POLARIMETRY: เหตุผลประเภทการใช้งานข้อดีและข้อเสีย - เคมี - 2025

polarimetryขนาดการหมุนของขั้วผ่านการลำแสงเมื่อ มัน ผ่านสารที่ใช้งานสายตาซึ่งอาจจะเป็นแก้ว (เช่นทัวร์มาลีน) หรือสารละลายน้ำตาล

เป็นเทคนิคง่ายๆซึ่งเป็นของวิธีการวิเคราะห์ทางแสงและมีการใช้งานมากมายโดยเฉพาะในอุตสาหกรรมเคมีและอาหารเกษตรเพื่อตรวจสอบความเข้มข้นของสารละลายน้ำตาล

รูปที่ 1. ดิจิตอลโพลามิเตอร์อัตโนมัติ ที่มา: Wikimedia Commons A.KRÜSS Optronic GmbH, http://www.kruess.com/labor/produkte/polarimeter

รากฐาน

พื้นฐานทางกายภาพของเทคนิคนี้อาศัยคุณสมบัติของแสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งประกอบด้วยสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กเคลื่อนที่ไปในทิศทางที่ตั้งฉากกัน

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอยู่ตามขวางซึ่งหมายความว่าในทางกลับกันสนามเหล่านี้จะแพร่กระจายไปในทิศทางที่ตั้งฉากกับพวกมันตามรูปที่ 2

อย่างไรก็ตามเนื่องจากสนามประกอบด้วยคลื่นคลื่นจำนวนมากที่มาจากแต่ละอะตอมและแต่ละอันก็สั่นไปในทิศทางที่ต่างกันแสงธรรมชาติหรือที่มาจากหลอดไฟจากหลอดไส้จึงไม่โพลาไรซ์

แต่เมื่อการสั่นของสนามเกิดขึ้นในทิศทางพิเศษแสงจะถูกบอกว่าเป็นโพลาไรซ์ สิ่งนี้สามารถทำได้โดยการปล่อยให้ลำแสงผ่านสารบางชนิดที่สามารถปิดกั้นส่วนประกอบที่ไม่ต้องการและปล่อยให้มีเพียงหนึ่งเดียวเท่านั้นที่จะผ่านเข้าไปได้

รูปที่ 2. ภาพเคลื่อนไหวของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่แพร่กระจายไปตามแกน x ที่มา: Wikimedia Commons And1mu.

หากนอกจากนี้คลื่นแสงประกอบด้วยความยาวคลื่นเดียวเราก็มีลำแสงเดียวแบบโพลาไรซ์เชิงเส้น

วัสดุที่ทำหน้าที่เป็นตัวกรองเพื่อให้บรรลุสิ่งนี้เรียกว่าโพลาไรเซอร์หรือเครื่องวิเคราะห์ และมีสารที่ตอบสนองต่อแสงโพลาไรซ์หมุนระนาบของโพลาไรซ์. สารเหล่านี้เรียกว่าสารออกฤทธิ์ทางแสงเช่นน้ำตาล

ประเภทของโพลามิเตอร์

โดยทั่วไปโพลาร์มิเตอร์สามารถเป็นได้ทั้งแบบแมนนวลอัตโนมัติและกึ่งอัตโนมัติและแบบดิจิตอล

คู่มือ

เครื่องวัดโพลาร์มิเตอร์แบบแมนนวลใช้ในห้องปฏิบัติการการสอนและห้องปฏิบัติการขนาดเล็กในขณะที่เครื่องวัดค่าอัตโนมัติเป็นที่ต้องการเมื่อต้องการการวัดจำนวนมากเนื่องจากลดเวลาที่ใช้ในการวัดให้น้อยที่สุด

อัตโนมัติและดิจิตอล

รุ่นอัตโนมัติและดิจิตอลมาพร้อมกับเครื่องตรวจจับโฟโตอิเล็กทริกเซ็นเซอร์ที่ตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของแสงและเพิ่มความแม่นยำในการวัดอย่างมาก นอกจากนี้ยังมีการอ่านบนหน้าจอดิจิทัลซึ่งใช้งานง่ายมาก

เพื่อแสดงให้เห็นถึงการทำงานทั่วไปของโพลามิเตอร์ประเภทออปติคอลแบบแมนนวลจะอธิบายไว้ด้านล่าง

