Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Краббе П. Применение хироптических методов в химии

.pdf
Скачиваний:
7
Добавлен:
23.10.2023
Размер:
5.75 Mб
Скачать

140

Приложение

 

 

 

 

 

 

 

оптическое

вращение а

(рис.

1)

 

возникает

в

результате

двойного

 

лучепреломления,

причем

к а ж ­

 

дый

поляризованный

по

кругу

 

компонент

линейно

поляризован­

 

ного света поглощается в различ­

 

ной степени. Конец результирую­

 

щего

вектора

поляризованных

по

 

кругу

вправо

и влево

компонен-

Рис. 1. Влияние дихроичного вещества на плоскополяризованный свет.

тов описывает эллипс (рис. 1). Такие световые волны называют эллиптически поляризованным светом, при­ чем эллиптичность определяется углом <р, тангенс ко­ торого есть отношение короткой оси к длинной оси. От­ ношение между углом и обеими амплитудами поляризо­ ванных по кругу вправо и влево компонентов представ­ лено уравнением

tgcp = PR + PL-

w

Отношение между амплитудами P R И P L И соответствую­ щими'коэффициентами поглощения К ь и Кв. определяется из уравнений

PL

=

PQ- ехр

- 2л Кг/ \

PR

=

Ро • ехр

(5)

 

где Ро — а м п л и т у д а

 

поляризованных по кругу вправо и

влево компонентов

падающего

линейно поляризованного

света. Так как эллиптичность является небольшой вели­

чиной, из уравнений (4) и (5)

можно вывести следую­

щее приближенное выражение:

 

ср^^(Кь-Кя)1.

(6)

Отношение между интенсивностями и /в. и соот­ ветствующими амплитудами P L И P R определяется с по-

Измерение ДОВ и КД

141

мощью уравнений

 

IL=PL

=

PQ-

exp

- . —

 

 

ni

 

,

/

4nKol\

^

 

: P 2

R ! - ^ - e X P (

j * - ) .

 

Отсюда, если

уравнение

(1)

сравнить с уравнением

(7)

по отношению

к поляризованным

по кругу вправо и вле­

во компонентам, то можно вывести следующие уравне­ ния:

KL--

4я log е '

 

A,eR C

(8)

 

4it log е

 

Из уравнений (6) и (8) можно получить выражение, свя­ зывающее эллиптичность и коэффициент кругового мо­ лекулярного дихроичного поглощения Де:

ч = Ч ^ Ь А е С 1 < г Р а д ) - (9 >

Соотношение, связывающее эллиптичность ср и

круговую

дихроичную

оптическую плотность AD, можно

получить

из уравнений

(3) и (9), подставив значения

констант:

 

Ф ^ З З А у Э (град).

 

(10)

Удельная эллиптичность [г|)], подобно удельному опти­ ческому вращению, определяется величиной угла (в гра­ дусах), отнесенной к длине слоя вещества (дм) и его плотности (г/мл):

№ =

( П )

Молекулярная эллиптичность [0], аналогично молеку­ лярному оптическому вращению, представляет собой эллиптичность, отнесенную к длине слоя вещества (м) и концентрации (моль/л) или удельной эллиптичности, умноженной на Л1/100:

[в] = М - - щ - .

(12)

где М — молекулярный вес.

142

 

Приложение

 

 

Из

уравнений (9), ( И )

и (12) можно получить

урав­

нение,

связывающее молекулярную эллиптичность [8] и

молекулярный

круговой дихроизм As:

 

 

 

 

[9] <* 3300 Де.

 

(13)

Необходимо

учитывать

различие единиц, в которых

в ы р а ж а ю т с я концентрация

и длина кюветы

в уравнениях

(9), ( И ) и (12).

 

 

 

 

 

2. ВВЕДЕНИЕ

 

 

Д л я

получения надежных и воспроизводимых

кривых

Д О В и К Д необходимо уметь правильно

пользоваться

прибором. В настоящее время назрела настоятельная не­ обходимость в создании общих инструкций по эксплуа­ тации спектрополяриметров и дихрографов. Поскольку описать все существующие в настоящее время приборы практически невозможно, мы рассмотрим работу на авто­ матическом регистрирующем спектрополяриметре « Д ж а с -

ко» (JASCO, Model

ORD/UV-5, Japan Spectroscopic Со) .

2.1. Параметры,

влияющие на точность

измерений

Д л я получения хорошо воспроизводимых спектров не­ обходимо учитывать все воздействия, которые могут по­ влиять на точность измерений, и стараться в к а ж д о м измерении сохранять все условия по возможности неиз­ менными. Главными факторами, определяющими точ­ ность измерения, являются следующие:

1. Характеристики прибора: точность установки дли­ ны волны, монохроматичность волны света, характери­ стика рассеянного света, воспроизводимость, стабиль­ ность, точность измерения вращения по всей шкале, максимальная чувствительность, отношение сигнал/шум

ит. д.

