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Tese de Doutorado
DOI
10.11606/T.76.2017.tde-11012017-142336
Documento
Autor
Nome completo
Anderson Roberto de Oliveira
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Carlos, 2016
Orientador
Banca examinadora
Zilio, Sérgio Carlos (Presidente)
Catunda, Tomaz
Cescato, Lucila Helena Deliesposte
Dainese Júnior, Paulo Clóvis
Gobato, Yara Galvão
Título em português
Polarímetro diferencial baseado na reflexão interna
Palavras-chave em português
Ângulo crítico
Dispositivos ópticos
Polarimetria
Reflexão total interna
Substâncias opticamente ativas
Resumo em português
Neste trabalho apresentamos uma nova técnica para a medida da rotação da polarização da luz por uma substância que possui atividade óptica. O sistema utiliza um LED, dois polarizadores, um prisma de vidro semicilíndrico, uma cubeta, uma CCD e um computador para análise de dados. Luz proveniente do LED passa pelo primeiro polarizador, cujo eixo de transmissão se encontra a 45°, e incide no prisma pelo lado semicilíndrico, ocorrendo reflexão na sua base, num ângulo próximo do ângulo crítico. Devido ao tamanho finito do feixe e o formato curvo da superfície do prisma, vários ângulos de incidência são observados na base da lente semicilíndrica. A luz refletida passa então pela cubeta e depois por um analisador, cujo eixo se encontra paralelo ao primeiro polarizador, e então o sinal é captado pela CCD. De forma alternativa, a cubeta pode ser posicionada após o primeiro polarizador, antes do prisma. Quando a cubeta é preenchida com água, observa-se na CCD uma interferência destrutiva exatamente no ângulo crítico caracterizado por um mínimo de intensidade nesse ângulo. Se uma substância opticamente ativa é utilizada para preencher a cubeta, a posição desse mínimo é alterada dependendo do ângulo de rotação da polarização imposto pela substância. Uma calibração é necessária e pode ser feita utilizando-se soluções de concentração conhecida de sacarose ou frutose, por exemplo. O aparato obtido foi utilizado para medir a rotação causada por uma amostra normal (0,26 g/ml) de soluções de sacarose e frutose e apresenta uma precisão de 0,04°. Equivalentemente, a precisão em concentração é de 0,001 g/ml ou aproximadamente 0,1% (m/m). Isso corresponde a uma precisão que é uma ordem de grandeza acima dos aparelhos comerciais e técnicas mais comuns utilizadas atualmente. Em contrapartida, o custo da montagem experimental é duas ordens de grandeza menor que os mesmos aparelhos comerciais. A produção de uma gama de ângulos de incidência devido à focalização na superfície cilíndrica do prisma substitui a necessidade de se produzir rotação no eixo de polarização do analisador após a passagem da luz pela amostra opticamente ativa, como ocorre em alguns aparelhos comercializados. Este dispositivo, por ser de baixo custo, compacto e de fácil manuseio, é de grande importância porque pode ser utilizado na indústria sucroalcooleira para a medida da quantidade de sacarose em cana e também na indústria farmacêutica para a identificação de substâncias opticamente ativas dextrogiras ou levógiras.
Título em inglês
Differential polarimeter based on internal reflection
Palavras-chave em inglês
Critical angle
Optical active substances
Optical devices
Polarimetry
Total internal reflection
Resumo em inglês
In this thesis we present a novel technique for measuring light polarization rotation caused by an optically active substance. The system is composed by a LED, two polarizers, a semi cylindrical glass prism, a cuvette, a linear CCD camera and a computer for data analysis. Light from the LED passes through the first polarizer, whose transmission axis is set at 45°. After that, the linear polarized light enters the prism by the semi cylindrical face, occurring reflection in the flat face at critical angle approximately. Several incidence angles are accessed due to the beams finite size and the shape of the semi cylindrical lens. The reflected light passes through the cuvette and then through the analyzer, whose transmission axis is set parallel to the first polarizer. Finally, the light is detected by the CCD. When the cuvette is filled up with water, a destructive interference at the critical angle is observed, characterized by a narrow valley centered at this angle. If the cuvette is filled up with an optically active substance, the center of this valley is shifted depending on the substance, its concentration and the optical path travelled by the light in the substance. A calibration is needed and is performed using a set of solutions of known concentrations. Our apparatus was used to measure the angle rotation caused by a normal solution (0,26 g/ml) of sucrose and fructose solutions and has a precision of 0,04°. It corresponds to a precision that is one order of magnitude above most used commercial apparatus and developed techniques. In contrast, the cost of our experimental setup is two orders of magnitude less than the same commercial devices. The production of a range of angles of incidence due to focusing on the cylindrical surface of the prism replaces the need of producing a rotation of the analyzer polarization axis after the light passes through the optically active sample, as it happens in some commercial devices. Since this device has a low cost, is compact and easy to handle, it may be of great importance for applications in the pharmaceutical industry to identify enantiomers, and in the sugar industry for measuring sugar content in sugar cane juice.
 
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Data de Publicação
2017-05-02
 
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