پلاریمتر چیست؟ اصول کار، انواع و کاربرد قطبش سنج

پلاریمتر (Polarimeter) یا قطبش سنج، دستگاهی آزمایشگاهی برای اندازه گیری زاویه چرخش نور قطبیده هنگام عبور از یک ماده فعال نوری است.

به طور کلی، پلاریمتر ها رابطه بین حالت قطبش نور ورودی و نور خروجی از یک نمونه را تعیین می کنند. نور می تواند از نمونه عبور کند، بازتاب شود یا پراکنده شود و پلاریمتر تغییر حالت قطبش آن را اندازه می گیرد. هر پلاریمتر معمولا از یک قطبش گر (Polarizer) که نوری با حالت قطبش مشخص تولید می کند و یک تحلیل گر (Analyzer) که حالت قطبش نور خروجی را بررسی می کند، تشکیل شده است.

در این مقاله با اصول قطبش نور، مواد فعال نوری، نحوه کار پلاریمتر، انواع و کاربردهای آن آشنا می شوید.

قطبش نور چیست؟

نور یک موج الکترومغناطیسی است که از میدان های الکتریکی و مغناطیسی نوسانی و عمود بر هم تشکیل شده است. طبق قرارداد، قطبش (پلاریزاسیون) نور به جهت نوسان میدان الکتریکی آن اشاره دارد.

قطبش فقط در امواج عرضی معنا دارد که در آنها جهت نوسان بر جهت انتشار عمود است. در امواج طولی مانند صوت در هوا، ذرات در همان جهت انتشار نوسان می کنند و این امواج قطبش ندارند.

انواع قطبش نور

• قطبش خطی: میدان الکتریکی همیشه در یک راستای ثابت نوسان می کند.

• قطبش دایره ای: میدان الکتریکی با اندازه ثابت، در صفحه عمود بر جهت انتشار به صورت ساعتگرد یا پادساعتگرد می چرخد.

• قطبش بیضوی: حالت کلی تر که در آن نوک بردار میدان الکتریکی یک بیضی را طی می کند.

نور غیرقطبیده

نور بسیاری از منابع، مانند خورشید، شعله آتش و لامپ های رشته ای، از تعداد زیادی موج کوتاه با قطبش های تصادفی تشکیل شده و غیرقطبیده است. با عبور این نور از یک قطبش گر، فقط مولفه ای که در راستای محور قطبش گر است عبور می کند و نور قطبیده خطی به دست می آید.

مواد فعال نوری چیست؟

مواد فعال نوری موادی هستند که صفحه قطبش نور قطبیده خطی را هنگام عبور از خود می چرخانند. این ویژگی در بیشتر موارد به دلیل کایرال بودن مولکول هاست.

مولکول کایرال مولکولی است که بر تصویر آینه ای خود منطبق نمی شود؛ درست مانند دست چپ و راست. رایج ترین حالت، اتم کربنی است که به چهار گروه متفاوت متصل شده باشد و به آن کربن کایرال یا مرکز کایرال می گویند.

دو شکل آینه ای یک مولکول کایرال را انانتیومر می نامند. انانتیومرها صفحه نور قطبیده را به اندازه مساوی اما در جهت مخالف می چرخانند:

• راست گردان (+): صفحه قطبش را در جهت عقربه های ساعت می چرخاند.

• چپ گردان (−): صفحه قطبش را در خلاف جهت عقربه های ساعت می چرخاند.

مخلوطی با مقدار برابر از دو انانتیومر، به نام مخلوط راسمیک، هیچ چرخش نوری نشان نمی دهد.

چرخش ویژه

زاویه چرخش مشاهده شده به طول مسیر نور در نمونه، غلظت، طول موج نور و دما بستگی دارد. برای اینکه نتایج قابل مقایسه باشند، از چرخش ویژه استفاده می شود:

[α] = α / (l × c)

• α: زاویه چرخش مشاهده شده بر حسب درجه

• l: طول لوله نمونه بر حسب دسی متر

• c: غلظت محلول بر حسب گرم بر میلی لیتر

چرخش ویژه معمولا در دمای ۲۰ درجه سانتیگراد و در طول موج خط D سدیم (۵۸۹ نانومتر) گزارش می شود. مقایسه چرخش ویژه اندازه گیری شده با مقادیر مرجع، به شناسایی ترکیبات و تعیین خلوص آنها کمک می کند.