2.Приготовление образца: чистота образца, измене­ ние природы образца, ошибки взвешивания, точность из­ мерительных колб и пипеток, чистота растворителя, при­ сутствие неудаленного растворителя, мутность раствора образца и т , д.

Измерение ДОВ и КД

143

3.Техника измерений: концентрация образца и длина оптического пути кюветы, загрязнение окошек кюветы, положение кюветы, условия измерения и т. д.

4.Другие параметры: температура окружающей сре­ ды, влажность окружающей среды, постоянство напря­ жения в сети, влияние близлежащих приборов, потреб­ ляющих большую энергию, посторонние вибрации и пары

органических растворителей, содержащиеся

в комнате,

и т. д.

 

Так как факторы, влияющие на точность

измерения,

как показано выше, довольно многочисленны, то необ­ ходимо оценить их с точки зрения ошибок, которые они могут внести. Например, уровень шума может быть слишком высоким по различным причинам, таким, как: а) нестабильность напряжения сети (вызывающая коле­

бание высокого

н а п р я ж е н и я ) , б) помехи, образующиеся

в электрических

системах прибора, в) мутность раствора

образца, г) слишком высокая оптическая плотность об­ разца (что заставляет повышать высокое напряжение на фотоумножителе), д) частичное перекрывание светового луча держателем кюветы (вызывающее подъем' напря­ жения на фотоумножителе в той области спектра, где образец не поглощает свет). Параметры, снижающие аналитическую точность, необходимо оценить после тща^ тельно разработанного контроля помех в каждом случае.

Особенно это

относится

к параметрам, отмеченным

в п. 4, которые

будут,

конечно, увеличивать уровень

шума на полученных кривых. Каждый химик должен, следовательно, проводить измерения с желательной сте­ пенью точности, так чтобы он мог стандартизировать свои собственные измерения и выполнять их в одинако­ вых условиях.

2.2. Два типа экспериментальных

ошибок

Экспериментальные ошибки

грубо

можно

разделить

на: а) абсолютные ошибки и б)

относительные

ошибки.

К факторам, влияющим на абсолютные ошибки, отно­ сятся дрейф и нестабильность нулевой линии, уровень шума, мутность раствора (особенно при измерениях

144

 

Приложение

Д О В ) ,

загрязненность

окошек кюветы, положение кю­

веты

и т. д. Особенно

тщательно требуется подбирать

условия при измерении слабых эффектов Коттона. Фак­ торами, определяющими относительные ошибки, являют­ ся точность делений ш к а л ы (шкала чувствительности), чистота образца, концентрация образца, длина оптиче­

ского

пути

кюветы и т. д. Однако

ошибки такого рода

могут

быть

исключены, если предварительно стандарти­

зировать факторы, упомянутые в п. 2.

 

3. ОБЩЕЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ О ПРИБОРАХ

 

 

ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДОВ И КД

 

 

3.1. Принципы

работы

прибора

1.

Прибор

для измерения

ДОВ.

Принципего работы

основан на измерении угла вращения плоскости поляри­ зации света, проходящего через слой исследуемого веще­ ства. Прибор сконструирован на основе метода оптиче­ ского нуля. Точность измеряемых величин почти полно­ стью зависит от точности оптической и механической систем (включая вспомогательную систему) и не зависит от линейности выходных сигналов на усилителе, что об­

легчает определение абсолютной

величины

Д О В .

2. Прибор

для

измерения

КД.

Принцип

действия при­

бора основан

на

превращении линейно поляризованного

монохроматического света

в попеременно

чередующийся

поляризованный по кругу вправо и влево свет с помощью переменного электрического поля в ячейке Покельса (четвертьволновая пластинка) . Точность измерения К Д непосредственно зависит от линейности и степени усиле­ ния сигналов на выходе усилителя, а т а к ж е от точности изготовления ячейки Покельса и другой оптики. Таким образом, очень трудно определить абсолютную величину К Д , поэтому более целесообразно относить наблюдаемые величины к известным стандартам .

3.2. ДОВ и КД

Н а рис.

2 показано

соотношение Д О В - , К Д - и УФ-

спектров. Амплитуда

Д О В пропорциональна величине

К Д в точке

максимума,

а знак пика Д О В в длинноволно-

 

 

Измерение

ДОВ и

КД

145

вой

области

спектра

соответствует

знаку К Д . Это

озна­

чает,

что из

кривых

Д О В

и К Д

получают одинаковую

информацию. Однако это совершенно разные явления, поэтому между способами измерения и анализом полу­

ченных

данных

в

 

случае

Д О В

и К Д

имеются

различия .

