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- 1 - Polarimetrie - Deutschlands nationales Metrologieinstitut

Polarimetrie - Physikalisch-Technische Bundesanstalt · Von vielen Herstellern werden Polarimeter (sowie auch einige andere auf dem polarimetrischem Prinzip basierende Geräte) für

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Polarimetrie

- Deutschlands nationales Metrologieinstitut

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Anwendungen der Polarimetrie

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.

In vielen Bereichen wird Polarimetrie eingesetzt, um optisch aktive Substanzen nachzuweisen und deren Konzentration zu bestimmen.

Wichtige Anwendungen:

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.

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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.

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.

Darstellung einer elektromag-netischen Welle, die sich in im Raum ausbreitet.

Zeichnung: Wikipedia/Commons

E(x)

H(x)

λWellenlänge

Ausbreitungs-richtung

x

Licht und Polarisation

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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 optisch-anisotropen Materialien (z. B. Kalkspat CaCO3). Vorhergerufen durch bestimmte Geometrie des Elementes wird am Ausgang der Prisma nur ein linear polarisierter Lichtstrahl separiert.

slinear polarisierter, außerordentlicher Strahl, Polarisation entspricht der Ausrichtung der optischen Achse

Zeichnung Quelle: Wikimedia Commons, Cepheiden

Am Übergang Kalkspat – Kleber werden die Wellen einer Polarisation reflektiert

Kleber, z. B. Kanadabalsam

Polarisator – Glan-Thompson-Prisma

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Polarisator und Analysator

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-, Reinheits-und Konzentrationsanalyse einer Substanz eingesetzt wird.

Mithilfe zweier hintereinander aufgebauter Polarisatoren – der hintere davon Analysator genannt - lassen sich folgende Effekte beobachten:

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Optisch aktive Substanzen

Wichtige Beispiele:Zucker (Saccharose), einige Naturkristalle, u. a. Quarz, Kalkspat CaCO3, Zinnober, NatriumchloratFlüssigkristalle 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)

Rechts:Enantiomere von CitalopramQuelle: Wikipedia/Commons

Heutzutage sind viele „optisch aktive“ Substanzen (in der Natur vorkommend oder synthetisch hergestellt) bekannt, die die Lichtpolarisationsebene drehen.

Links: Enantiomere eines chiralen Moleküls finden im Alltag ihre Abbildung in der rechten und linken HandQuelle: Wikipedia/commons

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Aufbauprinzip eines Polarimeters

1. Lampe mit Farbfilter (z. B. Na-Lampe) oder Laser (z. B. Helium-Neon, λ ≈ 633 nm)

2. Sammellinse3. Die Polarisationsebene des Lichtstrahls schwingt in allen Richtungen4. Polarisator5. Die Polarisationsebene des polarisierten Lichtes schwingt nur noch in eine

Richtung6. Küvette mit einer optisch aktiven Substanz7. Die Ebene des polarisierten Lichtes wird von der optisch aktiven Substanz

gedreht8. Analysator mit Winkelmessgerät9. Lichtempfindlicher Empfänger (z. B. Auge, Fotodiode)

Polarisator und Analysator sind die Hauptbestandteile eines Polarimeters. Mit einem Polarimeter wird der Polarisationsdrehwinkel von optisch aktiven Substanzen bestimmt.

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Der Drehwinkel, den man beim Durchgang von linear polarisiertem Licht durch eine op-tisch aktive Substanz in einem Polarimeter bestimmt, hängt von mehreren Faktoren ab:

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 Tbestimmt werden. Misst man für diese Lösung den Drehwinkel α, dann ist:

• 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.

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.

[ ]d

a T⋅

=βα

λ,

Bestimmung der Konzentration

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Kalibrierung an der PTB

Zur Kalibrierung polarimetrischer Geräte werden Quarzkontrollplatten verwendet.An der PTB wird die polarimetrische Kalibrierung von Quarzkontrollplatten durchgeführt.

Eine typische Quarzkontrollplatte zur Kalibrierung von kommerziellen polarimetrischen Geräten: Durchmesser: 16 mm, Dicke 1,6 mm

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 ofSugar Analysis) bzw. im gesetzlichen Bereich durch die OIML (Organisation Internationale de MétrologieLégale).

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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.

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.

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1) 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 nmumgerechnet werden. Der Messplatz ist automatisiert und ermöglicht sehr schnelle Durchführung von Messungen.

Präzisionspolarimeter der PTB

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Mehr Informationen unter: www.ptb.dehttp://www.ptb.de/cms/fachabteilungen/abt4/fb-42/ag-421/polarimetrische-kalibrierung-von-quarzkontrollplatten.html

Andere Quellen:http://www.physik.wissenstexte.de/medium.htm Physik-Wissen - eine informative Seite für Schüler und Lehrer (u.a. Licht im Medium, Polarisation ...)http://physics.unifr.ch/pk2000/index.html - eine didaktische Seite über Physik (u. a. Elektromagnetische Wellen, Licht, Polarisation, Polarisationsfilter ...)

Weiterführende Literatur: Polarimetrie

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Abteilung 4 - Optik, Sekretariat: Tel.: (05 31) 592-40 11E-Mail: [email protected]

Physikalisch-Technische Bundesanstalt PTBBundesallee 10038116 Braunschweighttp://www.ptb.de

Foto: Wächtergruppe von Friedrich-Wilhelm Voswinkel (1982) am Eingang der PTB, Braunschweig

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