Polarimetrie
Optischer & Spezifischer Drehwinkel
Ein Polarimeter ist ein Gerät zur Bestimmung der Polarisationsrichtung des Lichts bzw. des Drehvermögens einer optisch aktiven Substanz. Bei der Messung der optischen Aktivität eines Stoffes ergibt sich als Messgröße der Drehwinkel – auch Drehung oder Drehwert genannt. Dabei wird zwischen dem optischen und dem spezifischen Drehwinkel unterschieden. Der optische Drehwinkel entspricht dem Messwert des Polarimeters, ohne spezifische physikalische Einflüsse zu berücksichtigen.
Der spezifische Drehwinkel hingegen berücksichtigt die Probenkonzentration und die Länge der Messröhre. Je höher die Probenkonzentration und länger die Messröhre desto stärker wirkt die optische Aktivität. Dadurch ergibt sich letztlich ein größerer spezifischer Drehwinkel. Mit Hilfe des spezifischen Drehwinkels kann die Probe und die Reinheit der Proben bestimmt werden.
Chiralität
Die bei der Polarimetrie ausgenutzte optische Aktivität tritt nur bei Stoffen auf, die chiral sind. Chirale Stoffe sind so aufgebaut, dass die Spiegelung der räumlichen Anordnung deren Molekülen durch eine Drehung niemals auf sich selbst abgebildet werden können. Die Chiralität kann anschaulich mit den eigenen zwei Händen beschrieben werden. Die linke Hand stellt den zu betrachtenden Stoff dar. Die rechte Hand entspricht der Spiegelung der räumlichen Anordnung. Durch eine beliebige Drehung ist es nicht möglich die zwei Hände deckungsgleich zu bringen. Viele chemische Verbindungen zeigen das gleiche Verhalten. Durch die fehlende Symmetrie besitzen diese chemischen Verbindungen eine optische Aktivität, diese kann mit dem Polarimeter gemessen werden.
Optische Aktivität
Die Fähigkeit eines Stoffes, die Schwingungsebene von linear polarisiertem Licht zu drehen, wird als optische Aktivität bezeichnet. Beispiele für optisch aktive Medien sind Zucker, Milchsäure und Quarz. Dabei wird unterschieden ob die Schwingungsebene im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn gedreht wird. Eine Drehung in Uhrzeigersinn wird als rechtsdrehend bezeichnet und mit einem positiven Vorzeichen (+) versehen. Eine Drehung gegen den Uhrzeigersinn wird als linksdrehend bezeichnet und mit einem negativen Vorzeichen (-) versehen. So zeigt z. B. Saccharose eine Drehung in Uhrzeigersinn, während Fructose eine Drehung gegen den Uhrzeigersinn zeigt.
Enantiomere
Auch für Enantiomere sind unsere zwei Hände beispielhaft: Beide Hände, obwohl sie nicht identisch sind, bestehen aus den gleichen Elementen (Hand und fünf Finger). Dies gilt ebenfalls für chemische Verbindungen, welche chiral sind. Chemische Verbindungen, die die gleichen Moleküle (Summenformel) und die gleichen Bindungen aufweisen, jedoch zueinander gespiegelt sind, werden Enantiomere genannt. Verschiedene Enantiomere eines Stoffes können deutlich unterschiedliche Eigenschaften haben. So kann ein Enantiomer eines Stoffes süß schmecken, während ein anderes bitter schmeckt. Oder ein Enantiomer kann ungefährlich sein, während ein anderes gesundheitsschädlich ist. Deshalb ist die Messung mit Polarimetern eine wichtige Analyse.
Wie funktioniert ein Polarimeter?
Wie messen Polarimeter?
Polarimeter messen die Veränderung der Polarisationsebene des linear polarisierten Lichtes nach der Wechselwirkung mit einer optisch aktiven (chiralen) Substanz. Die Wechselwirkung zeigt sich durch eine Rotation der Polarisationsrichtung der Lichtwelle. Diese Rotation, welche Drehwinkel genannt wird, wird mit Hilfe eines Polarimeters gemessen. Dadurch können Informationen über die Molekülstruktur, die Reinheit und Konzentration einer optisch aktiven Substanz ermittelt werden.
Beispiel: Da Saccharose einen Drehwinkel in Uhrzeigersinn aufweist und Fructose einen Drehwinkel gegen den Uhrzeigersinn, ist es möglich diese Zucker voneinander zu unterscheiden.
Was beeinflusst die Polarimeter-Messung?
Die optische Aktivität – und damit der ermittelte Messwert – wird ebenfalls durch die Temperatur, die Wellenlänge des Lichts und die Länge des optischen Weges beeinflusst. Die Länge des optischen Wegs wird durch die Länge der genutzten Polarimeterröhre bestimmt. Dabei gilt, dass ein längerer optischer Weg einen größeren Drehwinkel zur Folge hat. Auch mit steigender Konzentration wird der Drehwinkel größer. Bei Temperatur und Wellenlänge ist es abhängig von dem zu untersuchenden Stoff, ob durch Erhöhung dieser Größen ein größerer oder kleinerer Drehwinkel gemessen wird.