تاریخچه پلاریمتر

• سال ۱۸۱۱: فرانسوا آراگو چرخش صفحه قطبش نور را در بلور کوارتز مشاهده کرد.

• سال ۱۸۱۵: ژان باتیست بیو نشان داد مایعات و محلول هایی مانند محلول قند نیز صفحه قطبش را می چرخانند.

• سال ۱۸۲۲: آگوستین ژان فرنل توضیح داد که چرخش نوری ناشی از تفاوت سرعت نور قطبیده دایره ای راستگرد و چپگرد در ماده است.

• سال ۱۸۴۸: لویی پاستور با مطالعه بلورهای اسید تارتاریک، رابطه چرخش نوری با ساختار مولکولی را کشف کرد.

• دهه ۱۸۴۰ به بعد: نخستین پلاریمتر های عملی، به ویژه برای اندازه گیری قند، ساخته شدند و بعدها پلاریمتر های نیم سایه دقت اندازه گیری را افزایش دادند.

پلاریمتر چگونه کار می کند؟

اجزای پلاریمتر

• منبع نور: معمولا لامپ سدیم (۵۸۹ نانومتر) یا LED همراه با فیلتر طول موج

• قطبش گر: نور را به نور قطبیده خطی تبدیل می کند.

• لوله نمونه: محلول نمونه با طول مشخص در آن قرار می گیرد.

• تحلیل گر: یک قطبش گر چرخان که روی یک صفحه مدرج نصب شده است.

• آشکارساز: چشم ناظر در پلاریمترهای دستی یا آشکارساز الکترونیکی در پلاریمتر های خودکار

مراحل اندازه گیری با پلاریمتر

1. ابتدا لوله نمونه خالی یا پر از حلال خالص در دستگاه قرار می گیرد.

2. تحلیل گر آنقدر چرخانده می شود که محور آن بر محور قطبش گر عمود شود و میدان دید تاریک شود. این نقطه صفر دستگاه است.

3. لوله حاوی محلول نمونه فعال نوری در دستگاه قرار می گیرد.

4. نمونه صفحه قطبش نور را می چرخاند و میدان دید دوباره روشن می شود.

5. تحلیل گر دوباره چرخانده می شود تا میدان دید تاریک شود.

6. اختلاف دو قرائت روی صفحه مدرج، زاویه چرخش نمونه بر حسب درجه است. جهت چرخش تحلیل گر نیز راست گردان یا چپ گردان بودن نمونه را نشان می دهد.

بهترین روش، ثبت زاویه ای است که در آن کمترین نور از تحلیل گر عبور می کند، چون چشم یا آشکارساز حالت کمینه نور را دقیق تر تشخیص می دهد.

پلاریمترهای مدرن این فرایند را به صورت خودکار و الکترونیکی انجام می دهند و زاویه چرخش را در چند ثانیه روی صفحه دیجیتال نمایش می دهند. برخی از آنها غلظت و چرخش ویژه را نیز مستقیما محاسبه می کنند.

نکات مهم در پلاریمتری

• اگر منبع نور خودش نور قطبیده خطی تولید کند، مانند بسیاری از لیزرها، وجود قطبش گر اول ضروری نیست. با این حال، برای اطمینان از قطبش دقیق، معمولا از قطبش گر با جهت کاملا مشخص استفاده می شود.

• دمای نمونه باید کنترل شود، چون چرخش نوری به دما وابسته است.

• محلول باید شفاف و بدون حباب باشد.

انواع پلاریمتر

پلاریمتر دستی با صفحه مدرج دایره ای

ساده ترین نوع پلاریمتر است که دو قطبش گر دارد و در ابتدا طوری قرار گرفته اند که نوری عبور نکند. با قرار دادن نمونه و چرخاندن تحلیل گر تا رسیدن دوباره به حالت تاریک، زاویه چرخش از روی صفحه مدرج دایره ای خوانده می شود.

پلاریمتر نیم سایه لوران

در پلاریمتر ساده، تشخیص دقیق نقطه کاملا تاریک با چشم دشوار است. پلاریمتر نیم سایه لوران (Laurent's Half-Shade Polarimeter) این مشکل را حل می کند.

