ПОЛЯРИМЕТРИЯ
Описание
ПОЛЯРИМЕТРИЯ (позднелат. polaris полярный + греч, metreo мерить, измерять) — совокупность физико-химических методов исследования, основанных на определении угла вращения плоскости поляризации проходящего через оптически активную среду поляризованного света.
Поляриметрия находит широкое применение в сан.-гиг., клинических и физиологических исследованиях. Методами Поляриметрии определяют наличие и концентрацию углеводов в растительном сырье, белков и аминокислот в растворах; этими методами исследуют активность ферментов, расщепляющих углеводы, и т. д.
В основе Поляриметрии лежит прохождение поляризованного луча света через оптически активную среду (напр., через какую-либо биол, пробу, исследуемый р-р). При этом плоскость поляризации луча (см. Поляризация света), прошедшего через исследуемое вещество, оказывается повернутой на некоторый угол (угол вращения плоскости поляризации). По величине этого угла, а также по направлению смещения (знаку вращения) плоскости поляризации идентифицируют оптически активное вещество и определяют его концентрацию.
Для количественной оценки угла вращения плоскости поляризации используются удельное вращение [α], выражающееся формулой:
[α] = α/lc,
где α — угол вращения плоскости поляризации (в градусах); l — длина кюветы в дм; с — концентрация оптически активного вещества в г/мл, а также молекулярное вращение :
[M] = αM/100,
где М — молекулярный вес (масса) оптически активного вещества. Для характеристики оптических свойств высокомолекулярных веществ (напр., для белков или нуклеиновых к-т) используется также определение «вращения на мономерное звено или остаток» — m или R (т. e. в расчете на молекулярный вес мономерного звена или остатка). Удельное и молекулярное вращение — специфичны для каждого оптически активного соединения (зависят от структуры вещества, температуры, типа растворителя и др.).
Угол вращения плоскости поляризации зависит от длины волны проходящего света; такая зависимость носит название дисперсии оптического вращения. Показано, что каждый оптически активный хромофор молекулы в области своей полосы поглощения характеризуется специфической, так наз. аномальной дисперсией оптического вращения. Вне области полосы поглощения дисперсия оптического вращения носит название нормальной. При наличии нескольких оптически активных переходов нормальная дисперсия определяется суммой вкладов от всех хромофоров. Дисперсию оптического вращения изучают с помощью приборов — спектрополяриметров; метод изучения называется спектрополяриметрией.
Наряду с вращением плоскости поляризации падающего света любое оптически активное вещество по-разному поглощает компоненты света, поляризованные по кругу влево и вправо, т. е. обладает круговым дихроизмом. Мерой его является величина ΔЕ, вычисляемая по формуле:
ΔЕ = ЕL — ЕR,
где ЕL и ЕR — молекулярные коэффициенты поглощения для двух компонент поляризованного света. Величина ΔЕ связана с разностью оптических плотностей для двух компонент света ΔD = DL — DR соотношением:
ΔЕ = ΔD/cl,
где с — концентрация вещества в моль/л, l — длина кюветы в см. Значения ΔE изменяются с длиной волны света и могут быть как положительными, так и отрицательными. Эта величина имеет большие значения только в узкой области частот вблизи максимума поглощения, поэтому спектр кругового дихроизма молекул, имеющих несколько хромоформных групп, обладает большей разрешающей способностью, чем спектры дисперсии оптического вращения.
Спектры кругового дихроизма изучают с помощью приборов, называемых дихрографами.
Методы измерения дисперсии оптического вращения и кругового дихроизма широко применяются для изучения структуры многих биологически важных соединений, в частности вторичной и третичной структур молекул белков, конформационных изменений белков в растворах при изменении условий среды или при их взаимодействии с другими молекулами. Этими методами изучаются структура ферментов, пептидных гормонов, мембранных белков, различных белковых комплексов (напр., антиген — антитело), сложных комплексов (напр., хроматина, рибосом, вирусов и фагов), процессы нуклеиново-белкового узнавания и т. д.