การทำงานและชิ้นส่วน

โพลารอยด์พื้นฐานใช้ปริซึมนิโคลหรือแผ่นโพลารอยด์สองแผ่นซึ่งระหว่างที่สารออกฤทธิ์ทางแสงที่จะวิเคราะห์นั้นตั้งอยู่

William Nicol (ค.ศ. 1768-1851) เป็นนักฟิสิกส์ชาวสก็อตที่อุทิศอาชีพให้กับเครื่องมือวัด Nicol ใช้ผลึกแคลไซต์หรือไอซ์แลนด์สปาร์ซึ่งเป็นแร่ที่สามารถแยกลำแสงตกกระทบได้ Nicol ได้สร้างปริซึมที่สามารถรับแสงโพลาไรซ์ได้ในปี พ.ศ. 2371 มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการสร้างโพลาร์มิเตอร์

รูปที่ 4 ผลึกแคลไซต์ Birefringent ที่มา: Wikimedia Commons APN MJM

ส่วนหลักของโพลามิเตอร์คือ:

- แหล่งกำเนิดแสง โดยทั่วไปจะเป็นหลอดไอโซเดียมทังสเตนหรือปรอทซึ่งทราบความยาวคลื่น

- โพลาไรเซอร์ รุ่นเก่าใช้ปริซึม Nicol ในขณะที่รุ่นใหม่ ๆ มักใช้แผ่นโพลารอยด์ซึ่งทำจากโมเลกุลของไฮโดรคาร์บอนสายยาวที่มีอะตอมของไอโอดีน

- ที่เก็บตัวอย่าง ตำแหน่งที่จะวางสารที่จะวิเคราะห์ซึ่งความยาวเป็นตัวแปร แต่ทราบแน่ชัด

- ช่องมองภาพและตัวบ่งชี้ที่มาพร้อมกับสเกลเวอร์เนีย เพื่อให้ผู้สังเกตสามารถวัดกำลังหมุนของตัวอย่างได้อย่างแม่นยำ รุ่นอัตโนมัติมีโฟโตอิเล็กทริคเซนเซอร์

- นอกจากนี้ตัวบ่งชี้อุณหภูมิและความยาวคลื่น เนื่องจากพลังการหมุนของสารหลายชนิดขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์เหล่านี้

รูปที่ 5. โครงร่างของโพลามิเตอร์แบบแมนนวล ที่มา: Chang, R. Chemistry.

Laurent Polarimeter

ในขั้นตอนที่อธิบายไว้มีความไม่สะดวกเล็กน้อยเมื่อผู้สังเกตปรับแสงขั้นต่ำเนื่องจากดวงตาของมนุษย์ไม่สามารถตรวจจับความส่องสว่างที่เปลี่ยนแปลงไปได้เล็กน้อย

เพื่อเอาชนะปัญหานี้โพลาไรเซอร์ Laurent ได้เพิ่มแผ่นครึ่งความยาวคลื่นที่ชะลอความยาวคลื่นครึ่งหนึ่งซึ่งทำจากวัสดุ birefringent

ด้วยวิธีนี้ผู้สังเกตจะมีพื้นที่ติดกันสองหรือสามส่วนที่มีความส่องสว่างต่างกันซึ่งเรียกว่าฟิลด์ในตัวแสดง วิธีนี้ทำให้ตาแยกแยะระดับแสงได้ง่ายขึ้น

คุณมีการวัดที่แม่นยำที่สุดเมื่อเปิดเครื่องวิเคราะห์ในลักษณะที่ทุกช่องมืดเท่า ๆ กัน

รูปที่ 6. การอ่านโพลามิเตอร์ด้วยตนเอง ที่มา: F. Zapata

กฎของไบโอต์

กฎของไบโอต์เกี่ยวข้องกับกำลังหมุนαของสารออกฤทธิ์ทางแสงโดยวัดเป็นองศาทางเพศโดยมีความเข้มข้น c ของสารดังกล่าว - เมื่อเป็นสารละลายและเรขาคณิตของระบบออปติก

นี่คือเหตุผลที่เน้นในคำอธิบายของโพลามิเตอร์ซึ่งต้องทราบค่าความยาวคลื่นของแสงและค่าของตัวยึดตัวอย่าง

