8o Congresso Brasileiro de Metrologia, Bento Gonçalves/RS, 2015 1

Montagem de um sistema para medição da rotação óptica em líquidos

Assembling a system for measurement of optical rotation in liquids

L P Souza, A D Alvarenga1

Divisão de Metrologia Óptica, Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia

E-mail: 1adalvarenga @inmetro.gov.br

Resumo: Apresentamos um projeto de expansão do polarímetro de alta resolução montado na Divisão de Metrologia Óptica do Inmetro para a aplicação em medições da rotação óptica em líquidos quirais.

Palavras-chave: automação, líquidos quirais, sacarose, polarímetro

Abstract: Here a project for the expansion of the Optical Metrology Division high resolution polarimeter is presented aiming measurements of the optical rotation in chiral liquids.

Keywords: automation, chiral liquids, saccharose, polarimeter

1. INTRODUÇÃO

A necessidade de superação de barreiras técnicas impostas pelos países importadores dos derivados de cana-de-açúcar exigiu a modernização da indústria sucroalcooleira brasileira através da adoção de métodos internacionalmente aceitos de análise de açúcar desenvolvidos pela Comissão Internacional de Uniformização de Métodos de Análise do Açúcar (ICUMSA) e das recomendações da Organização Internacional de Metrologia Legal (OIML). Isto porque o preço e a classificação do açúcar estão diretamente relacionados, através de fórmulas, a quantidades fisico-químicas mensuradas em amostras de caldo de cana ou de solução de açúcar [1]. Um dos fatores principais que compõe a fórmula dos preços é a POL, que está relacionada à concentração de moléculas de sacarose presentes nas amostras.

A medição da POL é feita em sacarímetros, que são polarímetros utilizados nas indústrias sucroalcooleiras. A Divisão de Metrologia Óptica do Inmetro (Diopt), em colaboração com o PTB, o instituto nacional de metrologia da Alemanha desenvolveu a montagem de um polarímetro de alta resolução [2, 3] para a realização do serviço de calibração de placas de controle de quartzo, que são padrões de transferência para a calibração dos sacarímetros e polarímetros, seguindo a norma da ICUMSA-SPS-1 [4] e a recomendação R14 da OIML [5] e, dessa forma, prover a rastreabilidade das medições nesses instrumentos.

Este polarímetro foi construído especialmente para a medição de padrões sólidos e será ampliado para possibilitar a medição de rotação óptica com grande resolução em substâncias líquidas.

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2. O MÉTODO POLARIMÉTRICO

No método polarimétrico emprega-se a radiação linearmente polarizada para incidir numa substância e medir o ângulo de rotação do plano de polarização que essa radiação sofreu após a interação. Se a substância sólida, líquida ou vapor, causar essa rotação, então é uma substância chamada quiral. Essa rotação medida pode ser relacionada à concentração de moléculas da substância numa solução, por exemplo, de sacarose em uma solução de água e açúcar, ou à sua estrutura, como no mineral quartzo cristalino [6−8]. A propriedade rotação óptica também é importante para o estudo de muitos compostos farmacêuticos [9, 10] e também utilizados nas indústrias de optoeletrônicos, como os cristais líquidos [11].

Existem vários tipos de instrumentos e métodos para medir a rotação óptica de substâncias, dependendo de sua aplicação, da exatidão requerida e do ângulo de rotação a ser medido [12–15]. O polarímetro da Diopt emprega o método do polarizador girante e radiação de um lase de He-Ne estabilizado, conforme descrito detalhadamente em [16]. A ampliação do polarímetro visa montar um sistema para a medição de líquidos quirais e espera-se alcançar uma exatidão compatível com a de calibração dos padrões de quartzo.

O ângulo de rotação do plano de polarização apresenta dependência com o comprimento de onda da radiação incidente, isto é, o ângulo medido será diferente se for medido com uma luz verde ou com uma luz vermelha. Também depende da temperatura na substância, por isso precisa ser bem controlada. Finalmente, depende do número de moléculas de substância no caminho da luz, o que relaciona este ângulo medido à concentração da substância em solução líquida, ou à espessura, como no caso do cristal de quartzo ao longo da direção cristalográfica de seu eixo óptico.

