પોલેરીમિતિ (polarimetry)

પોલેરીમિતિ (polarimetry) : પ્રકાશત: સક્રિય (optically active) સંયોજન ધરાવતા નમૂનામાંથી તલધ્રુવીભૂત (plane polarized) પ્રકાશ પસાર થાય ત્યારે ધ્રુવીભવનતલના પરિભ્રમણની દિશા અને તેના કોણના માપન ઉપર આધારિત રાસાયણિક વિશ્લેષણની રીત. પ્રકાશીય સમઘટકો(isomers)ના અન્વેષણ માટે, ખાસ કરીને શર્કરાઓના વિશ્લેષણ માટે તે એક અગત્યની પદ્ધતિ છે.

પ્રકાશ એ વીજચુંબકીય તરંગસમૂહ ધરાવતું વિકિરણ છે. સામાન્ય અધ્રુવીભૂત પ્રકાશના તરંગો ચોતરફ સંપ્રસરણ પામે છે. (આકૃતિ 1 : અ)

કેટલાક પદાર્થો આવા વિકિરણના ધ્રુવીભવનતલનું પરિભ્રમણ કરવાની ક્ષમતા ધરાવે છે. આવા ધ્રુવણકર્તા (polarizing) પદાર્થમાં વિકિરણ દાખલ થાય ત્યારે સમૂહમાંના તરંગો(દા. ત., AOA’)નાં સ્પદંનો x અને y અક્ષની દિશામાં લંબચ્છેદી ઘટકો BOB’ અને COC’માં ફેરવાય છે (આકૃતિ : 1બ). ધ્રુવણકર્તા પદાર્થ ગમે તે એક ઘટકનાં સ્પંદનોને (દા. ત., COC’ને) શોષી લેવાનો ગુણ ધરાવે છે જ્યારે બીજાને (BOB’ ને) પસાર થવા દે છે. જો ધ્રુવક 100% સક્ષમ હોય તો ફલિત કિરણ એક જ તલ BOB’માં સ્પંદન પામશે. આને તલધ્રુવીભૂત વિકિરણ કહે છે. (આકૃતિ : 1ક)

જો આ કિરણના માર્ગમાં વિશ્લેષક (analyser) તરીકે ઓળખાતો બીજો ધ્રુવક રાખવામાં આવે તો તે અક્ષને સમાંતર સ્પંદન કરતાં વિકિરણને પસાર થવા દેશે. કિરણ ધ્રુવીભૂત થયેલું હોવાથી પ્રથમ અને દ્વિતીય ધ્રુવક એકબીજાને કાટખૂણે (90^o એ) હોય તો પારગમન શૂન્ય થશે.

આકૃતિ 2માં એક પ્રકાશસ્રોતમાંથી મળતા વિકિરણને સમાંતરકારી (collimating) દૃક્-કાચ (lens) દ્વારા સમાંતર રીતે ધ્રુવક Aમાંથી પસાર થવાની સ્થિતિ દર્શાવી છે. ઊર્ધ્વ અક્ષના કિરણને વિશ્લેષક-B કોઈ બીજી અસર કરતો નથી. પણ ક્ષિતિજ-સમાંતર અક્ષ ધરાવતો વિશ્લેષક C વિકિરણને પસાર થવા દેતો નથી (શૂન્ય પારગમન). Cનું તેના તલમાં ભ્રમણ કરતાં પસાર થતા વિકિરણની માત્રા પરિભ્રમણકોણના સાઇન (sine) મુજબ બદલાશે. અક્ષો પરસ્પર લંબ હોય તેવા શ્રેણીમાં રાખેલા બે ધ્રુવક વ્યસ્તસ્ત (crossed) ગણાય છે. ઉત્સર્જિત કિરણ શૂન્ય(સંપૂર્ણ સંમિતિ)થી 100 % (સંપૂર્ણ ધ્રુવીભવન) જેવું કોઈ પણ માત્રાનું તલધ્રુવીભવન ધરાવી શકે છે.