Beispiel: Während der Drehwinkel bei Saccharose mit steigender Temperatur sinkt, steigt dieser bei Quarz mit steigender Temperatur.
Aufklappen & sehen wie Polarimeter messen
Polarisationsfilter und die Schwingungsebene von Licht
Licht, wie es uns umgibt, ist unpolarisiert. Das bedeutet, jede Lichtwelle schwingt zufällig in eine Raumrichtung. Um unpolarisiertes Licht in polarisiertes Licht zu verwandeln, werden Polarisationsfilter eingesetzt. So auch im Polarimeter.
Ein Polarisationsfilter lässt nur Licht in einer bestimmten Polarisationsrichtung durch und er unterdrückt das Licht anderer Polarisationsrichtungen. Licht, welches durch einen Polarisationsfilter gewandert ist, wird polarisiert genannt.
Bewegt sich polarisiertes Licht durch einen zweiten Filter, der parallel zum ersten Filter aufgestellt ist, bleibt die Schwingungsebene erhalten und Licht gelangt auf den Bildschirm. Wird der zweite Filter um 90° gedreht, unterdrückt er den polarisierten Lichtstrahl, der dahinterliegende Bildschirm bleibt dunkel.
Aufbau des Polarimeters
Ein Polarimeter misst die Richtung und das Ausmaß der Drehung der Polarisationsebene. Das Messgerät bildet die Gesamtheit aus Lichtquelle, Polarisator, Polarimeterröhre, Analysator und Detektor.
Wird zwischen zwei parallele Polarisationsfilter eine Röhre ohne optisch aktive Substanz platziert, bleibt die Schwingungsebene erhalten. Licht wird am Ende auf dem Schirm sichtbar. Erst wenn die Röhre mit einer optisch aktiven Substanz befüllt wird, wie beispielsweise eine Lösung aus Kristallzucker, wird eine Veränderung sichtbar…
…jetzt ist das Licht am hinteren Schirm deutlich schwächer sichtbar, weil die Schwingungsebene des Lichtes verändert wurde. Eine optisch aktive Substanz (Zuckerlösung), wie im Beispiel dargestellt, hat die Polarisationsrichtung gedreht.
Bedeutung für die Pharmaindustrie – Einsatz Polarimeter
Viele wichtige pharmakologische Wirkstoffe sind aufgrund ihrer Chiralität optisch aktiv und liegen als Enantiomere vor. Enantiomere unterscheiden sich meist kaum in ihren physikalischen Eigenschaften wie Dichte oder Brechungsindex. Sie sind auf diesem Wege selbst über HPLC (Flüssigchromatographie-Verfahren) kaum unterscheidbar und zu trennen. Umso bedeutsamer sind die oft großen Unterschiede in ihrer Reaktionsfähigkeit mit Enzymen sowie die sensorischen Eigenschaften wie Geruch und Geschmack. So werden die Enantiomere von Limonen durch einen Orangen- bzw. Zitronenduft wahrgenommen. Racemische Mischungen (Gemisch aus gleichen Mengen zweier Enantiomerer) haben oft sehr unterschiedliche Eigenschaften in Bezug auf ihre physiologische Aktivität, ihren Wirkungsmechanismus, ihre Toxizität und Nebenwirkungen.
Beispiel: Die Substanz Thalidomid – im Schlafmittel Contergan lag sie als Racemat (Enantiomerenverhältnis 1:1) vor. Ein Enantiomer wirkte teratogen, das bedeutet, eingenommen führte es beim Embryo zu Fehlbildungen. Das tragische Vorkommnis um die Contergan-Herstellung veranlasste in vielen Ländern die Einführung gesetzlicher Richtlinien, die während der Entwicklung chiraler Arzneimittel eingehalten werden müssen.
Normen und Richtlinien
Analytische Messung nach Normen & internationalen Standards
Mit einem Polarimeter können Sie charakteristische Eigenschaften von Substanzen bestimmen, ohne diese chemisch zu verändern oder zu zerstören. Besonders bei sensiblen und hochregulierten Anwendungen werden Polarimeter nach normativen Vorgaben eingesetzt. Die Messgeräte müssen Industriestandards entsprechen (z. B. GMP, GAMP 5) oder normativ geforderte Funktionen bieten, z. B. gemäß 21 CFR Part 11 (z. B. Audit Trail).
Normen in der Polarimetrie regeln unter dem Aspekt „best practice“ die Umgebungsbedingungen und Probenvorbereitung wie auch Messtoleranzen, Eigenschaften und Ausstattung eines Gerätes oder Kalibriermittels. Wer Polarimeter nach normativen Vorgaben einsetzt, kann gewährleisten, dass Messungen korrekt und nach reproduzierbar ablaufenden Verfahren arbeiten.
Nachfolgend eine Übersicht aller uns bekannter Normen und Richtlinien, in denen auf Polarimetrie verwiesen wird. Anmerkung: Dies ist eine kurze Gesamtübersicht als Überblick. Welche Vorgaben die unterschiedlichen Polarimeter-Modelle von A.KRÜSS erfüllen, können wir gerne in einer persönlichen Beratung besprechen. Kontaktieren Sie uns gern.