3. TESTES NO PRIMEIRO PROTÓTIPO

3.1. Protótipo do porta-amostra

Para a medição da rotação óptica em líquidos é necessária a construção de um compartimento especial para os recipientes contendo líquidos, o qual deverá ser termalizado a fim de manter a temperatura dentro da faixa recomendada pelas normas [4, 5]. O protótipo é uma montagem para a utilização de cubetas de vidro, as quais já são amplamente utilizads em espectrofotômetros para a medição de líquidos. Foi montado um dedo frio: uma peça de latão termalizada penho banho circulante e em contacto com a cubeta do lado de fora da câmara A. Foi montado um isolamento espesso em volta do conjunto. A peça possui um orifício para a introdução de um sensor de temperatura. O início da montagem está mostrado na figura 1a e 1b e, na figura 2, o sistema montado na câmara A do polarímetro.

Figura 1. (a) vista superior da cubeta em contacto com a peça de latão e em (b) com vista da cubeta.

Figura 2. Protótipo montado na câmara A com os sensores de temperatura posicionados.

a   b  

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3.2 Medições no protótipo

Todo o sistema do polarímetro de referência da Diopt é automatizado. Entre as várias linguagens de programação mais atuais [17], foi escolhida a plataforma LabView para a automação do polarímetro, devido à facilidade para combinar várias tarefas num só programa [18]. As medições de rotação óptica foram realizadas no novo programa desenvolvido, o CalPol-Fixo.vi.

O primeiro estudo realizado foi a estabilidade das temperaturas no sistema. No polarímetro já estão 3 termistores calibrados: PK007 dentro da câmara B (que contém um padrão de quartzo), PK015 dentro da câmara A, e LC210 no ar (próximo à saída da câmara A, onde está a cubeta). Foram instalados o PK019 no orifício da peça de latão e LC213 dentro da cubeta (fig.1a). O polarímetro todo é isolado por placas de SF6, e o banho circulante foi deixado funcionando ininterruptamente por 10 dias enquanto as temperaturas dos 5 sensores foi registrada. A temperatura na sala é mantida em torno de 20 °C pelo sistema de refrigeração ambiente central. A figura 3 mostra as temperaturas ao longo de 3 h. A peça de latão ficou na mesma temperatura do banho (linhas azul e vermelha) em torno de 20,083 °C, atestando a boa aplicação do princípio do dedo-frio neste sistema. A temperatura no ar dentro da cubeta (linha verde) ficou em torno de 20,085 °C, sendo praticamente 0,002 °C de gradiente, o que indica que o sistema está funcionando bem para termalizar a cubeta. A temperatura no ar ambiente dentro do polarímetro (linha rosa) ficou dentro do estabelecido pelas normas [4, 5].

O segundo estudo foi medir a rotação óptica do sistema vazio (somente ar) e com a cubeta vazia, para conhecer o limite de detecção, ou seja, qual o menor valor possível de ser medido. Cada conjunto de medição com CalPol-Fixo.vi faz 6 repetições do padrão de quartzo IP884 dentro da câmara B e 6 repetições de medidas na câmara A.

Figura 3. Monitoramento da temperatura.

Com o protótipo montado e a cubeta vazia, o valor de rotação óptica foi (0,00018 ± 0,00034) °; removendo o protótipo, foi (0,00012 ± 0,00011) °. Os valores encontrados mostram que a cubeta é de ótima qualidade, pois não apresenta rotação óptica, sendo praticamente o valor do ar (que não apresenta rotação óptica). Valores de rotação óptica menores do que estes não conseguirão ser resolvidos neste sistema. Os próximos passos serão medidas com líquidos quirais em temperaturas controladas.

