5.15: Polarymetr

1. Przygotowanie polarymetru

1. Włącz instrument i pozwól mu się rozgrzać przez 10 minut.
2. Upewnij się, że przyrząd jest ustawiony w trybie "rotacji optycznej".
3. Przygotować ślepą próbkę w kuwecie polarymetrycznej (1,5 ml całkowitej objętości próbki, 1 dm długości) zawierającą tylko CHCl₃. Upewnij się, że nie ma pęcherzyków powietrza.
4. Umieść pustą komórkę w uchwycie i naciśnij "zero"

2. Przygotowanie próbki analitu

1. Przygotować roztwór podstawowy 10-15 mg chiralnego analitu w 1,5 ml CHCl₃. Zwróć uwagę na dokładną ilość użytego związku.

3. Pomiar skręcalności optycznej

1. Wypełnić kuwetę 1,5 ml przygotowanego roztworu podstawowego zawierającego próbkę.
2. Umieść komórkę w uchwycie i naciśnij "zmierz". Odczyt maszyny poda wartość skręcalności optycznej. Pamiętaj również, aby zapisać temperaturę.

4. Obliczanie rotacji właściwej

1. Rotacja właściwa związku jest zdefiniowana przez następujące równanie:
   
   gdzie α jest wartością skręcalności optycznej podaną przez polarymetr, l to długość drogi komórki w dm, a c to stężenie roztworu w g/ml.

Polarymetry są szeroko stosowane w chemii organicznej i analitycznej do oceny czystości produktu chemicznego i badania jego właściwości.

Polarymetry wykrywają obecność enancjomerów: wariantów lustrzanego odbicia związku, który może mieć bardzo rozbieżną aktywność biologiczną. Rozróżnienie enancjomerów ma kluczowe znaczenie w wielu zastosowaniach, w tym w farmaceutykach, ponieważ jeden enancjomer jest zwykle odpowiedzialny za efekty biologiczne, podczas gdy drugi jest zwykle obojętny, mniej aktywny lub, jak w przypadku leku talidomidu, szkodliwy.

Ten film zilustruje zasady polarymetrii, zademonstruje konfigurację i działanie polarymetru oraz omówi niektóre zastosowania.

Polarymetria jest przydatna do badania związków organicznych zawierających stereocentra.

Stereocentra to atomy węgla, które są połączone z czterema różnymi atomami lub grupami. W tym przykładzie atom węgla jest związany z wodorem, fluorem, chlorem i bromem, tworząc bromo-chloro-fluorometan.

Związki zawierające stereocentra nazywane są "chiralnymi", co oznacza, że istnieją jako izomery lustrzanego odbicia: nierównoważne struktury fizyczne, których nie można obracać ani orientować tak, aby nakładały się na siebie. Izomery lustrzanego odbicia nazywane są "enancjomerami" i mają identyczne właściwości fizyczne, z jednym wyjątkiem związanym z optyką.

W optyce nielaserowe źródła światła emitują fale świetlne, które oscylują w różnych płaszczyznach. Takie fale świetlne nazywane są "niespolaryzowanymi". Jednak niektóre materiały są w stanie filtrować fale świetlne w oparciu o ich płaszczyznę oscylacji, przepuszczając tylko te fale świetlne, które oscylują w jednej określonej płaszczyźnie, jednocześnie pochłaniając te oscylujące w innych płaszczyznach. Transmitowane światło zostało "spolaryzowane płaszczyznowo".

Enancjomery mają różny wpływ na światło spolaryzowane w płaszczyźnie. Jeśli zostaną uderzone przez światło spolaryzowane płaszczyznowo, jeden enancjomer obróci płaszczyznę oscylacji zgodnie z ruchem wskazówek zegara, podczas gdy drugi obróci płaszczyznę oscylacji o równy kąt w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara. Ten pierwszy nazywany jest enancjomerem "prawoskrętnym", a jego nazwa poprzedzona jest znakiem plus. Ten ostatni nazywany jest enancjomerem "lewoskrętnym", a jego nazwa jest poprzedzona znakiem minus. Stosunek kąta obrotu do stężenia jest unikalny dla każdego związku i nazywa się go "właściwą skręcalnością optyczną".

Polarymetr wykrywa, czy w próbce obecny jest jeden lub oba enancjomery. Składa się ze źródła światła, polaryzatora, celi próbki, detektora i analizatora. Źródło światła emituje fale świetlne, które są niespolaryzowane, ale monochromatyczne, co oznacza, że mają tę samą długość fali. Fale świetlne napotykają następnie polaryzator, który przepuszcza tylko te oscylujące w jednej określonej płaszczyźnie, dając wiązkę spolaryzowaną płaszczyznowo. Światło spolaryzowane płaszczyznowo oddziałuje następnie z próbką w komórce próbki.