Proben und Messwerte
Proben und ihr spezifischer Drehwinkel
Polarimeter sind in vielen Analytik-Bereichen moderne, hoch selektive und vor allem schnelle Messgeräte. Polarimeter messen den Drehwinkel optisch aktiver Substanzen in Flüssigkeiten. Ihre Messergebnisse dienen der Qualitätskontrolle bei der Herstellung von Arzneiwirkstoffen sowie der Identitätsprüfung chiraler Substanzen im Warenein- und Ausgangslabor. In der Lebensmittel-, Stärke- oder Zuckerindustrie werden sie für die Konzentrations- und Reinheitsprüfungen eingesetzt. Jede Branche hat eigene Bedürfnisse und Anforderungen an diese Form der Messtechnik, denen wir durch eine breite Palette unterschiedlicher Modelle und Messröhren gerecht werden.
Welche Substanzen lassen sich messen?
Im Folgenden finden Sie eine umfangreiche Übersicht an Proben und deren spezifischen Drehwinkeln. Die meisten Ergebnisse gelten für Standard Messbedingungen (T=20 °C und λ = 589 nm). Abweichungen sind angegeben.
Anmerkung: Diese Übersicht dient als Überblick. Welche Polarimeter-Modelle für Ihre Messanforderungen am besten geeignet sind, können wir gerne in einer persönlichen Beratung besprechen. Kontaktieren Sie uns gern.
Typische Anwendungsbereiche
Polarimeter Analysegeräte für eine breite Anwendungspalette
Polarimetrie ist eine der wichtigsten Methoden der Qualitätskontrolle in der Pharma-, chemischen, Kosmetik-, Lebensmittel- und Getränkeindustrie. Mit der Analyse optisch aktiver Substanzen lassen sich anhand des Drehwinkels die Identität und Qualität von Stoffen sowie ihre Konzentration in Mischungen feststellen. Ebenso können Polarimeter den Fortschritt von Reaktionen und Stoffumsätzen anzeigen.
Die Pharmaindustrie setzt die Messgeräte ein, um einwandfreie Enantiometer-Trennung sicherzustellen, die Konzentration von optisch aktiven Substanzen zu bestimmen oder die Zusammenhänge zwischen toxischen und pharmakologischen Eigenschaften zu analysieren.
In der Herstellung von Nahrungsmitteln überprüfen Polarimeter die Reinheit der Rohstoffe oder sie geben Aufschluss über die Produktqualitäten. Das Anwendungsspektrum der Messgeräte ist groß.
Zur Information: Nachfolgend eine Übersicht zu typischen Anwendungsgebieten, untersuchten Substanzen, zugehörigen Normen und den von uns empfohlenen Polarimetern.
Innovation P9000-Modell
Um den höchsten Anforderungen zu entsprechen haben wir das Polarimeter der P9000-Serie entwickelt. Es ist ein verbessertes High-Tech-Messinstrument mit vielen neuen Funktionen. Die P9000-Serie garantiert Messungen mit höchster Präzision und liefert Ihnen zuverlässig sichere Daten innerhalb kürzester Zeit.
Polarimeter neu gedacht
- Neuartige Küvettengeometrie für mehr Komfort. Die neue Küvette ermöglicht schnellste Temperierung sowie Gleichverteilung der Temperatur über den Küvettenquerschnitt. Höchster Bedienkomfort bei der Befüllung und Reinigung ist garantiert. Die Küvette wird automatisch mittels RFID-Technologie erkannt.
- Die vom Benutzer gewählte Messtemperatur wird selbstständig vom System eingestellt. Hochgenaue Peltier-Elemente regulieren und halten die vorgegebene Temperatur.
- Eine spezielle Kontrollfunktion überwacht die Temperierung durchgehend mit zwei Temperatursensoren. Erst wenn Temperierung, Kontrollfunktion und Temperaturstabilisierung eine exakt stabile Temperatur zeigen, öffnet sich die Kontrollfunktion und die Messung beginnt. Die Messbereitschaft wird durch einen LED-Signal angezeigt.
- Optionale Erweiterung auf bis zu acht unterschiedliche Wellenlängen ist möglich.
How to Use
Je nach Anwendung bieten wir verschiedene Polarimeter Lösungen an. Neben unseren neuen Modellen entscheiden sich viele auch für die bewährten Polarimeter der P8000-Serie. Es sind die schnellsten Polarimeter der Welt und sie besitzen Konformität mit globalen Standards und Normen (21-CFR Part 11). Das mehrheitlich zu Ausbildungszwecken genutzte P1000-LED misst die optische Rotation nach dem Halbschattenprinzip. Eine wirtschaftliche Lösung ist das P3000-Modell: Es wird eingesetzt, wenn eine Messgenauigkeit von ±0,01° ausreicht. Mit den PTB-zertifizierten Quarzkontrollplatten (OIML-, ICUMSA- und Pharmakopöen konform) ist die Kalibrierung und Justierung präzise und einfach durchführbar.
