基于分光计的旋光仪搭建与溶液旋光度的测量

杨子轩，王文权，王子赟，芮云军

(南京工业大学 数理科学学院，江苏 南京 211816)

“大学物理实验”课程中，分光计(也称测角仪)是光学实验的基本仪器，常常用来精确测量入射光和出射光之间的偏转角度(水平方向)，以此来确定透明材料的折射率、光栅常数等物理量[1,2]。对于旋光物质的旋光度(线偏振光通过某种物质后，振动面将以光的传播方向为轴转过一定的角度(垂直方向))，可以用旋光仪进行测量，以此来鉴别物质类别，分析物质浓度、水解反应速率等参量[3-6]。张思慧等人对蔗糖溶液浓度与折射率、旋光度关系进行了研究[4]。为了获得三者之间的关系，他们用不同的仪器进行了测量。折射率的测量通过分光计完成，即测量光线通过溶液的“入射角”和“折射角”(水平方向)。而蔗糖溶液的“旋光度”(垂直方向)则通过WXG-4圆盘旋光仪进行测量，这也是大多数研究者使用的仪器[4-6]。

同样都是角度测量，不禁思考，能否将“垂直平面”内入射光线偏振面的旋转角度，也由分光计来完成。为此，对分光计进行了改进，加装了伞形齿轮及溶液平台，使之能研究溶液的旋光特性。

1 实验仪器搭建

光波是横波，其传播方向与偏振方向相互垂直。图1是溶液旋光特性的测量光路图。两个偏振片中间放有旋光溶液，在检偏器和光屏之间放有分光计。起偏器和检偏器的偏振化方向，都在竖直平面内。分光计的转轴在竖直方向，刻度盘的旋转在水平面内。如图1所示，当水平入射的线偏振光经过旋光溶液后，其偏振方向的改变(α)在竖直平面内，但是分光计的旋转角度(α)却在水平面内，两者转动的平面是相互垂直的。

图1 基于分光计的溶液旋光特性测量光路图

借鉴汽车传动装置，即传动轴的旋转带动与之垂直的轮轴的转动，从而实现车轮的转动，在检偏器和光屏之间也设计了传动装置，如图2所示。两个45°的扇形齿轮垂直放置，当齿轮完全啮合时，其中一个齿轮的旋转将带动另一齿轮的转动，而这两个齿轮转动的方向是相互垂直的。将“竖直平面”内的转动转化为“水平面”内的转动，从而将分光计改装成“旋光仪”。水平方向转动的伞形齿轮与载物台转轴，固定在一起。另一齿轮左端贴有偏振片，作为检偏器，其偏振化方向将随着齿轮的旋转而同步变化。设计一个轴承，其内环与扇形齿轮固定，保证扇形齿轮(检偏器)的自由转动；外环与溶液平台固定，进而固定到分光计底座上。该平台上可以放置水槽、起偏器，还可安装平行光管。平台较长，所以水槽的长度可以调节。整套改进装置如图3所示。

图2 偏振化方向变化(竖直方向)转化为刻度盘旋转(水平方向)的传动装置

图3 分光计改装成旋光仪的实物图

2 溶液旋光度与比旋光度

(1)

(2)

通常规定为20 ℃或25 ℃时，钠光光谱中D谱线对应的黄色光(波长为589 nm)，来进行测量。

3 测量方法

根据上面仪器介绍，首先分光计刻度盘固定，游标盘、载物台转轴、水平方向扇形齿轮三者也固定，一起水平转动。转动分光计游标盘，将带动水平方向伞形齿轮、竖直方向伞形齿轮、检偏器，四者以相同的角度“联动”。这样竖直面内的旋光度α就可以用水平面内游标盘的转动角度来测量。

采用消光法，测量溶液的旋光度，进而计算比旋光度[8,9]。测量步骤如下：

1.溶液平台上放置“空水槽”，转动分光计游标盘，使检偏器的偏振化方向与起偏器垂直，此时观察到光屏上的光强最弱。记下分光计读数θ1、θ2。

3.以上两次测量的分光计读数之差，即为线偏振光经过待测溶液后的偏振面的旋转角度

4 实验结果与分析

采用分析纯蔗糖(广州化学试剂厂)和分析纯果糖(上海展云化工有限公司)，配置出0.05，0.10，0.15，0.20，0.25 g·mL-1的蔗糖(果糖)溶液300 mL，将配置好的溶液分别装入长l=1.146 6 dm的水槽中，即得到待测蔗糖(果糖)溶液样品。

4.1 不同波长λ对旋光度的影响

(3)

表1 不同光源下蔗糖溶液实验数据

图4 蔗糖溶液的比旋光度与的关系

4.2 不同浓度c对旋光度的影响

表2给出了不同浓度的蔗糖溶液旋光度测量数据。采用的光源为589nm的钠光灯和450nm激光笔,溶液长度l=1.1466dm,温度为20 ℃。

表2 不同浓度的蔗糖和果糖溶液

可以发现，溶液的浓度与旋光度α成线性关系，如图5所示。

图5 蔗糖(右旋)和果糖(左旋)的浓度与旋光度的关系

4.3 不同溶液长度对旋光度的影响

表3 不同长度的蔗糖溶液实验数据

图6 蔗糖溶液长度与旋光度的关系

4.4 不同温度对旋光度的影响

表4给出了不同温度下果糖溶液的旋光度测量数据。

表4 不同温度的果糖溶液

采用589nm的钠光灯和450nm激光笔,溶液浓度为0.2g/ml，长度为1.146 6dm。对比15、20、25 ℃时的数据，可以发现，随着温度的升高，比旋光度降低。这与于少芬等人研究结果是一致的[7]。由于温度升高，分子热运动加剧，分子结构的“不对称性”被破坏，所以比旋光度下降[12]。根据果糖20 ℃和25 ℃时[α]的标准值-91.9°·ml/(dm·g)和89.08°·ml/(dm·g)[7]，其实验误差为1.1%和0.4%.

通过上面的实验结果，可以看出，基于分光计搭建的旋光仪，溶液旋光度的测量误差都较小，仪器误差等级达到了2.0。较高的精度得益于分光计的精度。旋光仪采用双游标读数，以消除度盘偏心差。度盘分360格，每格1°，游标分20格，对应刻度盘19格，用游标直接读数到0.05°，也就是3′。而分光计，度盘分720格，每格0.5°，游标分30格，对应读盘29格，精度可达1′。

通常采用钠光光谱中D谱线(波长为589nm)，来进行溶液旋光特性的测量和定标[11]。但是在实验中发现，采用其它颜色的激光(单色性非常好)作为光源，其旋光特性非常明显。在消光过程中，光屏上可以出现“完全消光的暗点”，这非常有利于旋光度的测量，从而得到准确的比旋光度。另外，从表1～4可以看出，对比589nm入射光，波长较短的450nm激光经过溶液时，旋光度增加，使得旋光现象更为明显，测量更容易。表2，3更是显示了，短波长的激光光源，测量得到的误差也更小。

5 结 语

本文将分光计改装成了“旋光仪”。利用两个垂直安装的伞型齿轮，将偏振光振动面经过溶液后的偏转角度(竖直方向)转变为分光计刻度盘的旋转角度(水平方向)，设计的溶液平台可以对旋光溶液的长度进行调节。改变浓度、长度、温度、不同入射波长，测量了蔗糖和果糖溶液的旋光特性。实验发现，较短波长(450nm)的激光进行实验时，其旋光效应更明显，教学效果更好，测量误差更小。