Поскольку

на

 

кривой К Д

легко

выделить

сложные

эффекты

Коттона,

то с помощью этого метода

можно

определить

количество

 

 

 

 

 

к а ж д о г о

 

компонента,

 

 

 

 

 

если

 

анализируется

 

 

 

 

 

смесь

двух

оптически

 

 

 

 

 

активных

 

соединений,

 

 

 

 

 

а т а к ж е

вычислить

 

 

 

 

 

вращательную

 

 

силу.

 

 

 

 

 

Кривая

Д О В ,

с

другой

 

 

 

 

 

стороны,

более

э ф ф е к :

 

 

 

 

 

тивна

при

определении

 

 

 

 

 

оптически

 

 

активных

 

 

 

 

 

примесей

 

в

процессе

 

 

 

 

 

очистки

белков

 

или

 

 

 

 

 

Рис. 2.

Взаимосвязь

ДОВ-

 

 

 

 

 

КД- и УФ-спектров погло­

 

 

 

 

 

 

щения.

 

 

 

 

 

 

 

 

/ — Д О В ;

2 — К Д ;

3—УФ-спектр.

 

 

 

 

 

спиральных

полимеров.

Кроме

того,

метод Д О В

более

применим при изучении углеводородов, не. содержащих

хромофора, а

т а к ж е

эфиров, спиртов

или Сахаров.

 

Измерение

Д О В

требует большего

внимания,

чем

из­

мерение К Д ,

вследствие большей

чувствительности

к:

1) загрязнению окошек кюветы; 2)

положению

кюветы;

3) оптическому вращению пустой кюветы в результате напряжения стекол окошек кюветы; 4) уменьшению от­ ношения сигнал/шум, вызванному мутностью раствора образца; 5) конвекционным токам в смеси растворителя; 6) влиянию в р а щ е н и я кюветы и растворителя, обуслов­ ленному эффектом Ф а р а д е я ; 7) преломлению и диспер­

сии,

обусловленным гелеобразным раствором образца

при

низкотемпературных измерениях.

Н6

 

 

 

 

П рилоокение

 

 

 

 

 

 

3.3.

Проверка

прибора

 

 

 

П о д р о б н ая методика проверки прибора будет изло­

жена

в п. 4. Здесь

ж е

рассмотрим

основные

узлы

при­

бора.

 

 

 

лента.

 

 

 

 

 

 

/. Диаграммная

 

На диаграммной

ленте

спект-

рополяриметра

«Джаско»

записываются

кривые Д О В - ,

К Д -

и УФ-спектров

поглощения,

а т а к ж е ширина

щели

и напряжение

на

 

фотоумножителе

(рис. 3). Ширина

щелн

автоматически

изменяется

так, чтобы

поддержи­

вать

напряжение

на

фотоумножителе

приблизительно

на постоянном уровне в области длин волн 185—700 нм. Это необходимо потому, что интенсивность излучения ксеноновой лампы и чувствительность детектора изме­ няются с длиной волны. Кроме того, напряжение на фотоумножителе автоматически повышается, чтобы под­ держивать выходной сигнал детектора на постоянном уровне, так как интенсивность света снижается из-за по­ глощения света образцом Если образец обладает слиш­ ком большим поглощением, напряжение увеличивается до предела и возрастает шум, приводящий к уменьше­

нию отношения

сигнал/шум на кривых Д О В и К Д . Д л я

проверки достоверности

результатов

измерения Д О В и

К Д необходима

запись

напряжения

на фотоумножителе.

2. Проверка

точности

установки

длины волны. Хотя

показатель преломления призмы, изготовленной из плав­ леного кварца и используемой в монохроматоре спектрополяриметра модели ORD/UV-5, изменяется с темпе­

ратурой, длина

волны в основном остается постоянной

в температурном

интервале от 10 до 30 °С и в области

длин воли короче 400 нм. Однако в более длинноволно­ вой области вблизи 600 нм имеется дрейф длин волн, до­ стигающий 2—4 нм, что объясняется зависимостью коэф­ фициента преломления от температуры. Если прибор находится в комнате без кондиционирования воздуха, то, особенно в холодный сезон, необходимо перед измере­ ниями прогреть прибор. Проверка точности установки длины волны прибора в коротковолновой области осу­

ществляется

по линии

ртути

(253,7 нм) (длина кюветы

от 1 до 5 см)

и в длинноволновой области по полосе по­

глощения неодимового

стекла

(586 нм) .

MM

200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 7 0 0 н м

Рис. 3.

Образцы

записи

на диаграммах

для

спектрополяриметра

 

 

модели ORD/UV-5.

