Определение концентрации и удельного вращения растворов сахаров при помощи универсального сахариметра

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ

И УДЕЛЬНОГО ВРАЩЕНИЯ РАСТВОРОВ САХАРОВ

ПРИ ПОМОЩИ УНИВЕРСАЛЬНОГО САХАРИМЕТРА

Содержание лабораторной работы

Одной из методик, применяемых в клинических лабораториях для определения концентрации сахара в прозрачных биологических средах (например, в моче), является сахариметрия. Она представляет собой разновидность метода поляриметрии, который основан на определении оптической активности веществ, то есть на измерении угла поворота плоскости колебаний поляризованного света при его прохождении через оптически активные среды (вещества). К оптически активным средам относятся кварц, различные масла и многие биологически важные соединения (сахара, аминокислоты, белки и т. д.)

Среди оптически активных веществ встречаются D - и L –изомеры. Первые из них вращают плоскость колебаний поляризованного света вправо, а вторые-влево. Направление этого вращения определяется по отношению к наблюдателю, который смотрит навстречу лучу: если поворот плоскости колебаний линейно поляризованного света происходит по часовой стрелке, то вызвавшее его оптически активное вещество является правовращающим; левовращающие вещества поворачивают эту плоскость в противоположном направлении. Следует отметить, что в метаболических процессах, протекающих в организме человека и животных, участвуют только D-сахара и L-аминокислоты.

При постоянной толщине слоя ( l ) оптически активного вещества, находящегося на пути поляризованного света, угол поворота плоскости колебаний (φ) прямо пропорционален концентрации (С) этого вещества в растворе: j = Символом [a0] в формуле обозначено так называемое

удельное вращение оптически активного вещества. Эта физическая величина численно равна стократному углу поворота плоскости колебаний линейно поляризованного света 1% раствором оптически активного вещества толщиной 1 дм, Размерность удельного вращения: град ∙ см3 ∙ г-1 ∙ дм-1.

Удельное вращение зависит, прежде всего, от природы вещества (от особенностей его молекулярной структуры), а также от температуры раствора и длины волны поляризованного света. Так, при пропускании через раствор D-глюкозы, имеющий температуру 20˚C, желтого света (λ=589,4 нм) стократный угол поворота плоскости колебаний этим веществом (при толщине его слоя 1 дм) составляет 52,8 град. В тех же условиях у L− глюкозы [αо]=–51,4 градּсм3ּг-1ּдм-1. Следовательно, стереоизомеры глюкозы различаются не только противоположным направлением вращения плоскости колебаний, но и различной величиной удельного вращения: [αо]D ≠ [αо]L.

Оптическая схема простейшего сахариметра (поляриметра) представлена на рис.1. Она включает кварцевую пластинку, благодаря чему сахариметр относится к группе полутеневых поляриметров. В таких приборах измерение сводится к визуальному уравниванию яркостей различных частей поля зрения и последующему считыванию показаний по шкале вращений, снабженной нониусом (вспомогательной шкалой, при помощи которой отсчитываются доли делений основной шкалы поляриметра). Такая визуальная регистрация, основанная на способности человека хорошо различать световой контраст, обладает довольно высокой чувствительностью, вполне достаточной для медицинских целей.

Согласно оптической схемы поляриметра световой поток, идущий от источника света (Л) через светофильтр (СФ) и объектив (Об) проходит через поляризатор (П), который преобразует его в поляризованный поток света. Затем поток света проходит через полутеневую пластинку (К), разделяющую его на две половины линией раздела. Анализатор пропускает равные по яркости обе половины светового потока и в поле зрения зрительной трубы, состоящей из объектива (О') и окуляра (Ок), установленные после анализатора, наблюдаются две одинаковые половины поля, разделенные тонкой линией и называемые полями сравнения. При установки кюветы (трубки ) с раствором сахара ( Т ) между поляризатором и анализатором нарушается равенство яркостей полей сравнения, так как исследуемый раствор поворачивает плоскость поляризации на угол, пропорциональный концентрации раствора.

В современных сахариметрах ( например в СУ-4 ) для уравнивания яркостей полей сравнения применяется клиновый кварцевый компенсатор, состоящий из подвижного кварцевого клина левого вращения и неподвижного контрклина правого вращения. Перемещением подвижного клина относительно контрклина устанавливают такую суммарную толщину клинов по оптической оси, при которой компенсируется угол поворота плоскости поляризации раствора. При этом происходит уравнивание яркостей полей сравнения. Одновременно, так как подвижный клин связан с измерительной шкалой, перемещается и измерительная шкала. По нулевому делению нониуса фиксируют значение шкалы, соответствующее состоянию одинаковой (минимальной) яркости полей сравнения. На рис.2а) показано расположение измерительной шкалы ( внизу ) и нониуса ( наверху ), которое соответствует установке прибора на “нуль”, т. е. значение так называемого нулевого угла ( φ0 ) равно 0. Деление нониуса совмещено с нулевым делением шкалы, а последнее “сотое” деление нониуса точно совпадает с определенным делением нижней шкалы.

