基于PASCO平台的旋光性溶液浓度测量及应用研究

时俊仙,涂茹婷,菅婧涵,金 宇,郭梦雨,唐亚楠

(郑州师范学院 物理与电子工程学院,河南 郑州 450044)

当线偏振光通过旋光性溶液时,旋光物质会使得线偏振光的振动面发生偏转,这种现象称为旋光效应,偏转的角度称为旋光度。利用旋光效应测量物质的浓度广泛应用在石油、化工、制糖等工业[1],通过测量液体浓度,可获得折射率等其他重要物理量[2]。用旋光仪测量溶液的浓度是大学物理光学实验的重要内容之一[3]。旋光仪是目视仪器,操作简单[4-5],但长时间的使用人眼观测,会降低对视野中的明暗变化的敏感度,因此会产生一定的误差。且由于旋光仪装置的一体性,不利于学生深刻理解其中的原理[6]。利用偏振平台的装置,使用光功率计通过测量光强的大小变化进而测出旋光度可以相应的减少误差[7-8]。然而,这两种方法都需要人为读取旋光度及光强数值,这难免会造成误差。

本文基于PASCO平台,设计了通过激光器、偏振片、光强传感器等分立的装置,便于直接观察实验的光路布置,有助于学生加深对旋光性溶液测量原理的理解。通过传感器智能通用接口将转动传感器和光强传感器连接到计算机,进而连续监测光强变化和旋转的角度,并能在计算机实时显示出来,避免了人为观察读取可能产生的光强极值位置不精准和读数偏差等问题。在此基础上,进一步模拟工业生产线上对流动液体浓度的测量及实时监测,拓展了该实验装置在实时在线测量及监测流动的旋光性液体浓度方面的应用前景。

1 实验内容

由实验可知,对于溶液,旋光度ΔQ正比于光在介质中所走路程的长度及溶液的浓度。

即ΔQ=αcl。

(1)

α为旋光率,与温度及光源波长有关;l为偏振光通过的介质的长度;c为溶液的浓度。

而通过实验可测得旋光度ΔQ,若溶液浓度已知,则可以得到旋光率:

(2)

而已知旋光率α,可得到溶液的浓度

(3)

实验中先用已知浓度测出其旋光率,再利用此旋光率测出未知浓度的溶液[1]。

1.1 用旋光仪测量溶液旋光率

利用旋光仪测量溶液旋光率所需实验仪器包括WXG-4型旋光仪、波长为589.3 nm的钠光灯、长度为100 mm的平行试管、溶液和烧杯、量筒、天平等其他辅助仪器,如图1所示。

图1 旋光仪测量实验装置

利用浓度为0.5 g/mL的标准溶液及使用量筒配制的其他浓度溶液,利用旋光仪测出其旋光度进而计算出溶液的旋光率。

接通电源,开启电源开关,待钠光灯正常发光后转动旋光仪调焦手轮,使其能观察到清晰的三分视场,如图2[1]所示。将未放溶液的试管放入旋光仪,转动检偏器,找到零度视场位置,记下左右视窗读数。将装满已知浓度溶液的试管放入旋光仪槽中,转动检偏器,再次观察到零度视场时,读取读数,重复三次求平均值读出旋光度,根据公式(2)算出旋光率,即为旋光仪测得的葡萄糖溶液标准旋光率。

图2 旋光仪三分视场

重复上述实验步骤可以测得浓度为0.5 g/mL的蔗糖溶液旋光率,即为旋光仪测得的蔗糖溶液标准旋光率。

1.2 基于PASCO平台设计实验

实验中所用实验装置如图3所示,光源为波长为650 nm的红色激光,在光学导轨上依次放入激光器、起偏器、升降台、检偏器(连接转动传感器)和光强传感器,如图4所示。转动传感器和光强传感器均通过传感器智能接口连接到计算机,调节各部分光学元件处于同一高度,将样品管置于升降台上,调节升降台使其与各部件中心等高;打开激光器,使激光反射光束与发出点重合。在起偏器和检偏器中间先后放入空样品管和葡萄糖溶液或蔗糖溶液。运行PASCO Capstone软件,转动检偏器,可实时显示角度变化和光强变化,并显示对应的光强曲线图。