રસાયણશાસ્ત્રમાં ધ્રુવીભવન ઘણી અગત્ય ધરાવે છે. ઘણા પારદર્શક પદાર્થો (કેટલાક સ્ફટિકો અને પ્રવાહીઓ), તેમના અણુ કે સ્ફટિકબંધારણની અસંમિતિને કારણે ધ્રુવીભૂત પ્રકાશના તલનું ભ્રમણ કરવાની શક્તિ ધરાવે છે. આવો ગુણ ધરાવતા પદાર્થને પ્રકાશત: સક્રિય કહે છે. સ્ફટિકીય ક્વાર્ટ્ઝ અને ખાંડ તેનાં જાણીતાં ઉદાહરણો છે. બીજાં ઘણાં કાર્બનિક અને અકાર્બનિક સંયોજનો પણ તેમ વર્તે છે. જે કોણથી તલનું ભ્રમણ થાય છે તે એક પ્રકાશ-સક્રિય સંયોજન અને બીજા વચ્ચે ઘણો તફાવત દર્શાવે છે. પ્રકાશના ઉદ્ગમસ્થાન તરફ જોતાં નિરીક્ષકને સમઘડી (ઘડિયાળના કાંટાની ગતિની દિશામાં) જણાતું ભ્રમણ વામેતર (dextro, d) (+) અને ઘડિયાળના કાંટાની ઊલટી દિશામાં થતું ભ્રમણ વામ (laevo, l) (-) કહેવાય છે. આપેલા કોઈ પણ પદાર્થ માટે, વિકિરણના માર્ગમાં રહેલા અણુઓની સંખ્યા પર ભ્રમણમાત્રાનો આધાર છે. દ્રાવણોની બાબતમાં તે સંકેન્દ્રણ અને દ્રાવણમાં વિકિરણે કાપેલ અંતર (લંબાઈ) પર આધારિત છે. તે વિકિરણની તરંગલંબાઈ અને તાપમાન પર પણ આધારિત હોવાથી વિશિષ્ટ પરિભ્રમણ  સંજ્ઞા વડે દર્શાવાય છે. તે નક્કી કરવા નીચેનું સૂત્ર વપરાય છે :

જ્યાં α = તલનો પરિભ્રમણ કોણ; d = કોષની લંબાઈ (ડે.મી.); c = દ્રાવણનું સંકેન્દ્રણ (ગ્રા/ઘસેમી.); t = તાપમાન (⁰સે.); λ = વિકિરણની તરંગલંબાઈ છે. સામાન્ય રીતે સોડિયમ-બાષ્પ દીવાની D રેખાનો પીળો પ્રકાશ (λ = 589.3 નેમી) આ માટે ઉપયોગમાં લેવાય છે  અને α ને વડે દર્શાવવામાં આવે છે. જોકે હવે મર્ક્યુરીની લીલી રેખા(546.1 નૅમી.)ને માનક તરંગલંબાઈ તરીકે લેવામાં આવે છે.

આ ક્ષેત્રમાં બહોળો વપરાશ ધરાવતું સાધન પૉલેરીમીટર છે (આકૃતિ 3). સોડિયમ લૅમ્પમાંથી પ્રાપ્ત થતું એકરંગી (monochromatic) વિકિરણ સમાંતરકારકની મદદથી સમાંતર રૂપમાં મેળવાય છે અને કૅલ્શાઇટ (નિકોલ) પ્રિઝમ વડે ધ્રુવીભૂત થાય છે. ધ્રુવક પાસે વધારાનો (auxiliary) નિકોલ રખાય છે.

ત્યારબાદ, જાણીતી લંબાઈવાળી, બંને છેડા કાચની તકતી વડે ઢંકાયેલા હોય તેવી કાચની નળીમાં રાખેલા નમૂનાના દ્રાવણમાંથી વિકિરણ પસાર થાય છે. વિશ્લેષક સાથે નિરીક્ષણ માટે નેત્રિકા (eye-piece) જોડાયેલ હોય છે.

