo (dióxido de silicio, SiO 2 ) es un mineral común, un compuesto químico trigonal de silicio y oxígeno. [9] Hoy en día, las placas de cuarzo o placas de control de cuarzo de diferente espesor sirven como estándares para calibrar polarímetros y sacarímetros. Para garantizar resultados fiables y comparables, las placas de cuarzo pueden calibrarse y certificarse en institutos de metrología. Sin embargo, la calibración también puede comprobarse utilizando un patrón de referencia de polarización, que consiste en una placa de cuarzo montada en un soporte perpendicular a la trayectoria de la luz. Estos patrones están disponibles, trazables al NIST, poniéndose en contacto con Rudolph Research Analytical, ubicada en 55 Newburgh Road, Hackettstown, NJ 07840, EE. UU. [10] Una calibración consiste primero en una prueba preliminar en la que se comprueba la capacidad de calibración fundamental. Las placas de control de cuarzo deben cumplir los requisitos mínimos requeridos con respecto a sus dimensiones, pureza óptica, planitud, paralelismo de las caras y errores del eje óptico. Después de eso, el valor de medición real - la rotación óptica - se mide con el polarímetro de precisión. La incertidumbre de medición del polarímetro asciende a 0,001° (k = 2). [11]
Dado que muchos productos químicos ópticamente activos, como el ácido tartárico , son estereoisómeros , se puede utilizar un polarímetro para identificar qué isómero está presente en una muestra: si gira la luz polarizada hacia la izquierda, es un isómero levo y, hacia la derecha, un isómero dextro. También se puede utilizar para medir la proporción de enantiómeros en soluciones.
La rotación óptica es proporcional a la concentración de las sustancias ópticamente activas en solución. Por lo tanto, la polarimetría se puede aplicar para medir la concentración de muestras con enantiómeros puros. Si se conoce la concentración de una muestra, la polarimetría también se puede aplicar para determinar la rotación específica (una propiedad física) al caracterizar una nueva sustancia.
Muchos productos químicos presentan una rotación específica como propiedad única (una propiedad intensiva como el índice de refracción o la gravedad específica ) que se puede utilizar para distinguirlos. Los polarímetros pueden identificar muestras desconocidas en función de esto si se controlan o al menos se conocen otras variables como la concentración y la longitud de la celda de muestra. Esto se utiliza en la industria química.
Del mismo modo, si ya se conoce la rotación específica de una muestra, entonces se puede calcular la concentración y/o pureza de una solución que la contenga.
La mayoría de los polarímetros automáticos realizan este cálculo automáticamente, teniendo en cuenta las variables introducidas por el usuario.
Las mediciones de concentración y pureza son especialmente importantes para determinar la calidad de un producto o ingrediente en las industrias de alimentos y bebidas y farmacéutica. Las muestras que muestran rotaciones específicas que se pueden calcular para determinar la pureza con un polarímetro incluyen:
Los polarímetros se utilizan en la industria azucarera para determinar la calidad tanto del jugo de caña de azúcar como de la sacarosa refinada. A menudo, las refinerías de azúcar utilizan un polarímetro modificado con una celda de flujo (y que se utiliza junto con un refractómetro ) llamado sacarímetro . Estos instrumentos utilizan la Escala Internacional del Azúcar, tal como la define la Comisión Internacional de Métodos Uniformes de Análisis del Azúcar (ICUMSA).
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![{\displaystyle [\alpha ]_{\lambda }^{T}={\frac {100\veces \alpha }{l\veces c}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/20a8fef4067da43e51ab35720b407e80535e92ca)