В сахариметре СУ-4 для измерения угла поворота плоскости поляризации света применена международная сахарная шкала (0S ). Одно деление сахарной шкале ( 10S ) равно 0,3460 угловым ( в градусах ) т. е.: 1000S=34,60. Одно деление нониуса соответсвует 0,050S. На рис.2.б) показано положение нониуса и шкалы, соответствующее отсчету “+ 11,850S ” (нуль нониуса расположен правее нуля шкалы на 11 полных делений и в правой части с одним из делений шкалы совмещается его семнадцатое деление, соответствующее значению 0,850S по нониусу). Следовательно угол поворота плоскости поляризации света в угловых единицах ( в градусах ) равен: φ=11,85· 0,346=4,100.

Лабораторная работа состоит из двух частей. В первой из них измеряется концентрация раствора D-глюкозы, а во второй - определяется удельное вращение D-сахарозы.

Порядок выполнения лабораторной работы

Перед выполнением лабораторной работы прибор настраивается и регулируется лаборантом или преподавателем с целью установки его на ноль. Для установки прибора на ноль (нулевой угол φ0=0) используется специальный механизм установки нониуса с помощью юстировочного ключа. Если нулевой угол φ0 не равен 0 необходимо это учитывать при измерении угла поворота плоскости поляризации света.

І часть. Измерение концентрации раствора D- глюкозы.

1.  Включить прибор (осветительное устройство). Получить отчетливое изображение (путем регулирования окуляра зрительной трубы) вертикальной линии раздела полей cравнения. Установить лупу на максимальную резкость изображения штрихов и цифр измерительной шкалы и нониуса. Проверить установку прибора на ноль: кюветное отделение закрыто и в нем отсутствует трубка с раствором сахара; измерительная шкала и нониус с помощью рукоятки клинового компенсатора установлены как на рис.2а; поля сравнения имеют одинаковую (минимальную) яркость.

2.  Определить угол поворота плоскости колебаний поляризованного света раствором D - глюкозы- φгл. Измерения произвести в такой последовательности:

а) поместить в сахариметр трубку с раствором D - глюкозы ( как можно ближе к окуляру ) в кюветное отделение и закрыть ее;

б) уравнять минимальную яркость полей сравнения вращением рукоятки клинового компенcатора;

в) произвести отсчет показаний по измерительной шкале и нониусу с точностью до 0,050S;

г) “сбить” положение рукоятки клинового компенсатора и снова уравнять яркости полей сравнения и произвести новый отсчет угла по шкале и нониусу. Операцию измерения повторить не менее 3-5 раз и результаты занести в таблицу 1;

д) извлечь из сахариметра трубку с раствором глюкозы.

Таблица 1.

Таблица для записи результатов измерений концентрации D- глюкозы.

№ n/n	φгл (сах. ед.)	φгл(град.)	l(дм)	[αо]гл	Сгл	Сгл ι-Cгл ср
1 2 3
Среднее значение	φгл ср=	φгл ср=	_______	_______	Сгл ср=

II часть. Определение удельного вращения D- сахарозы.

1.  Поместить в кюветное отделение прибора трубку с раствором D - сахарозы. Концентрация раствора указана на рабочем месте.

2.  Измерить угол поворота плоскости поляризации света-φсах так, как это описано в первой части для глюкозы. Измеренные значения угла (3-5 раз) занести в таблицу 2.

Таблица 2.

Таблица для записи результатов определения удельного вращения D - сахарозы.

№ n/n	φсах.(сах. ед.)	φсах.(град.)	l(дм)	Ссах.(%)	[αo]сах
1 2 3
Среднее значение	φсах. ср.=	φсах. ср.=	_______	_______	[αo]сах. ср.=

На рабочем месте заданы длина трубки (в дм) и концентрация D- сахарозы

(в %).

Обработка результатов измерений.

I часть.

1.  По результатам измерений угла φгл (град.) вычислить 3-5 значений концентраций D- глюкозы по формуле:

Сгл.= (%),

где: l(дм)- длина трубки с раствором глюкозы, [αo]гл-удельное вращение D- глюкозы.

Определить среднее значение концентрации глюкозы:

Сгл= (%), где: n- число измерений.

2.  Вычислить абсолютную ошибку опыта по формуле:

∆Сгл. ср.= (%).

В формуле каждая разность Сгл i-Сгл ср берется по абсолютной величине ( со знаком “+” ).

3.  Определить относительную ошибку опыта:

ּ100 (%)

4.  Окончательный результат записать в виде:

Сгл = Сгл. ср. Сгл. ср. (%).

II часть.

1. По результатам измерений угла поворота плоскости поляризации света раствором D- сахарозы φсах(град) вычисляем 3-5 значений удельного вращения [ αo]сах по формуле: , где: l(дм)-длина трубки с раствором сахарозы, Ссах.- концентрация сахарозы ( в % ).

2. Определить среднее значение удельного вращения D - сахарозы:

.

где: n-число измерений.

Отчет по лабораторной работе должен содержать:

1.  Таблицы результатов измерений и расчетов, заполненные в ходе проведения лабораторной работы;

2.  Расчеты искомых величин и погрешностей;

3.  Заключение, в котором следует привести окончательные результаты измерений и расчетов Сгл. и [αo]сах., записанные согласно принятым правилам, а также сделать вывод о различии удельных вращений для глюкозы и сахарозы.