„POLARIMETR“ – EXPERIMENT PRO VÝUKU

Význam tématu

Optická aktivita patří mezi základní analytické techniky využívané k jednoznačnému stanovení koncentrace chirálních sloučenin, především sacharidů, ve vodných roztocích. Polarimetrie, založená na měření otočení roviny lineárně polarizovaného světla opticky aktivními látkami, nachází uplatnění v potravinářství, farmaceutickém průmyslu i vzdělávání. Ukázka levného „domácího“ polarimetru využívajícího běžně dostupný chytrý telefon zdůrazňuje možnosti moderního polytechnického vzdělávání, kdy studenti sami sestavují a kalibrují přístroj a zároveň poznávají principy polarimetrie.

Cíle a přehled studie

Hlavním účelem článku je představit postup výroby nízkonákladového polarimetru, který měří intenzitu osvětlení procházejícího skrz roztok opticky aktivní látky místo přímého měření úhlu otočení. Autoři demonstrují:

• konstrukci polarimetrické kyvety z plastových desek, plexiskla a polarizačních fólií,
• využití LED diody jako zdroje monochromatického světla,
• aplikaci chytrého telefonu (Lenovo K6) se senzorem intenzity osvětlení a aplikací Lux Light Meter & Tools – Photometer PRO,
• měření kalibrační řady roztoků sacharosy a ověření funkčnosti přístroje na reálných nápojích.

Použitá metodika a instrumentace

Metoda spočívá ve sestrojení polarimetrické kyvety, do níž se vkládá roztok sacharosy. Průchod světla z LED diody skrz první polarizační filtr, roztok a druhý polarizační filtr vede ke změně intenzity světla zachycené senzorem chytrého telefonu. Klíčové komponenty:

• chytrý telefon Lenovo K6 s aplikací Lux Light Meter & Tools – Photometer PRO (Android 7.0+, měření v luxech),
• LED dioda 5 mm, jantarově žlutá (emisní maximum ~590 nm), napájená z 2× AA baterií,
• polarizační fólie (10×10 cm lineární polarizace),
• materiály pro kyvetu: černá PVC deska, průhledné plexisklo 2 mm, vteřinové lepidlo, gumová zátka pro plnění,
• držač telefonu na přísavku pro fixaci kyvety nad senzorem,
• jednoduché krokosvorky a napájecí konektor.

Hlavní výsledky a diskuse

Pomocí navrženého přístroje byla změřena kalibrační řada sacharosy v rozmezí 0–250 g l–1. Výsledná závislost intenzity osvětlení na koncentraci vykázala lineární charakter s relativní směrodatnou odchylkou až do 10 %. Dva kontrolní vzorky (120 a 180 g l–1) potvrdily spolehlivost měření s odchylkou pod 5 % vůči vypočtené hodnotě. Aplikace na reálných nápojích (neslazená minerálka, ochucená minerálka, tonic) prokázala schopnost přístroje orientačně stanovit obsah cukru (57 a 79 g l–1 oproti deklarovaným 48 a 86 g l–1). Rozdíly lze připsat odlišné složení vzorků, nedokonalé kalibraci senzoru a individuálním vlastnostem sestaveného přístroje.

Přínosy a praktické využití metody

Levný domácí polarimetr nabízí:

• praktickou ukázku principu polarimetrie a optické aktivity,
• možnost polytechnické výuky, při níž studenti sami zlepšují své technické dovednosti,
• orientační stanovení obsahu sacharosy v potravinářských vzorcích za cenu pětinásobku a méně komerčních instrumentů,
• motivaci k dalšímu zdokonalování měřicího zařízení i softwarového zpracování dat.

Budoucí trendy a možnosti využití

Další rozvoj může směřovat k:

• vylepšení reprodukovatelnosti kalibrace integrací standardního zdroje intenzity,
• rozšíření metodiky na jiné opticky aktivní látky a biochemické substráty,
• využití otevřeného softwaru (Phyphox, Vieyra Software) pro automatizované zpracování dat a export CSV,
• napojení na on-line platformy pro sdílení protokolů a vzájemné srovnání výsledků mezi školami.

Závěr

Navržený levný polarimetr využívající chytrý telefon a jednoduché materiály je vhodným nástrojem pro demonstraci polarimetrie ve školní praxi. Přístroj umožňuje kvantitativní stanovení sacharosy s dostatečnou přesností pro výukové a orientační účely. Zapojení studentů do výroby a kalibrace stimuluje jejich zájem o analytickou chemii a technické dovednosti.

Reference

• Grasse E. K., Torcasio M. H., Smith A. W. Journal of Chemical Education 93(1), 146 (2016)
• Burggraaff O. et al. Micro-and Nanotechnology Sensors, Systems, and Applications XII 11389, 84 (2020)
• Kvittingen L. Journal of Chemical Education 97, 2196 (2020)
• Bernard P., Mendez J. D. Journal of Chemical Education 97(4), 1162 (2020)
• Lach M. Stanovení obsahu cukru v nápojích pomocí mobilního polarimetru [online]