Главная | Обратная связь

Регистрация дисперсии оптического вращения

Изучение структурных изменений в различных веществах, состоящих из асимметричных молекул и обладающих свойством оптической активности, определяется, в известной мере, возможностью использования для проводимых исследований методов ДОВ и ЦД, реализуемых соответственно на спектрополяриметрах и дихрографах.

Однако, изучаемые объекты могут быть нерастворимы в удобных для анализа растворителях и рассеивать свет. В этом случае традиционные методы абсорбционного спектрального анализа, разработанные для исследования прозрачных однородных веществ, оказываются малопригодными. Поэтому практическая реализация указанных методов исследования (даже приближенных) рассеивающих образцов, в том числе и биологических (например, микроорганизмов), требует создания специальных методик, разработка которых проходит через исследования особенностей взаимодействия света и образца.

Далее будут рассмотрены условия регистрации характеристик интактных клеток в спектрополяриметрии и на конкретных примерах показана практическая реализация этих условий.

Для этих целей было использовано явление ПВО, которое лежит в основе спектроскопии НПВО, используемой в спектральных исследованиях рассеивающих образцов. Это означает, что в спектрополяриметре необходимо установить устройство с измерительным элементом НПВО и нанесенным на его рабочую поверхность рассеивающим образцом. В спектрополяриметрии фиксируется не поглощение света образцом, а поворот плоскости поляризации линейно поляризованного света в зависимости от его прохождения через оптически активное вещество. Мерой оптического вращения является угол поворота плоскости поляризации (в любой оптически активной среде присутствуют одновременно эффекты дисперсии оптического вращения и циркулярного дихроизма, поэтому, если говорить точнее, речь идет о вращении большой оси эллипса, а не о вращении плоскости поляризации).

При отсутствии образца в спектрополяриметре на анализатор поступает линейно поляризованный свет. В то же время введение в оптическую схему спектрополяриметра элемента НПВО приводит к некоторым особенностям при регистрации, которые рассмотрим при условии, что на рабочих поверхностях ИЭ нет объекта исследования. Установка элемента НПВО приводит к тому, что в отраженном от элемента луче для каждой составляющей плоскополяризованного света возникает скачок фазы относительно фазы в падающем луче. Таким образом, на выходе ИЭ появляется разность фаз между параллельной и перпендикулярной составляющими плоскополяризованного света, что приводит к вращению плоскости поляризации исходного светового потока. Эта разность фаз зависит как от угла падения θ, так и от относительного показателя преломления n₂₁. Поэтому конечный результат измерения будет также определяться значениями указанных параметров. Для устранения этого необходимо, чтобы разность фаз от этих параметров была бы равна нулю. Из теории следует, что эта разность лишь при двух значениях углов падения равна нулю: θ = 0 (скользящее падение) и θ = 90º. Однако на практике они, как правило, не используются.

Устранить зависимость конечного результата от значений указанных параметров можно также при условии, если на выходе ИЭ будет присутствовать только параллельная или перпендикулярная составляющая плоскополяризованного света. Это означает, что должен быть использован линейно поляризованный свет с азимутом поляризации равным 0º или 90º. Приведенные рассуждения справедливы для ИЭ, изготовленных из недвулучепреломляющих материалов, в противном случае учесть дополнительные эффекты будет сложно. Таким образом устраняется влияние ИЭ на конечный результат при отсутствии образца.

Для регистрации оптического вращения объектами исследования необходимо обеспечить прохождение линейно поляризованного света через эти образцы без рассеяния. С этой целью образец наносится на рабочую поверхность ИЭ и обеспечивается режим НПВО (при указанных азимутах поляризации). Тогда линейно поляризованный свет, как это следует из теории спектроскопии НПВО, проникает в образец на определенную глубину, которую можно определить из известных выражений (чаще пользуются эффективной толщиной). Зная же геометрические размеры ИЭ, можно определить объем (следовательно, количество) изучаемого вещества. Угол поворота плоскости поляризации (плоскополяризованного света) оптически активным веществом пропорционален количеству исследуемого вещества:

P = [a]Cl = [a]Dkl (5.30)

где С – объемно-массовая концентрация оптически активного вещества в растворе, кг/м³;

D – плотность раствора;

l – длина пути в оптически активном растворе;

k = С/D – долевая концентрация по массе, т.е. отношение массы оптически активного вещества к массе всего раствора;

[a] – удельное вращение, или постоянная вращения раствора.

В разных источниках приводят выражения, где угол поворота связывают и с длиной волны источника излучения, и с показателями преломления. Для нас это не имеет никакого значения, т.к. в любом случае нужно строить калибровочный график зависимости угла поворота от концентрации исследуемого вещества. Литературные данные содержат, как правило, сведения об углах поворота плоскости поляризации оптически активным веществом в определенной концентрации в таком-то растворителе.

Однако, могут возникать вопросы, связанные со сложностью взаимодействия линейно поляризованного света и порошкообразными материалами, вращающими плоскость поляризации, нанесенными на ИЭ. Насколько известно, в литературе отсутствует строгое математическое рассмотрение подобного случая. Поэтому, исходя из прикладных задач, целесообразно проверить сначала работоспособность методики на известных в спектроскопии НПВО эффектах и только затем получить зависимость угла поворота плоскости поляризации от длины волны для рассеивающих образцов.

Воспользуемся веществами с высокой оптической активностью (например, сахарозой С₁₂Н₂₂О₁₁) и проверим выполнение линейной зависимости между количеством вещества и углом поворота плоскости поляризации. При этом будет считать, что если для различных поляризаций светового потока при изменении заполнения рабочей поверхности ИЭ, например, в два раза (что равнозначно изменению длины кюветы в стандартных методиках спектрополяриметрии), то угол поворота, регистрируемый спектрополяриметром, также должен отличаться в два раза при условии, что в решении прикладных задач нерассмотренные еще теорией вероятные погрешности существенно не исказят конечные результаты. Поскольку подобную проверку можно осуществить в различных спектральных диапазонах, то для изготовления ИЭ рекомендуем следующие материалы: в ИК диапазоне стекла типа ИКС, оптическую керамику типа КО; в видимом диапазоне стекла типа ТФ, а также материалы КРС-5,
КРС-6, КРС-13; в УФ диапазоне – кристаллы иттрий-алюминиевого граната (вероятно, можно рассмотреть использование кристаллов слабо двулучепреломляющего сапфира). Естественно, этим не исчерпывается список использования возможных материалов.

Эксперименты проводились на отечественном спектрополяриметре типа А1-СПУ. В данном приборе для регистрации угла поворота, вносимого рассеивающим образцом, необходимо: 1) в кюветное отделение вместо кюветы установить устройство НПВО с измерительным элементом, 2) установить поляризатор в такое положение, при котором азимут поляризации составил бы 0º или 90º (что контролируется по минимальному значению выходного сигнала на контрольном приборе спектрополяриметра). Указанная выше проверка была осуществлена на сахарозе. Для этой цели концентрированный водный раствор данного вещества наносили на рабочую поверхность измерительного элемента так, чтобы при подсушивании образовалась пленка толщиной более 1 мкм, что легко достигается. Затем проводились измерения углов поворота плоскости поляризации для параллельной и перпендикулярной составляющих плоскополяризованного света и бралось отношение этих значений. При этом максимальное отклонение от теоретического значения не превышало 12 ÷ 15%. Подобное отклонение вполне приемлемо для решения различных прикладных задач (например, для обнаружения оптической активности микроорганизмов).