સૈદ્ધાંતિક દૃષ્ટિએ વધારાના નિકોલ વગર પોલેરીમીટર કાર્ય કરી શકે છે. શરૂઆતમાં નમૂનાની નળીમાં ફક્ત દ્રાવણ રાખી બે નિકોલને એવી રીતે ગોઠવવામાં આવે છે કે જેથી સહેજ પણ વિકિરણ બહાર આવે નહિ એને વ્યસ્તસ્ત નિકોલ સ્થિતિ કહે છે. તેનો કોણ વાંચી લેવામાં આવે છે. તે પછી નળીમાં નમૂનાનું દ્રાવણ ભરી તેને વિકિરણના માર્ગમાં રાખતાં દ્રાવણ દ્વારા પ્રકાશના ધ્રુવીભવનતલનું પરિભ્રમણ થવાને લીધે પ્રકાશ બહાર આવતો જણાય છે. હવે વિશ્લેષક નિકોલને ફેરવી ફરીથી પ્રકાશ દેખાતો બંધ થાય તેવી વ્યસ્તસ્ત સ્થિતિએ લાવવામાં આવે છે. નિકોલની આ બે (નમૂના વિના અને નમૂના સાથેની) સ્થિતિઓ વચ્ચેના ખૂણાને પરિભ્રમણ-કોણ (angle of rotation) કહે છે. જોકે આ સરળ રચના સંતોષકારક નથી, કારણ કે પસાર થતો પ્રકાશ ક્યારે સંપૂર્ણપણે લુપ્ત થાય છે તે નિરીક્ષક માટે નક્કી કરવું મુશ્કેલ બને છે. કિરણના અર્ધા ભાગમાં ગોઠવવામાં આવેલ અન્ય પ્રિઝમ દ્વારા આ મુશ્કેલી નિવારી શકાય છે. ધ્રુવકથી અમુક અંશને ખૂણે તે સ્થાયી રીતે ગોઠવેલ હોય છે. વિશ્લેષકની અમુક ચોક્કસ સ્થિતિએ વિકિરણ લગભગ એકસરખી ક્ષમતામાં બે અર્ધમાંથી પસાર થાય છે. આથી નિરીક્ષક બે અર્ધકિરણોની ક્ષમતા નરી આંખે સરળતાથી સરખાવી શકે છે. કેટલાક ઉત્પાદકો દ્વારા ફોટોઇલેક્ટ્રિક પોલેરીમીટરો પણ ઉપલબ્ધ છે. આ એક – કિરણરચના (single beam device) છે, તેમાં નમૂના દ્વારા થયેલ પરિભ્રમણ સરખું કરવા સેર્વો-કાર્યરીતિથી ધ્રુવીભવનતલનું પરિભ્રમણ કરાય છે.

ઉપયોગિતા  :  પોલેરીમિતિનો ઉપયોગ કાર્બોહાઇડ્રેટના – ખાસ કરીને ખાંડનાં દ્રાવણોના – વિશ્લેષણમાં વધુ થાય છે. તે ઉપરાંત ટાર્ટરિક ઍસિડ, રોશેલે ક્ષાર (પોટૅશિયમ સોડિયમ ટાર્ટ્રેટ), d-અને l-પાઇનિન જેવા ટર્પિન, ઘણા સ્ટીરૉઇડ અને જૈવિક તથા જૈવરાસાયણિક દૃષ્ટિએ ઉપયોગી અન્ય સંયોજનોના નિર્ધારણ માટે પણ તે વપરાય છે. કાર્બનિક સંયોજનોનાં જુદાં જુદાં પ્રકાશિક સ્વરૂપોની જૈવિક સક્રિયતામાં ઘણો તફાવત હોવાથી આણ્વિક સંરચના પારખવા માટે જૈવરાસાયણિક સંશોધનોમાં પોલેરીમિતિ વપરાય છે.

ખાંડ બનાવવાના ઉદ્યોગમાં અન્ય બિનપ્રકાશક્રિયાશીલ પદાર્થની ગેરહાજરીમાં સુક્રોઝનું માપન પરિમાણાત્મક રીતે સમીકરણ (i) વડે થઈ શકે છે. સુક્રોઝ માટે વ્યવહારમાં 2 ડેમી. નળી વાપરી 20^o સે. તાપમાને નીચે મુજબ સાંદ્રતા દર્શાવાય છે :

જો અન્ય ક્રિયાશીલ પદાર્થો હાજર હોય તો, વધુ કાર્યક્ષમ રીત જરૂરી બને છે. સામાન્ય ખાંડમાંનું સુક્રોઝ ઍસિડની હાજરીમાં નીચેના સમીકરણ મુજબ જળવિશ્લેષણ પામે છે :

ગ્લુકોઝ અને ફ્રુક્ટોઝના પરિણામી મિશ્રણને વિપરીત (invert) શુગર અને તે પ્રક્રિયાને વિપર્યય (inversion) કહે છે. વિપર્યય ક્રિયા દરમિયાન વિશિષ્ટ પરિભ્રમણ નીપજના સમઅણુ મિશ્રણના પ્રમાણમાં +66.5થી -19.8^o જેટલું બદલાય છે. વિપર્યય પહેલાં અને પછી પરિભ્રમણ માપવાથી દ્રાવણમાં રહેલ સુક્રોઝનું પ્રમાણ ગણવાનું શક્ય બને છે. સામાન્ય રીતે 100 મિલી. નમૂનાથી શરૂ કરાય છે. પ્રથમ તેનું પરિભ્રમણ માપવામાં આવે છે. પછી તેમાં 10 મિલી. સાંદ્ર HCl ઉમેરવામાં આવે છે. પ્રક્રિયા પૂરી કરવા ઍસિડિક દ્રાવણ 70^o સે. તાપમાને 10 મિનિટ રાખ્યા બાદ ફરી પરિભ્રમણ માપવામાં આવે છે. આ સ્થિતિએ નમૂનામાં સુક્રોઝનું વજન W_S = -1.17 Δα -0.00105 W_x થાય છે. જ્યાં, Δα પરિભ્રમણ-કોણમાં અવલોકિત ફેરફાર છે.