در این دستگاه، یک صفحه نیم سایه پس از قطبش گر قرار دارد که نیمی از آن یک تیغه نازک کوارتز (تیغه نیم موج) و نیم دیگر شیشه است. این صفحه میدان دید را به دو نیمه تقسیم می کند که صفحه قطبش نور در آنها کمی با هم تفاوت دارد. در نتیجه با چرخاندن تحلیل گر، یک نیمه روشن تر و نیمه دیگر تاریک تر دیده می شود.

تحلیل گر آنقدر چرخانده می شود که هر دو نیمه به یک اندازه کم نور دیده شوند. چشم انسان برابری روشنایی دو ناحیه مجاور را بسیار دقیق تر از تاریکی کامل تشخیص می دهد، بنابراین دقت اندازه گیری به شکل قابل توجهی افزایش می یابد.

پلاریمتر گوه کوارتز و ساکاریمتر

در برخی پلاریمتر ها، به جای چرخاندن تحلیل گر، از گوه های کوارتز برای جبران چرخش نمونه استفاده می شود. ساکاریمترها (پلاریمتر های ویژه اندازه گیری قند) از این روش استفاده می کنند و نتیجه را مستقیما بر حسب مقیاس قند نمایش می دهند.

گوه کوارتز در میکروسکوپ های پلاریزان نیز به عنوان جبران کننده برای بررسی مواد دوشکست کاربرد دارد. دوشکستی خاصیتی است که در آن ضریب شکست ماده به قطبش و جهت انتشار نور بستگی دارد.

گوه کوارتز یک بلور کوارتز زاویه دار است که با تغییر ضخامت آن در طول گوه، اختلاف مسیر نوری بین دو پرتو قطبیده عمود بر هم به طور پیوسته تغییر می کند. این جبران کننده ها تا حدود چهار مرتبه تداخلی (در حدود ۲۰۰۰ نانومتر) را پوشش می دهند و معمولا برای اندازه گیری کیفی تاخیر نوری در مقاطع نازک سنگ ها و کانی ها و تعیین جهت محورهای سریع و کند بلورها استفاده می شوند.

کاربردهای پلاریمتر

• صنایع دارویی: تعیین خلوص و هویت داروهای کایرال و کنترل کیفیت مطابق فارماکوپه ها

• صنعت قند و شکر: اندازه گیری غلظت ساکارز با ساکاریمتر

• صنایع غذایی: بررسی کیفیت عسل، شربت ها و قندهایی مانند فروکتوز و لاکتوز

• صنایع شیمیایی: کنترل کیفیت اسانس ها، طعم دهنده ها و ترکیبات آلی کایرال

• تحقیقات شیمی: تعیین غلظت انانتیومرها و بررسی واکنش های شیمیایی

• زمین شناسی: بررسی کانی ها و مقاطع نازک سنگ ها با گوه کوارتز

سوالات متداول درباره پلاریمتر

پلاریمتر چه چیزی را اندازه می گیرد؟

زاویه چرخش صفحه نور قطبیده هنگام عبور از یک ماده فعال نوری.

ماده فعال نوری چیست؟

ماده ای که صفحه قطبش نور قطبیده خطی را می چرخاند؛ معمولا به دلیل داشتن مولکول های کایرال.

چرخش ویژه چیست؟

زاویه چرخش استاندارد شده برای طول لوله یک دسی متر و غلظت یک گرم بر میلی لیتر، در دما و طول موج مشخص.

چرا از لامپ سدیم در پلاریمتر استفاده می شود؟

چون نوری با طول موج مشخص (۵۸۹ نانومتر) تولید می کند و چرخش نوری به طول موج وابسته است.

تفاوت پلاریمتر و ساکاریمتر چیست؟

ساکاریمتر نوعی پلاریمتر است که مخصوص اندازه گیری غلظت قند طراحی شده و نتیجه را مستقیما بر حسب مقیاس قند نشان می دهد.

جمع بندی

پلاریمتر یک روش حساس و غیرمخرب برای اندازه گیری فعالیت نوری ترکیبات آلی و معدنی است. چشم انسان نمی تواند قطبش نور را تشخیص دهد، اما پلاریمتر با استفاده از قطبش گر و تحلیل گر، زاویه و جهت چرخش صفحه نور قطبیده را به دقت اندازه می گیرد.

از پلاریمتر های دستی و نیم سایه گرفته تا پلاریمترهای دیجیتال خودکار، این دستگاه ها در داروسازی، صنعت قند، صنایع غذایی و شیمیایی و تحقیقات علمی کاربرد گسترده ای دارند.

منابع

• ScienceDirect