 

 

 

1.1—ДОВ;

2 — К Д ;

3 — УФ-спектр

поглощения

0,005 М

раствора

D-(—)-трисЛ

(пропнленднамнн)кобальт(Ш)бромида

в

кювете

длиной

1 см;

П. Запись

ширины

щели при

измерении / — Д О В ;

2— КД;

3—УФ-спектра

поглощения

этого соединения; 11,1- Напряжение

на фотоумножителе

при

и з м е р е н и и / — Д О В ;

 

 

2—КД;

3 — УФ-спектра поглощения.

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 1

 

Удельное

вращение

[а]|° (град) сахарозы в водных растворах

при 20 "С

 

 

 

 

( а ^ = 21,648/(Х.2—0,0213)

[1]

 

 

Линия

'"'набл

' а 'вычисл

Линия

' а ' н а б л

'а 'вычисл

И н а б л "

' а 'вычисл

 

 

 

1 а 1вычисл

 

 

1Л6708

50,51

50,50

+0,01

Cd6438

55,04

55,05

—0,01

Zn6362

56,51

56,45

+0,06

Na5893

66,45

66,44

+0,01

Cu5782

69,10

69.16

—0,06

Hg5780

69,22

69,21

+0,01

Cu5700

71,24

71,30

-0,06

Hg5461

78,16

78,18

-0,02

Cu5218

86,21

86,25

-0,04

Cu5153

88,68

88,63

+0,05

Cu5106

90,46

90,44

+0,02

Cd5086

91,16

91,20

—0,04

Zn4811

103,07

103,03

+0,04

Сd4800

103,62

103,53

+0,09

Zn4722

107,38

107,33

+0,05

Zn4680

109,49

109,48

+0,01

Cd4678

109,69

109,58

+0,11

Fe4384

126,5

126,7

-0,2

Fe4376

127,2

127,2

0

Hg4358

128,49

129,37

+0,12

Fe4353

128,5

128,7

—0,2

Fe4337

129,8

129,8

0

Fe4315

130,7

131,3

-0,6

Fe4282

133,6

133,6

0

Fe4272

134,2

134,3

-0,1

Fe4261

134,9

135,1

-0,2

Fe4191

140,0

140,2

-0,2

Fe4144

144,2

143,9

+0,3

Fe3889

166,7

166,7

0

Fe3833

171,8

172,3

- 0,5

Fe3826

173,1

173,2

-0,1

 

 

Измерение

ДОВ и КД

 

 

149

3. Стандартные

величины

ДОВ и

КД.

Необходимо

проверить масштабы всех диапазонов

прибора

соответ­

ственно для Д О В и КД . На спектрополяриметре

модели

ORD/UV-5

К Д измеряется

в

единицах

эллиптичности

(диапазон

от 0,005

до 0,1°/см),

хотя

раньше величины

К Д

в ы р а ж а л и с ь

в

виде

разности

поглощений

(вся ш к а л а

в интер­

вале

0,002 ~

0,02

Д Д

с 4-диапа-

зонным

переключением) .

 

Стандартным

веществом

дл я

проверки

является

прежде

всего

сахароза. В табл . 1 приведены

удельные

вращения

[а]^

водных

растворов

сахарозы,

определен­

ные

Лоури [1]. В СШ А применя­

ется сахароза, имеющая констан-

Рис.

4.

Кривые ДОВ и

КД водного

раствора

(С =

0,1%) d-10-камфорсуль-

 

 

 

фокислоты.

 

 

 

I—КД,

2 — Д О В ; 1=1

см; масштаб

шкалы при

измерении Д О В : ± 0 , 5 °

на 10 см диаграммы; при

измерении

КД: ±0,0 1 ДО на 10 см диаграммы.

ты

согласно

 

Бюро

национальных стандартов [23].

Чтобы проверить масштабы всех диапазонов, которые регулируются с помощью микрометра, достаточно про­ верить шесть диапазонов (0,05°; 0,1°; 0,2°,- 0,5°; Г и 2°).

Например, чтобы

проверить диапазон Г , необходимо из­

мерить вращение

10%-ного водного раствора сахарозы в

кювете длиной 1 см. Если величина

вращения при 589 нм

составляет по ш к а л е +66,5 мм, то

цена делений ш к а л ы

является правильной.

 

 

 

Стандартным образцом дл я проверки эффектов

Кот­

тона

в ультрафиолетовой

области служит

водный

рас­

твор

продажной cf-10-камфорсульфокислоты

(Де291 = +2,2;

[9]291 = + 7 2 6 0 ° ) . Кривые

Д О В и К Д этого

стандартного

вещества приведены на рис. 4. Чтобы проверить цену де­ лений шкалы при измерении К Д на спектрополяриметре модели ORD/UV-5, имеющем приставку КД , применяют

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