Поляриметры — приборы для измерения углов вращения плоскости поляризации. Любой прибор для П. содержит источник поляризованного излучения (источник света и поляризатор) и устройство для анализа этого излучения, прошедшего через исследуемый прибор (анализатор). В простейших поляриметрах при измерении поворотом анализатора добиваются полного затемнения поля зрения. В таких поляриметрах (рис. 1) поток излучения, выходящий из источника, проходит через светофильтр, или монохроматор, через поляризирующее устройство, исследуемый образец, анализатор, жестко связанный с угломерным устройством, и попадает в зрительную трубу. Лимб угломерного устройства расположен перпендикулярно к оси вращения анализатора. Для измерения угла вращения, производимого оптически активным веществом, анализатор дважды устанавливают на одинаковую яркость поля зрения и дважды выполняют отсчеты по угломерному устройству — без исследуемого вещества между поляризатором и анализатором N0 и с исследуемым веществом (N1). Искомый угол вращения φ равен разности результатов двух отсчетов φ = N1 —N0.
Для повышения точности измерений поляриметры снабжают полу-теневыми устройствами — поляризаторами (анализаторами) особой конструкции, обеспечивающими небольшой сдвиг плоскостей поляризации в поле зрения и делящими его на два или три поля сравнения. При этом чувствительность прибора возрастает. Поляриметры, предназначенные для определения содержания сахара в растворах, называются сахариметрами, а процесс определения концентрации сахара в растворах — сахарометрией. Излучение от источника света (рис. 2) проходит через фокусирующую линзу и полу-теневой поляризатор. Анализатор жестко установлен на полутеневое равенство в нулевом положении. Для компенсации вращения, вызываемого р-ром сахара, служит компенсатор в виде плоскопараллельной пластины кристаллического кварца переменной толщины, установленной перед анализатором и состоящей из плоскопараллельной пластины правовращающего и клиньев левовращающего кварца. Угол вращения отсчитывают с помощью линейной шкалы и нониуса, отградуированных в единицах Международной сахарной шкалы. Полутеневое равенство устанавливается при наблюдении в зрительную трубу.
Применение фотоэлектрических приемников излучения в поляриметрах позволяет значительно повысить их чувствительность, отказаться от затемненных помещений, повысить скорость выполнения измерений, проводить измерения в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра, исследовать вещества с большой оптической плоскостью. В общем виде схема одного из фотоэлектрических поляриметров приведена на рис. 3. Поток излучения в нем от источника света проходит поляризатор, модулятор, исследуемый образец, анализатор с угломерным устройством и попадает на фотоэлектрический приемник, а затем в резонансный усилитель, настроенный на частоту модуляции, и фазочувствительный нуль-индикатор. При углах скрещения, отличных от 90°, световой поток будет иметь составляющую модуляции на частоте f (частота переменного тока, питающего модулятор), фаза к-рой зависит от направления поворота плоскости поляризации исследуемым веществом. Погрешности измерений фотоэлектрическими поляриметрами лежат в пределах 0,02° для приборов с диапазонами измерений порядка нескольких градусов.
Библиография: Веллюз Л., Легран М. и Грошан М. Оптический круговой дихроизм, пер. с англ., М., 1967; Волкова Е. А. Поляризационные измерения, М., 1974; Волькенштейн М. В. Молекулярная биофизика, с. 315, М., 1975; Дисперсия оптического вращения и круговой дихроизм в органической химии, под ред. Г. Снатцке, пер. с англ., М., 1970; Кудрявцев В. И. Автоматический сахариметр, Сахарная пром-сть, № 11, с. 14, 1953; The cell nucleus, ed. by H. Busch, v. 5’ p. 55, 99, N. Y., 1978; Jirgensons B. Optical activity of proteins and other macromоlecules, B. — N. Y., 1973.
И. А. Болотина; М. Я. Каабак (техн.).