4. CONCLUSÃO

Neste artigo foi apresentada a proposta para a expansão do polarímetro de alta resolução montado na Diopt, que possibilitará a medição da rotação óptica em líquidos quirais com grande exatidão. Apresentamos a montgem de num primeiro protótipo e a realização de testes de estabilização da temperatura e estabelecimento do limite de resolução para as medidas de rotação óptica.

5. REFERÊNCIAS

[1] Melo F A D 2015. Remuneration System of Sugarcane; Sugarcane: Agricultural Production, Bioenergy and Ethanol capítulo 19 407-22 editora Elsevier Science

07:00 07:30 08:00 08:30 09:00 09:30 10:0020,075

20,080

20,085

20,090

20,095

Tem

pera

tura

(o C)

Horário

PK007 PK009 PK015 LC210 LC213

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[2] Schulz M, Fricke A, Stock K, Alvarenga A D e Belaidi H 2006. High accuracy calibration of quartz control plates Proc. IMEKO XVIII World Congress Rio de Janeiro Brazil.

[3] Alvarenga A D, Pereira N C E, Tarelho L V G, França R S e Belaidi H. 2010 OIML Bulletin 5 Polarimetry at Inmetro: calibration of quartz control plates by high resolution polarimetry, http://www.oiml.org/bulletin.

[4] ICUMSA Specifications and Standard SPS-1, 2009, Polarimetry and the International Sugar Scale.

[5] OIML R14 1995 Polarimetric saccharimeters graduated in accordance with the ICUMSA International Sugar Scale.

[6] Brandshaw D S, Leeder J M, Coles, M M e Andrews D L 2015. Signatures of material and optical chirality: Origins and measures. Chemical Physics Letters 626 106-10 .

[7] Zander V K, Seiler W e Bünnagel R 1974 Precision measurements of the rotational dispersion of aqueous sucrose solutions from 18 °C to 30 °C as a basis for the International Sugar Scale Zucker 27 642-47.

[8] Bünnagel R e Oehring H A 1966. Messung der Rotationdispersion an einem Quartz für die polarimetrische Bestimmung optischer Schwerpuntke Zeitschrift für angewandte Physik 20 419-423.

[9] Morris L J 1965. The detection of optical activicty in natural asymmetric triglycerides. Biochemical and Biophysical research communications 20 3.

[10] Meo P L, D’Anna F, Riela S, Gruttadauria M e Noto R 2006. Polarimetry as a useful tool for the determination of binding constants between cyclodextrins and organic guest molecules. Tetrahedron Letters 47 9099-102.

[11] Hough L E et al 2009. Chiral Isotropic Liquids from Achiral Molecules. Science 325 452

[12] Azzam R M A 2011. The intertwined history of polarimetry and ellipsometry. Thin Solid Films 519 2584-88.

[13] Lin J-F, Wu J-S, Huang C-H, Liao T-T e Chang C-C 2011. The application of a rotating-wave-plate stokes polarimeter for measurement of the optical rotation angle. Optik 122 14–19.

[14] Finn M G 2002. Emerging Methods for the Rapid Determination of Enantiomeric Excess. Chirality 14 534-40.

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[16] Gomes B S 2011 monografia apresentada no Curso Técnico em Metrologia do Inmetro, SEE- RJ e CECO; Realização de testes para a caracterização metrológica do polarímetro de referência para calibração de placas de controle de quartzo.

[17] Arpaia P, Matteis E e Inglese V Software for measurement automation: a review of the state of the art Measurement 66 10-25.

[18] Souza L P, Felisberto P C, Costa C L M e Alvarenga A D. Aplicações desenvolvidas como solução no âmbito da metrologia óptica. 7° Congresso Brasileiro de Metrologia - Metrologia 2013, setembro de 2013, Ouro Preto, Minas Gerais, Brasil.

AGRADECIMENTOS

Agradecimentos à FAPERJ pelo apoio financeiro no projeto E-26/103.607/2012; A D Alvarenga agradece ao CNPq.