Учебно-методический комплекс по дисциплине «Оптические методы контроля и анализа» для студентов Казнту имени К. И. Сатпаева по специальности 050716
Лекция 8. Исследование микроструктуры в поляризованном свете
жүктеу/скачать 1,12 Mb.
|
| Лекция 8.
Исследование микроструктуры в поляризованном свете. В основе любых приборов, используемых для исследований в поляризованном свете, лежит система из поляризатора и анализатора, расположенных вдоль направления световых лучей, между которыми помещается исследуемый объект. Анализатор устроен подобно поляризатору, но приспособлен для вращения вокруг продольной оси системы. При повороте анализатора на угол α интенсивность прошедшего через него света убывает пропорционально cos2 α. При взаимно перпендикулярном расположении плоскостей поляризатора и анализатора свет через анализатор не проходит. Это явление иллюстрируется схемой, показанной на рис. 8.1. Рисунок 8.1. Поляризатор П и анализатор А — поляроиды, главные плоскости которых обозначены стрелками. Если эти плоскости совпадают, то свет полностью проходит через анализатор и дает на экране Э светлое пятно (рис. 8.1, а). Если они расположены под некоторым углом, свет, проходя через анализатор, ослабляется (рис. 8.1, б) и тем больше, чем ближе этот угол к 90°. Если эти плоскости взаимно перпендикулярны, то свет полностью гасится анализатором (рис. 8.1, в). Таким образом, за один полный оборот анализатора экран дважды максимально освещается и дважды полностью затемняется. Поляризованный свет применяется при исследовании оптически анизотропных элементов различных структур, в частности, и тканей организма. Во многих случаях при этом возможно установить расположение и строение элементов структуры, которые не выявляются при микроскопировании в естественном свете. Оптическая анизотропия наблюдается, например, у мышечных, соединительнотканых (коллагеновых) и нервных волокон. Само название скелетных мышц поперечнополосатые связано с тем, что при микроскопировании в естественном свете волокно наблюдается состоящим из чередующихся более темных А и более светлых I участков. это и придает ему поперечную исчерченность. Исследование мышечного волокна в поляризованном свете обнаруживает, что более темные участки А являются анизотропными и обладают свойством двойного лучепреломления, тогда как более светлые участки I являются изотропными. Коллагеновые волокна целиком анизотропны, оптическая ось их расположена вдоль оси волокна. Мицеллы в мякотной оболочке нейрофибрилл также анизотропны, но оптические оси их расположены в радиальных направлениях. Для гистологического исследования этих структур применяется поляризационный микроскоп. Это биологический микроскоп, снабженный двумя призмами Николя: одна расположена перед конденсором и служит поляризатором, вторая - в тубусе между объективом и окуляром и служит анализатором. Предметный столик вращается вокруг продольной оси микроскопа на 380°. Если в поляризационный микроскоп, установленный на полное затемнение поля зрения («скрещенные николи»), поместить препарат с изотропной структурой, то поле зрения останется темным. В случае, когда между поляризатором и анализатором помещен препарат с анизотропными структурами, свет, прошедший поляризатор, будет в них вновь двояко преломляться. В связи с этим он не гасится полностью анализатором и соответствующие структуры выступают просветленными на общем темном фоне поля зрения. В качестве примера на рис. 8.2 приведена микрофотография тонкого среза кости, полученная с помощью поляризационного микроскопа. Рисунок 8.2. Микрофотография тонкого среза кости. На срезе видны только те остеоны, коллагеновые волны которых лежат в плоскости среза. Волокна, расположенные перпендикулярно плоскости среза, через которые свет проходит вдоль оптической оси (т. е. без двойного лучепреломления), остаются затемненными. Вращение плоскости колебаний поляризованного света. Сахариметрия. Некоторые кристаллы, растворы многих органических веществ (сахара, кислоты, алколоиды и др.), а также некоторые чистые жидкости обнаруживают свойство вращать плоскость колебаний поляризованного света. Такие вещества называются оптически активными. Явление заключается в том, что при прохождении через такое вещество поляризованного света плоскость его колебаний постепенно поворачивается вокруг оси светового пучка на угол, пропорциональный толщине слоя вещества. Явление связано с анизотропией самих молекул. При этом у каждого оптически активного вещества имеется две разновидности: левовращающие и правовращающие (против и по часовой стрелке, если смотреть навстречу свету), молекулы которых по структуре представляют зеркальное изображение одна другой. Рисунок 8.3. Вращение плоскости колебаний поляризованного света. Вращение плоскости колебаний поляризованного света можно наблюдать на следующем опыте (рис. 8.3, а). Между поляризатором П и анализатором А (призмы Николя) помещена кювета К с раствором сахара. Через эту систему пропускается узкий пучок (от источника И) монохроматического света и на экране Э наблюдается пятнышко, получающееся от него. Без кюветы максимум яркости пятна получается при совпадении главных плоскостей поляризатора и анализатора, а