ค่าคงที่ของสัดส่วนจะแสดงและเรียกว่ากำลังหมุนเฉพาะของสารละลาย ขึ้นอยู่กับความยาวคลื่นλของแสงตกกระทบและอุณหภูมิ T ของตัวอย่าง โดยปกติค่าของตารางจะอยู่ที่ 20 ° C สำหรับแสงโซเดียมโดยเฉพาะซึ่งมีความยาวคลื่น 589.3 นาโนเมตร

ขึ้นอยู่กับชนิดของสารประกอบที่จะวิเคราะห์กฎของ Biot มีรูปแบบที่แตกต่างกัน:

- ของแข็งที่ใช้งานทางแสง: α = .ℓ

- ของเหลวบริสุทธิ์: α =. ℓ.ρ

- การแก้ปัญหาด้วยตัวถูกละลายที่มีกิจกรรมทางแสง: α = ℓ.c

- ตัวอย่างที่มีส่วนประกอบที่ใช้งานออปติกหลายตัว: iα _i

ด้วยปริมาณและหน่วยเพิ่มเติมดังต่อไปนี้:

- ความยาวของตัวยึดตัวอย่าง: ℓ (เป็นมม. สำหรับของแข็งและ dm สำหรับของเหลว)

- ความหนาแน่นของของเหลว: ρ (เป็น g / ml)

- ความเข้มข้น: c (เป็น g / ml หรือ molarity)

ข้อดีและข้อเสีย

โพลาร์มิเตอร์เป็นเครื่องมือในห้องปฏิบัติการที่มีประโยชน์อย่างมากในด้านต่างๆและโพลามิเตอร์แต่ละประเภทมีข้อดีตามวัตถุประสงค์การใช้งาน

ข้อดีอย่างมากของเทคนิคนี้คือเป็นการทดสอบแบบไม่ทำลายซึ่งเหมาะสมเมื่อวิเคราะห์ตัวอย่างที่มีค่าราคาแพงหรือไม่สามารถทำซ้ำได้ด้วยเหตุผลบางประการ อย่างไรก็ตาม polarimetry ไม่สามารถใช้ได้กับสารใด ๆ เฉพาะกับสารที่มีฤทธิ์ทางแสงหรือสาร chiral ตามที่ทราบกันดี

นอกจากนี้ยังจำเป็นต้องพิจารณาด้วยว่าการมีสิ่งสกปรกทำให้เกิดข้อผิดพลาดในผลลัพธ์

มุมของการหมุนที่เกิดจากสารที่วิเคราะห์นั้นสอดคล้องกับลักษณะของมัน: ชนิดของโมเลกุลความเข้มข้นของสารละลายและแม้แต่ตัวทำละลายที่ใช้ ในการรับข้อมูลทั้งหมดนี้จำเป็นต้องทราบความยาวคลื่นของแสงที่ใช้อุณหภูมิและความยาวของภาชนะที่ใส่ตัวอย่าง

ความแม่นยำที่คุณต้องการวิเคราะห์ตัวอย่างเป็นสิ่งสำคัญในการเลือกอุปกรณ์ที่เหมาะสม และค่าใช้จ่ายด้วย

ข้อดีและข้อเสียของโพลามิเตอร์แบบแมนนวล

- มักจะมีราคาถูกกว่าแม้ว่าจะมีเวอร์ชันดิจิทัลราคาประหยัดด้วยก็ตาม สำหรับเรื่องนี้มีข้อเสนอมากมาย

- เหมาะสำหรับใช้ในห้องปฏิบัติการการสอนและการฝึกอบรมเนื่องจากช่วยให้ผู้ปฏิบัติงานทำความคุ้นเคยกับแง่มุมทางทฤษฎีและการปฏิบัติของเทคนิค

- มีการบำรุงรักษาต่ำเกือบตลอดเวลา

- ทนทานและทนทาน

- การอ่านค่าการวัดทำได้ยากกว่าเล็กน้อยโดยเฉพาะอย่างยิ่งหากสารที่จะวิเคราะห์มีกำลังหมุนต่ำดังนั้นผู้ปฏิบัติงานจึงมักเป็นบุคลากรเฉพาะทาง

ข้อดีและข้อเสียของโพลาร์มิเตอร์อัตโนมัติและดิจิตอล

- ใช้งานง่ายและอ่านง่ายไม่ต้องใช้บุคลากรเฉพาะทางในการปฏิบัติงาน

- โพลามิเตอร์แบบดิจิตอลสามารถส่งออกข้อมูลไปยังเครื่องพิมพ์หรืออุปกรณ์จัดเก็บข้อมูล