W_x એ અન્ય ક્રિયાશીલ પદાર્થનું વિશિષ્ટ પરિભ્રમણ દર્શાવે છે અને W_x એ આ ક્રિયાશીલ અશુદ્ધિનું વજન છે. બીજી બાજુ જાણીતા વિશિષ્ટ પરિભ્રમણવાળા બીજા સક્રિય પદાર્થના વધુ જથ્થાની સરખામણીમાં સુક્રોઝનું અલ્પઘટક તરીકે માપન અવગણતા અવલોકિત Δα વડે સુક્રોઝનું વજન ગણી શકાય છે.

પેનિસિલીન અને ઉત્સેચક પેનિસિલીનેઝનું પ્રમાણ પ્રકાશક્રિયાશીલ પરિભ્રમણ-પૃથક્કરણ પદ્ધતિ દ્વારા એકીસાથે મેળવી શકાય છે.

તરંગલંબાઈ પર આધારિત પ્રકાશક્રિયાશીલતા પ્રાકાશિક પરિભ્રામી પ્રકીર્ણન (optical rotatory dispersion, ORD) તરીકે જાણીતી છે, જે ચોક્કસ તરંગલંબાઈએ અસમ સંયોજન માટે બંધારણીય માહિતી મેળવવાની વિશિષ્ટ પરિભ્રમણ- પદ્ધતિ કરતાં વધુ સક્ષમ છે. તે વૃત્તાકાર દ્વિવર્ણતા (circular dischroism, CD) તરીકે ઓળખાતી ઘટના સાથે ઘનિષ્ઠ સંબંધ ધરાવે છે. આ માટે સોડિયમ બાષ્પદીવાને બદલે સતત (continuous) વિકિરણના સ્રોત અને એકવર્ણિત્ર- (monochromator)નો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. જ્યારે વિકિરણની પરખ આંખને બદલે પરખક (detector) દ્વારા થાય છે. ORD દ્વારા મળતી માહિતીએ દર્શાવ્યું છે કે અણુની સંરચનામાં લઘુ (minor) ફેરફાર થતાં તેના પ્રકીર્ણનના ગુણધર્મોમાં નોંધપાત્ર અસર થાય છે. પ્રકાશક્રિયાશીલ પદાર્થો માટે, અવકાશ રાસાયણિક લક્ષણો (stereo chemical features) અંગે ORD અને CD બંને જરૂરી માહિતી આપે છે.

હવે પરિણામ નોંધી શકે તેવાં સ્પેક્ટ્રો-પોલેરીમીટરો બને છે, જે આકૃતિ 4માં દર્શાવ્યા મુજબ સુધારેલા એક – કિરણ સ્પેક્ટ્રોમીટર જેવી રચના ધરાવે છે. તેમાં એકરંગી પ્રકાશનું કિરણ પોલેરાઇઝર(ધ્રુવક)માંથી પસાર થઈ નમૂનામાં અને પછી વિશ્લેષકમાં થઈ ફોટોગુણક નળી(photo multiplier tube)માંથી પસાર થાય છે.

કિરણ તેની ધ્રુવીભવન-સ્થિતિ પ્રમાણે 1થી 12 ડિગ્રી જેટલું ચલિત થાય છે. તે સેર્વો-પ્રવર્ધક અને સેર્વો-મોટર દ્વારા 12Hz તીવ્રતાએ નિયંત્રણ પામી તટસ્થ બિંદુ આપે છે, જે આપોઆપ નોંધાય છે.

CD દ્વારા હેરૉઇન, કોકેઇન અને અન્ય ઔષધિનું પરિમાણાત્મક પૃથક્કરણ શક્ય છે. CD માપનો મુખ્યત્વે અવકાશ રસાયણક્ષેત્રમાં બંધારણ નક્કી કરવા ઉપયોગી છે.

દેવીદાસ ગાંધી