Дисперсия оптической активности. Использование поляризованного

Света в медико-биологических исследованиях: поляриметрия

(сахариметрия), спектрополяриметрия, поляризационный микроскоп.

При прохождении плоскополяризованного света через некоторые вещества [некоторые кристаллы (кварц, киноварь), растворы многих органических веществ (сахара, кислоты, алкалоиды и др.), а также некоторые чистые жидкости (скипидар, никотин)] наблюдается вращение плоскости колебаний светового вектора или вращение плоскости поляризации. Вещества, обладающие такой способностью, называются оптически активными.

Пусть монохроматический свет падает от источника S на систему поляризатор P - анализатор А, которые поставлены скрещенно, то есть их главные плоскости взаимно перпендикулярны. В этом случае свет до наблюдателя не дойдет, так как анализатор не пропускает свет плоскополяризованный в соответствии с законом Малюса ( j = 90⁰).

Если между поляризатором и анализатором поместить кварцевую пластинку так, чтобы свет проходил вдоль ее оптической оси, то в общем случае свет дойдет до наблюдателя. Если же анализатор повернуть на некоторый угол, то можно вновь добиться затемнения. Это свидетельствует о том, что кварцевая пластинка вызвала поворот плоскости поляризации на угол, соответствующий повороту анализатора для получения затемнения.

Если использовать в опыте свет различной длины волн, то можно обнаружить зависимость угла поворота от длины волны, т.е. дисперсию вращения плоскости поляризации (вращательную дисперсию).

Кварцевая пластинка толщиной 1мм вращает плоскость поляризации на следующие углы: для красного света - 15⁰

желтого - 21⁰

зеленого - 27⁰

синего - 33⁰

фиолетового - 51⁰.

Для данной длины волны угол “a“ поворота плоскости поляризации пропорционален пути “l”, пройденному светом в оптически активном веществе:

j = a l,

где a - коэффициент пропорциональности или постоянная вращения, ее принято выражать в угловых градусах на миллиметр.

В растворах угол поворота плоскости поляризации пропорционален пути света в растворе “l” и концентрации активного вещества “с”:

j =[a ] c l, (1)

где [ a ] - величина, называемая удельным вращением. Это закон Био

,

где а - постоянная, зависящая от природы вещества.

В зависимости от направления вращения плоскости поляризации оптически активные вещества подразделяются на право- и левовращающие. Если смотреть навстречу лучу, то в правовращающих веществах плоскость поляризации будет поворачиваться по часовой стрелке, в левовращающих - против часовой стрелки. Например, кварцы - левовращающие и правовращающие.

Соотношение (1) лежит в основе весьма чувствительного метода измерения концентрации растворенных веществ, в частности сахара. Этот метод (поляриметрия или сахариметрия) широко используют в медицине для определения концентрации сахара в моче, в биофизических исследованиях, а также в пищевой промышленности. Соответствующие измерительные приборы называют поляриметрами или сахариметрами. Поляриметр позволяет изсерять не только концентрацию, но и удельное вращение. Используя различные светофильтры, можно найти зависимость удельного вращения от длины волны (дисперсию оптической активности), в настоящее время для этих целей применяют специальные приборы - спектрополяриметры. Для исследования прозрачных биологических объектов используют поляризационный микроскоп. Он аналогичен обычному, но снабжен двумя призмами Николя: одна расположена перед конденсором и служит поляризатором, вторая - в тубусе между объективом и окуляром и служит анализатором. Предметный столик вращается вокруг продольной оси микроскопа на 360⁰.

Если поляризационный микроскоп, установленный на полное затемнение поля зрения (скрещенные николи), поместить препарат с изотропной структурой, то поле зрения останется темным. В случае, когда между поляризатором и анализатором помещен препарат с анизотропными структурами, свет, прошедший поляризатор, будет в них вновь двояко преломляться. В связи с этим он не гасится полностью анализатором и соответствующие структуры выступают просветленными на общем темном фоне поля зрения.

Ряд тканей (мышечная, костная, нервная) обладают оптической анизотропией, поэтому возможна поляризационная микроскопия биологических объектов.