- โพลาร์มิเตอร์อัตโนมัติใช้เวลาในการวัดน้อยลง (ประมาณ 1 วินาที)

- มีตัวเลือกในการวัดตามช่วงเวลา

- เครื่องตรวจจับโฟโตอิเล็กทริกช่วยในการวิเคราะห์สารที่มีกำลังหมุนต่ำ

- ควบคุมอุณหภูมิอย่างมีประสิทธิภาพซึ่งเป็นพารามิเตอร์ที่มีอิทธิพลต่อการวัดมากที่สุด

- บางรุ่นมีราคาแพง

- พวกเขาต้องการการบำรุงรักษา

การประยุกต์ใช้งาน

Polarimetry มีการใช้งานจำนวนมากดังที่กล่าวไว้ในตอนต้น พื้นที่มีความหลากหลายและสารประกอบที่จะวิเคราะห์อาจเป็นอินทรีย์และอนินทรีย์ได้เช่นกัน นี่คือบางส่วนของพวกเขา:

- ในการควบคุมคุณภาพยาช่วยตรวจสอบว่าสารที่ใช้ในการผลิตยามีความเข้มข้นและความบริสุทธิ์ที่เหมาะสม

- สำหรับการควบคุมคุณภาพของอุตสาหกรรมอาหารการวิเคราะห์ความบริสุทธิ์ของน้ำตาลตลอดจนเนื้อหาในเครื่องดื่มและขนมหวาน โพลาร์มิเตอร์ที่ใช้ในลักษณะนี้เรียกอีกอย่างว่า saccharimeters และใช้มาตราส่วนเฉพาะซึ่งแตกต่างจากที่ใช้ในแอปพลิเคชันอื่น ๆ : มาตราส่วนºZ

รูปที่ 7. การควบคุมคุณภาพของปริมาณน้ำตาลในไวน์และน้ำผลไม้ดำเนินการโดยโพลาไรเมตริกซ์ ที่มา: Pixabay

- นอกจากนี้ในเทคโนโลยีการอาหารยังใช้เพื่อค้นหาปริมาณแป้งของตัวอย่าง

- ในฟิสิกส์ดาราศาสตร์ใช้โพลาไรเซชันเพื่อวิเคราะห์โพลาไรซ์ของแสงในดวงดาวและเพื่อศึกษาสนามแม่เหล็กที่มีอยู่ในสภาพแวดล้อมทางดาราศาสตร์และบทบาทของมันในพลวัตของดาวฤกษ์

- Polarimetry มีประโยชน์ในการตรวจโรคตา

- ในอุปกรณ์ตรวจจับระยะไกลด้วยดาวเทียมสำหรับการสังเกตเรือในทะเลหลวงบริเวณที่มีมลพิษกลางมหาสมุทรหรือบนบกต้องขอบคุณการถ่ายภาพที่มีความเปรียบต่างสูง

- อุตสาหกรรมเคมีใช้ polarimetry เพื่อแยกความแตกต่างระหว่างแสงไอโซเมอร์ สารเหล่านี้มีคุณสมบัติทางเคมีเหมือนกันเนื่องจากโมเลกุลของมันมีองค์ประกอบและโครงสร้างเหมือนกัน แต่สิ่งหนึ่งเป็นภาพสะท้อนของอีกสิ่งหนึ่ง

ไอโซเมอร์แบบออปติคัลแตกต่างกันในลักษณะของแสงโพลาไรซ์ (enantiomers): ไอโซเมอร์หนึ่งทำไปทางซ้าย (มือซ้าย) และอีกไอโซเมอร์ไปทางขวา (มือขวา) เสมอจากมุมมองของผู้สังเกต

1. AGS วิเคราะห์ โพลามิเตอร์มีไว้ทำอะไร? ดึงมาจาก: agsanalitica.com.
2. ช้างอาร์เคมี. 2556. ฉบับที่สิบเอ็ด. McGraw Hill
3. Gavira, J. Polarimetry. ดึงมาจาก: triplenlace.com.
4. เครื่องมือวิทยาศาสตร์. โพลาร์มิเตอร์ กู้คืนจาก: uv.es.
5. มหาวิทยาลัยโพลีเทคนิควาเลนเซีย การประยุกต์ใช้โพลาไรซ์เมตริกกับการ
   กำหนดความบริสุทธิ์ของน้ำตาล กู้คืนจาก: riunet.upv.es.