הפולרימטר הוא סוג של מכשיר למדידת הסיבוב האופטי של חומר. באמצעות מדידת הסיבוב האופטי, ניתן להשתמש במוט הפולימטר לניתוח הריכוז, התוכן והטהרה של חומר.
מהו פולרימטר
פולרימטר הוא מכשיר המשמש למדידת זוית הסבוב של מישור האור המקוטב. מכשיר כזה מכיל כמה חלקים יסודיים והם: מקטב (פולריזטור) שהוא פריזמת ניקול, תא המכיל את החומר הנבדק, מקטב לבדוק את סבוב משור האור. לזה נוספים סדורים לתאורה מונוכרומטית, עדשות וסידורי עזר להגדלת דיוק המדידה.
מבנהו של פולרימטר נתון באופן סכמטי בציור מס' 2.
פריזמת ניקול נחשבת לסידור של שני חלקי קורץ. הסדר שלהם נראה שקרן אור בלתי מקוטבת העוברת דרכם מתפרקת לשתי קרנים מקוטבות בעלות מישורי קטוב ניצבים. קרן אחת עוברת את הפריזמה ואילו השניה חוזרת ע"י הפריזמה. בעת היציאה אנו מקבלים איפוא אור מקוטב, פריזמה כזו מצויה בפולריזטור ובנוסף עדשה שמשמשת לריכוז האור. דרך התמיסה נבדקת עוברת הקרן המקוטבת, מסתובבת בזוית ומתנגשת באנליזטור, אשר יש בו שוב פריזמת ניקול ועדשה. לאחר מכן יש לסובב את הפריזמה אשר באנליזטור עד אשר מישור הקיטוב מאונך למישור הקיטוב של האור היוצא מהדוגמא. זוית הסבוב נמדדת על מעגל המחולק ל- 360 מעלות ובעזרת Vernier (נוניוס) המאפשר קריאה עד 0.05O.
דרך מדידת זוית הסבוב של האנליזטור אפשר למצוא את זוית הסבוב של הקרן בעוברה דרך תמיסה בעלת פעילות אופטית.
המדריך המלא לפולרימטרים
פולארימטרים הם מכשירים אופטיים מדויקים המודדים טוהר וריכוז באמצעות הפעילות האופטית המוצגת בתרכובות אנאורגניות ואורגניות. תרכובות נחשבות לבעלות פעילות אופטית אם אור מקוטב ליניארי מסתובב כאשר עובר דרכם. באופן כללי, סיבוב אופטי זה משמעו שיש קשר פרופורציונאלי בין זווית קיטוב האור לבין ריכוז החומר הפעיל אופטית שנבדק.
סיבוב אופטי נמדד במעלות זווית. בנקודה אפס, המקטב (polarizer) והמנתח (analyzer) מונחים בזווית של 90 מעלות זה כלפי זה, מה שאומר ששום אור לא מגיע לגלאי (0% מעבר אור). כאשר חומר פעיל אופטית לאחר מכן מונח בצינור המדידה, אחוז מעבר האור יעלה כתוצאה מהקיטוב הפולרי. כדי למדוד את הזווית, המנתח מסובב עד לנקודה שבה מעבר האור אל הגלאי הוא שוב במינימום.
חומר נחשב לפעיל אופטית אם הוא מסובב מישור אור מקוטב לכיוון שמאלה או ימינה. כדי שחומר יהיה פעיל אופטית, הוא חייב להיות עשוי מתרכובת בעלת מרכז כיראלי - פחמן עם ארבע קבוצות שונות מחוברות. בהתאם לכיוונם של ארבע הקבוצות השונות הללו ביחס לפחמן הכיראלי, התרכובת עשויה לסובב מישור אור מקוטב שמאלה או ימינה.
תרכובות שאינן מסובבות אור כלל - הן חסרות מרכז כיראלי.
אופן פעולת הפולרימטר
מכיוון שפולרימטרים עושים שימוש באור מקוטב, תחילה חייבים להמיר את האור הלא מקוטב (המגיע ממקור האור) לאור מקוטב , ורק לאחר מכן לאפשר לו לעבור דרך צינור המדידה המכיל את הדגימה.
לפני שמניחים את הדגימה בפולרימטר, המנתח (analyzer) מסובב עד הגעה למצב בו מעבר האור הוא אפס. מצב זה מושג כשהמקטב (polarizer) והמנתח (analyzer) נמצאים בזווית ישרה זה ביחס לזה כך ששום אור לא עובר דרך המכשיר. קריאה זו מצוינת בסקאלת המדידה המכילה שנתות.
לאחר מכן כשהחומר הפעיל אופטית נמצא בצינור המדידה, המנתח (analyzer) מסובב עד לחזרת מצב החושך המקורי. הסיבוב נצפה על ידי הסתכלות דרך המנתח (analyzer), ומזוהה על ידי שינוי בעוצמת ההארה. הקריאה החדשה מסומנת על סקאלת המדידה וההבדל בין שתי הקריאות נותן את הכמות במעלות שבה הסתובב האור המקוטב ע”י הדגימה הפעילה אופטית. פולרימטרים מודרניים קובעים את זווית הסיבוב בצורה אלקטרונית או באמצעות לייזרים, והתוצאות מוצגות על מסך דיגיטלי תוך זמן קצר.
