Исследование вращения плоскости поляризации в растворе оптически активного вещества и Определение его концентрации поляриметром

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3.

Цель работы: Экспериментальное изучение хиральности в биологической среде, Определение удельного вращения раствора сахара, определение концентрации сахара в растворе.

Оборудование: Поляриметр, осветитель, набор растворов с оптически активной средой

 

Одним из важнейших отличий биологических систем различной степени сложности от объектов неживой природы является способность «узнавать» левые и правые молекулярные конфигурации.

Большинство молекул, участвующих в различных биохимических процессах, сопровождающих формирование, развитие и жизнедеятельность отдельных биологических структур и целостных организмов, не имеют плоскости и центра симметрии и могут существовать в двух формах (конфигурациях), относящихся друг к другу как правая и левая рука. Эти две молекулярные конфигурации (правая D и левая L) нельзя совместить друг с другом никаким поворотом системы отсчета. Такого рода молекулы называются хиральными (хейр, греч. – рука).

При химическом синтезе вещества из исходных симметричных молекул оно всегда получается в виде рацемической смеси (50% на 50%) правого и левого антиподов. В отличие от этого живые организмы содержат важнейшие биологические молекулы, начиная с аминокислот, в одной определенной конфигурации. При этом в процессе клеточного метаболизма клеткой усваиваются лишь молекулы, соответствующие по конфигурации их собственным биомолекулам. Аналогично в процессах биохимического синтеза вырабатываются лишь вполне определенные формы молекул. Отметим, что хиральность присуща биологическим системам и на более высоких уровнях организации (в качестве примера можно привести спиральные участки надмолекулярных структур белков и нуклеиновых кислот).

Обнаружить хиральные вещества можно пропуская через них плоско поляризированный свет, так как в отличие от рацемических смесей хиральная среда вращает плоскость поляризации по или против часовой стрелки.

Временные изменения вектора напряженности электрического поля Е в плоскополяризированной электромагнитной волне можно представить как результат векторного сложения двух компонент Е_D  и E_L, вращающихся по и против часовой стрелки (рис.1), т.е. плоскополяризированную волну можно заменить суммой двух волн, поляризированных по окружности.

 

 

Если угловые скорости вращения векторов Е_D  и E_L  w_L  и w_D различаются, то с течением времени результирующий вектор Е будет поворачиваться на угол α. Аналогичный поворот будет иметь место при различной скорости распространения левой и правой волн в исследуемой среде. При этом плоскость поляризации результирующей волны Е будет поворачиваться на угол α, определяемый соотношением:

 α = π/λ (n_L – n_D) * l                       (1)

где n_L~1/с_L и n_D~1/c_D – показатели преломления левой и правой волн, обратно пропорциональные скоростям их распространения в среде;

λ – длина волны света;

l – расстояние, пройденное волной.

Если хиральное вещество находится в растворе с относительно низкой концентрацией с (в кг/м³), то угол вращения плоскости поляризации определяется выражением:

α = α₀ * l * c                               (2)

где α₀ – удельное вращение плоскости поляризации для данного вещества, зависящее от длины световой волны λ.

Таким образом, измеряя поворот плоскости поляризации в растворе оптически активных молекул, можно определить его концентрацию с.

Метод, применяемый при качественном и количественном анализе различных веществ, обладающих оптической активностью, называется поляриметрией. Он широко используется в медицине и биологии (например, для определения оптической активности сывороточных белков с целью диагностики рака).

На рис. 2 изображена оптическая схема поляриметра.

 

 

Свет от источника (Л), проходя через светофильтр, объектив (О) и поляризатор (П), попадает в трубку (Т), содержащую исследуемый образец, в виде плоскополяризированной монохроматической волны (λ = const). Если исследуемое вещество не обладает оптической активностью, то выходящая из него световая волна сохраняет ту же плоскость поляризации и, проходя через анализатор (А), скрещенный с поляризатором (П), полностью гасится (интенсивность выходящего света равна 0). Помещение в трубку (Т) оптически активного вещества приводит к повороту плоскости поляризации на угол α, определяемый формулами (1) и (2), в результате чего часть энергии световой волны проходит через анализатор и поле зрения, наблюдаемое через объектив (Об) и окуляр (Ок) просветляется. Интенсивность прошедшей волны определяется законом Малюса:

I = I₀ cos²(90- α) = I₀ sin² α                                    (3)

где I₀ – интенсивность света на входе в анализатор.

Вследствие адаптации глаза визуально трудно оценивать абсолютную освещенность. В то же время легко сравнивать освещенности различных частей поля зрения. Для разделения поля зрения на части с поляриметре непосредственно за поляризатором расположена тонкая кварцевая пластинка (К). Так как кварц является оптически активным веществом, то после прохождения поляризованного света через пластинку, его плоскость поляризации поворачивается, и часть поля зрения, перекрываемая пластинкой, имеет освещенность, отличную от остального поля зрения. Путем поворота анализатора можно добиться равенства освещенности различных частей поля зрения.

Как видно на рис.3, это имеет место при двух положениях анализатора I и II (на рис. 3 изображены положения векторов и для волны, прошедшей через кварцевую пластинку, и прошедшей мимо нее в отсутствии оптически активного вещества).

 

При наличии оптически активного вещества равенство освещенностей будет достигаться при повороте анализатора на угол, равный углу вращения плоскости поляризации (α). Таким образом измеряя угол поворота анализатора можно определить искомый угол α. Детальное описание используемого в работе поляриметра приведено в техническом описании и инструкции по эксплуатации данного прибора.

 

Часть I. Определение удельного вращения плоскости поляризации сахаром.

Порядок выполнения работы:

1. Внимательно ознакомиться с техническим описанием и инструкцией по эксплуатации портативного поляриметра П-161М.
2. Подготовить поляриметр к работе согласно инструкции по эксплуатации.
3. Определить с помощью поляриметра удельное вращение α₀ плоскости поляризации сахаром. Для этого:

Заполнить трубку раствором сахара известной концентрации С₁, поместить ее в поляриметр и по методике, описанной в инструкции к поляриметру, определить угол вращения плоскости поляризации.

По формуле (2) рассчитать удельные вращения (α₀) измеряемого оптически активного вещества.

Измерения провести 3 раза.

Заменить в трубке раствор с концентрацией С₁ раствором с другой известной концентрацией С₂ и повторить измерения согласно пунктам 3.1-3.3.

Результаты измерений занести в таблицу 1.

                                                                                                 Таблица 1.

Концентрация раствора (кг/м3)	Угол вращения α, град.	Удельное вращение α0, град*м2/кг	α0 ср., град*м2/кг

 

3.6. Определить среднее значение α₀ ср. удельного вращения α_0.

 

Часть II. Определение концентрации раствора оптически активного вещества.

1. Определить с помощью поляриметра концентрацию С_х раствора сахара. Для этого:

Поместить в поляриметр трубку с раствором неизвестной концентрации С_х и определить угол вращения плоскости поляризации α_х.

Рассчитать согласно формуле (2) концентрацию С_х неизвестного раствора.

Выполнить измерения 3 раза и результаты занести в таблицу 2.

                                                                                                    Таблица 2.

αх, град.	Сх, кг/м3	Сх, %	Сх ср., %

 

Контрольные вопросы:

1. Каково значение хиральности в живой природе?
2. Объясните назначение основных элементов поляриметра и принципы его действия.
3. С какой целью применяются поляриметры в биофизике и медицине?
4. Объясните изменения интенсивности при прохождении света через поляриметр, содержащий оптически активное вещество.

 

Литература:

Волькенштейн М.В. Биофизика, М., Наука, 1988 г.