Jeśli próbka zawiera tylko jeden enancjomer związku chiralnego, światło spolaryzowane będzie się obracać. Kąt ten nazywany jest "skręcalnością optyczną" i zależy od właściwej skręcalności optycznej związku, jego stężenia i długości celi próbki. Z drugiej strony, jeśli oba enancjomery są obecne w równych stężeniach, tworzą "mieszaninę racemiczną", która nie może obracać spolaryzowanego światła. Wreszcie, jeśli jeden enancjomer jest obecny w większym stężeniu niż drugi, powstaje "nadmiar enancjomeryczny", a płaszczyzna oscylacji zostanie obrócona proporcjonalnie do nadmiaru.

Po przejściu spolaryzowanego światła przez próbkę zostaje ono wykryte. Analizator mierzy skręcalność optyczną.

Teraz, gdy znasz już zasady, przyjrzyjmy się typowej procedurze operacyjnej.

Pierwszym krokiem do korzystania z polarymetru jest wyzerowanie przyrządu.

Najpierw włącz polarymetr i pozwól mu się rozgrzać przez 10 minut.

Ustaw instrument w tryb rotacji optycznej.

Kuweta na próbkę jest zazwyczaj probówką o długości 1 d i objętości 1,5 ml. Przygotuj komórkę, czyszcząc ją acetonem i chusteczkami laboratoryjnymi.

Delikatnie umieść pustą celę z próbką w uchwycie i naciśnij "zero". W ten sposób ustala się poziom bazowy.

Następnie skalibruj polarymetr przy użyciu czystej próbki badanego związku chiralnego.

W tym przykładzie używany jest enancjomer prawoskrętny karwonu. Odpipetować pipetą 1,5 ml do celi na próbkę. Włóż ogniwo do uchwytu i naciśnij "zmierz". Wyświetlana jest skręcalność optyczna. Podzielenie zmierzonej skręcalności optycznej przez stężenie lub gęstość dla czystych substancji i długość komórki daje właściwą skręcalność optyczną związku.

Specyficzną skręcalność optyczną oczyszczonej niewiadomej można znaleźć podobnie, rozpuszczając nieznaną w optycznie nieaktywnym rozpuszczalniku i mierząc skręcalność optyczną. Właściwa skręcalność optyczna związku jest następnie określana przez podzielenie przez stężenie. Związek ten jest następnie identyfikowany poprzez porównanie jego właściwej skręcalności optycznej z wartościami literaturowymi.

Teraz, gdy już wiesz, jak wykonywać pomiary, przyjrzymy się kilku praktycznym zastosowaniom.

W przemyśle farmaceutycznym polarymetria jest wykorzystywana do kontroli jakości. Na przykład, jest on używany do pomiaru stężenia i enancjomerycznej czystości efedryny w komercyjnych środkach tłumiących kaszel. Nawet w obecności innych składników, technika ta może być stosowana do określenia stężenia efedryny z dokładnością do 1%.

W przemyśle spożywczym i napojów stężenie i czystość sacharozy są stale monitorowane za pomocą specjalnie zaprojektowanych polarymetrów przepływowych. Sacharoza, jeden z najczęstszych składników żywności, ma specyficzną skręcalność optyczną wynoszącą 66,5 stopnia. Dzieląc skręcalność optyczną strumienia sacharozy przez właściwą skręcalność optyczną sacharozy, można określić stężenie. Wahania skręcalności optycznej wskazywałyby na wahania stężenia sacharozy.

Polarymetria została również wykorzystana do badania kinetyki reakcji, w tym kinetyki układów enzymatycznych, takich jak układ penicylina-penicylinaza. W tym przypadku komórka próbki zawiera zarówno enzym, jak i substrat, a skręcalność optyczna jest mierzona w odniesieniu do czasu. Zmiana skręcalności optycznej jest wprost proporcjonalna do zmiany stężenia substratu. Pozwala to nie tylko na poznanie kinetyki reakcji, ale także na jednoczesne określenie stężeń enzymów i substratów w przyszłych testach.

Właśnie obejrzałeś wprowadzenie JoVE do polarymetru. Powinieneś teraz zrozumieć jego zasady działania, kroki konfiguracji i pomiaru oraz niektóre z jego zastosowań. Dzięki za oglądanie!