רכיבים וסוגים
לפולרימטרים יש שני לוחות פולרואידים מותקנים בנפרד. הלוח התחתון הוא קבוע בדרך כלל ומכונה "מקטב” (polarizer) . ניתן לסובב את הלוח העליון והוא ידוע בשם "מנתח” (analyzer). לפולרימטרים יש שתי מנסרות (פריזמות) ניקול, שהם סוג של מקטב. מקטב זה, פריזמה קבועה, משמש להפקת אלומת אור מקוטבת. המנתח משמש כדי לצפות באור המקוטב שנוצר, וניתן לסובב אותו. הפולרימטר בדרך כלל משתמש במקור אור מסוג של נורות פריקה של כספית או של נתרן.
ישנם מספר סוגים של פולרימרטים:
•
פולרימטרים מעגליים הם בעלי שני פילטרים מקטבים הממוקמים כך ששום אור לא עובר דרך השילוב בינהם. אם דגימה פעילה אופטית תונח בין הפילטרים הללו, האור יעבור שוב. על ידי סיבוב אחד מהפילטרים הללו עד להשגת החושך חזרה, ניתן למדוד את כמות הסיבוב של האור המקוטב כתוצאה מהדגימה.
•
פולרימטרי טריז קוורץ משתמשים בטריז קוורץ במקום במנתח (analyzer) המסתובב. הטריז זז על פני הקורה עד לביטול סיבוב האור שנגרם על ידי הדגימה.
קריטריונים לבחירה
פולרימטריה היא טכניקה ידועה ומבוססת, וכיום ישנם מערכות אוטומטיות אשר מספקות תכונות ויתרונות ברורים ורבים מאשר מערכות ידניות-אופטיות רגילות. מעבדות אשר עמוסות בבדיקות רבות של דגימות שונות – יכולות להשתמש באופציות הקיימות במערכות האוטומטיות הללו כדי למשל לאגור נתונים בצורה אוטומטית, לבחור ולשנות את אורך הגל והטמפרטורה, ליהנות מרזולוציה של 0.001 ומדיוקים גבוהים. מכשירים אלה מתאימים לצרכי בקרת איכות, בקרת תהליכים ומחקר בתעשיות רבות כגון משקאות, קוסמטיקה, כימיקלים, מזון, שמנים אתריים ותרופות.
בעת בחירת פולרימטר, יש לשים לב למשתנים הבאים:
מונוכרומטי לעומת פוליכרומטי
יישומים
יישומי מחקר
בתעשייה, במכוני מחקר ובאוניברסיטאות משתמשים בפולארימטריה עבור:
- בידוד וזיהוי של גבישים לא ידועים מממסים שונים או מופרדים באמצעות כרומטוגרפיה נוזלית בעלת ביצועים גבוהים (HPLC).
- חקירת תגובות קינטיות על ידי מדידת סיבוב אופטי כפונקציה של זמן.
- ניטור שינויים בריכוז של רכיב פעיל אופטית בתערובת תגובה, כמו בביקוע אנזימטי.
- ניתוח מבנה מולקולרי על ידי התוות עקומות פיזור סיבוביות אופטיות על פני טווח רחב של אורכי גל.
- הבחנה בין איזומרים אופטיים.
יישומי בקרת איכות ותהליכים
יישומי בקרת איכות ותהליכים, הן במעבדה או אונליין במפעל, נמצאים בכל תעשיית התרופות, השמנים האתריים, הטעם, המזון והכימיקלים. להלן מספר דוגמאות.
- תעשיית התרופות - ניתן להשתמש בפולארימטרים כדי לקבוע את טוהר המוצר על ידי מדידת סיבוב ספציפי וסיבוב אופטי של תרכובות כגון חומצות אמינו, אנטיביוטיקה, תרופות הרגעה ואנטיביוטיקה. עבור בדיקות פרמצבטיות, רוב העבודה נעשית באמצעות אור 589 ננומטר (קו נתרן D). עבור מדי קוטביות אלקטרוניים (אוטומטיים), דיוק כולל של 0.01° אפשרי.
- תעשיית טעם, ריח ושמנים אתריים - פולרימטריה היא שלב חשוב לבדיקת חומרי גלם נכנסים (קמפור, מסטיקים, חומצות טבעיות ושמנים טבעיים).
- תעשיית המזון - פולארימטרים מבטיחים את איכות המוצר על ידי מדידת ריכוז וטוהר התרכובות הבאות במזונות מבוססי סוכר, דגנים וסירופים: פחמימות, סוכרוז, גלוקוז, פרוקטוז, עמילנים שונים וכו'
- תעשייה כימית - ניתוח סיבוב אופטי כאמצעי לזיהוי ואפיון כימיקלים, לרבות פולימרים ביולוגיים, טבעיים וסינתטיים