полное затемнение - при их взаимно перпендикулярном расположении. При наличии кюветы для получения такого же результата анализатор необходимо повернуть на некоторый угол φ относительно указанного положения. Это и есть угол, на который раствор в кювете повернул плоскость колебаний поляризованного света. Для растворов оптически активных веществ угол ф вращения плоскости колебаний монохроматического света зависит от природы вещества, температуры, концентрации С и длины I столба раствора, через который свет проходит: φ = α/100(Сl), где α - коэффициент, называемый удельным вращением. Удельное вращение - это увеличенный в 100 раз угол вращения для столба раствора длиной 1 дм (10 см) при концентрации вещества 1 г на 100 мл раствора, при температуре 20° С и при длине волны света (желтая линия D паров натрия) λ = 589 нм. Для глюкозы α = 52,8°. Угол вращения для данного вещества зависит от длины волны света. По закону Био, угол вращения φ приблизительно обратно пропорционален квадрату длины волны λ света: φ ≈ а/λ2, где а — постоянная, зависящая от природы вещества. В связи с этим исследования, связанные с вращением плоскости колебаний поляризованного света (метод называется поляриметрией), производятся в монохроматическом свете, который получается с помощью соответствующего светофильтра. Если в условиях опыта (см. рис. 394) применить поляризованный белый свет, то анализатор при повороте будет пропускать поочередно лучи различной длины волны и пятно на экране будет соответственно менять цвет. Это явление называется вращательной дисперсией и используется при изучении структуры вещества. Метод называется спектрополяриметрией. При клинических анализах поляриметрия применяется, например, для определения концентрации сахара в моче. Прибор называется сахариметром. Оптическая система его (рис. 8.3, б) состоит из источника И света, желтого светофильтра Ф, линзы Л, образующей пучок параллельных лучей, поляризатора Л, трубки К с исследуемым раствором, анализатора А, укрепленного на вращающемся диске Д с делениями, объектива Об и окуляра Ок, образующих зрительную трубу. Сначала, без исследуемого раствора, анализатор устанавливают на полное затемнение поля зрения. Затем помещают в прибор трубку с раствором и, вращая анализатор, снова добиваются полного затемнения поля зрения. Наименьший из двух углов, на который при этом необходимо повернуть анализатор, и является углом вращения для исследуемого вещества. По величине угла вычисляется концентрация сахара в растворе. Для упрощения расчетов применяют трубку с раствором такой длины, чтобы угол поворота анализатора в градусах численно равнялся концентрации С раствора в граммах на 100 мл. При этом условии длина трубки 1 = 100/а, и, например, для глюкозы составляет 1,9 дм, или 19 см. Вследствие адаптации глазом трудно оценивать полное затемнение поля зрения, однако глаз весьма чувствителен к разнице яркостей граничащих частей поля зрения. Это используется в приборе с полутеневым отсчетом, который обеспечивает значительно большую точность результатов. В подобных приборах анализатор устанавливается по уравнению яркостей двух частей, на которые подразделено поле зрения, что глазом определяется достаточно точно. На эти части поля зрения направляется свет от двух поляризаторов П1 и Л2, плоскости колебаний света от которых образуют между собой небольшой угол р. Из диаграмм, приведенных на рис. 8.4, видно, что одинаковая яркость двух частей поля зрения соответствует положению анализатора перпендикулярно биссектрисе угла р (рис. 8.4, б), когда его плоскость АА образует равные углы 90° - β/2 с плоскостями обоих поляризаторов. Рисунок 8.4. Диаграмма поляризаторов. При отклонении плоскости анализатора от этого положения яркость половин поля зрения различается (рис. 8.4, а и б). Сахариметр типа СМ состоит из штатива, на котором укреплен осветитель, и измерительной камеры. Оптическая система камеры (рис. 8.5) содержит желтый светофильтр Ф, линзу Л, образующую пучок параллельных лучей, поляризатор Л и диафрагму Д с кварцевой пластинкой (см. ниже), кювету К с исследуемым раствором и на конце вращающуюся муфту М, в которой расположены анализатор А, объектив Об и окуляр Ок, через которые ведется наблюдение. Рисунок 8.5. Общий вид сахариметра. Для отсчета углов муфта снабжена круговой шкалой с нониусом, деления которого наблюдаются через две небольшие лупы, помещенные на оправе окуляра. Кварцевая пластина Кв в диафрагме Д (свет, прошедший через нее, падает на среднюю часть поля зрения) обеспечивает дополнительный поворот плоскости колебаний света на угол Р, еобходимый для полутеневого отсчета. Отсчет в данном случае производится по уравнению яркостей трех частей поля зрения. Рисунок 8.6. Диаграмма анализатора. В этом случае анализатор устанавливается так, чтобы его плоскость была перпендикулярна биссектрисе угла р (см. диаграммы на рис. 8.6, а, б, в - ср. с рис. 8.4, а, б, в). Литература: 2 осн. [406-409]. Контрольные вопросы. Устройство анализатора. Где применяется поляризованный свет? Где применяется поляризованный микроскоп? Что такое оптическо-активные вещества? Что такое сахариметр? жүктеу/скачать 1,12 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|