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Wie funktioniert eigentlich ein Polarimeter?

Physikalische Grundlage

Elektromagnetische Wellen, einschließlich Licht, haben eine ausgeprägte Polarisationsebene, die durch das Niveau der elektrischen Feldkomponenten definiert ist. Natürliches „unpolarisiertes“ Licht besteht aus der Überlagerung einer Vielzahl von einzelnen Wellen unterschiedlicher Polarisation. Wellen einer bestimmten Polarisationsebene können nur durch bestimmte physikalische Effekte wie die Reflexion auf einer nichtmetallischen Oberfläche herausgefiltert werden. Einige Insekten sind in der Lage, polarisiertes Licht wahrzunehmen und können daher beispielsweise durch Wasserflächen hindurchsehen. Menschen müssen physikalische Instrumente verwenden, um Polarisationseffekte zu beobachten.

Die technische Anordnung

Schema Messprinzip Polarimetrie

Schema Messprinzip Polarimetrie

Diese Polarisierung erreicht man durch ein sehr engmaschiges Gitter, einen Polarisationsfilter. Dieser filtert alle Wellen aus dem normalen Licht heraus, die nicht in dem Winkel geneigt sind wie das Gitter auf dem Filter. Leitet man das Licht nun auf ein zweites Gitter, das exakt um 90° zu dem ersten Gitter gedreht ist, fällt kein Licht auf den dahinter befindlichen Detektor bzw. das menschliche Auge.

Platziert man zwischen die beiden Filter eine optisch aktive Substanz, kommt wieder Licht durch den zweiten Filter, da die Polarisationsebene durch die Substanz gedreht wird. Je nach Geräteausführung wird der zweite Filter nun solange gedreht (manuell oder automatisch) bis erneut kein Licht auf den Detektor fällt. So läßt sich der Drehwinkel bestimmen.
Aus dieser technischen Anordnung erklären sich die Begriffe „optische Rotation“, „Drehwinkel“, so wie die bereits in den allgemeinen Sprachgebrauch übergegangenen Ausdrücke „rechts- und linksdrehend“.

Was kann man damit messen?

Die letzten beiden Begriffe beschreiben das Verhalten der oben beschriebenen Welle beim Durchtritt durch eine optisch aktive Substanz. In Abhängigkeit von der Molekülstruktur der Substanz wird die Welle in ihrer Neigungsrichtung nach rechts oder links beeinflusst. Um diese Veränderung zu messen, muss man den zweiten Filter gegen den Uhrzeigersinn drehen (bei linksdrehenden Substanzen) bzw. mit dem Uhrzeigersinn (bei rechtsdrehenden Substanzen).

Typische Substanzen hierfür sind Zucker, Milchsäure, Weinsäure, aber auch viele biologisch aktive Substanzen.
Optisch aktiv sind chirale Substanzen, deren Moleküle verschiedene räumliche Anordnungen einnehmen können, die nicht durch Drehung in Deckung gebracht werden können. Es handelt sich also um eine Form der Konfigurations-Isomerie. Die verschiedenen Moleküle der Substanz werden als Enantiomere bezeichnet.

Die verschiedenen Enantiomere der gleichen Substanz haben unterschiedliche pharmakologische Wirkungen und müssen daher in der pharmazeutischen Produktion getrennt werden. Die Reinheit des Reaktionsproduktes kann sehr gut polarimetrisch bestimmt werden.

Polarimeter Illustration Milchsäuren RS

Als Beispiel für ein solches Molekül hier die beiden Enantiomere der Milchsäure:

Das chirale Zentrum der Milchsäure ist das mittlere Kohlenstoffatom. Da die beiden Enatiomere unterschiedliche Drehwinkel haben, gibt Polarimetrie also Aufschluss über die Molekülstruktur.

Was beeinflusst die Messung?

Zusätzlich zu den Substanzeigenschaften haben auch die folgenden Faktoren einen Einfluss auf die Stärke der optischen Aktivität:

  • die Temperatur
  • die Wellenlänge des Lichts
  • die Konzentration der Substanz
  • das Lösungsmittel

Außerdem gilt: Je länger die Wegstrecke des Lichts durch eine optisch aktive Substanz ist, desto größer ist der Drehwinkel.

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