图3 PASCO测量实验装置

图4 用PASCO平台实验装置简图

首先在起偏器和检偏器之间放入空的样品管,转动检偏器,在计算机上观察光强变化。继续转动检偏器,使入射到光强传感器的光强最小,可以反复微调检偏器寻找最小值,如图5所示,此时不再转动检偏器。取下样品管,放入浓度为0.5 g/mL的葡萄糖溶液,再放回起偏器与检偏器之间,此时光强已不再是最小值,如图6所示,再次旋转检偏器并在计算机上读取光强最小值,记录此时第一个最小值对应的旋转角度ΔQ,即为旋光度。根据公式(2)可得出旋光率,即为PASCO测得的葡萄糖溶液标准旋光率,根据此已知浓度及测得值可推导出浓度与旋光度的关系。

角/°图5 空样品管对应光强图像

重复上述实验步骤分别测出浓度为50%、40%、25%的葡萄糖溶液旋光度和浓度为50%、40%、25%的蔗糖溶液旋光度。再测出未知浓度葡萄糖溶液和蔗糖溶液旋光度,由上述浓度与旋光度的关系计算出此溶液浓度,进行数据分析对比。

2 实验数据及误差分析

2.1 实验测量数据

在实验中分别测量了不同浓度的葡萄糖溶液和蔗糖溶液的浓度。通过实验,验证了葡萄糖和蔗糖的旋光性为右旋。

实验室温度为25 ℃,样品管长l=100 mm,钠光灯波长λ=589.3 nm,激光波长λ=650 nm。实验结果见表1～2。

表1 浓度为0.50 g/mL的葡萄糖溶液和蔗糖溶液旋光度

根据所测数据拟合出旋光度与溶液浓度关系图,如图7。

(a) 葡萄糖溶液浓度/(g·mL-1)

2.2 误差分析

实验中可知,光源波长和温度对旋光率都有影响[9]。旋光仪中所用光源为钠光灯,PASCO平台中为激光光源,二者均在同一室温下进行。不同波长对同一物质旋光率的影响称为旋光色散。旋光仪光源为589.3 nm的钠灯,PASCO平台利用的是650 nm的激光光源,因此所测得的旋光率数值不同。我们通过测量标准溶液和其他浓度溶液的旋光度,分别计算了溶液旋光率并进行比较。

标准溶液的旋光率由表1数据以及公式(2)可以计算出来。在25 ℃下,旋光仪测得标准葡萄糖溶液和蔗糖溶液的旋光率分别为0.485°·mm-1·(g/mL)-1和0.544°·mm-1·(g/mL)-1,利用PASCO测得标准葡萄糖溶液和蔗糖溶液的旋光率为0.418°·mm-1·(g/mL)-1和0.510°·mm-1·(g/mL)-1。

其他浓度的溶液旋光率由表1及表2数据及公式(2)计算出来。分别作出葡萄糖和蔗糖溶液浓度与旋光度关系图,并进行线性拟合,如图7所示,此拟合情况未考虑到样品管的长度(管长l=100 mm),所以图线的斜率值为旋光率的100倍,从拟合曲线可以分别得到两种测量方式下的溶液旋光率。

表2 其他浓度的葡萄糖溶液和蔗糖溶液旋光度

从拟合曲线可知利用旋光仪测量葡萄糖溶液和蔗糖溶液的旋光度与浓度关系曲线方程分别为ΔQ=51.169 23c-0.871 62和ΔQ=51.978 46c+1.773 77。则其旋光率分别为0.512±0.037°·mm-1·(g/mL)-1和0.520±0.033°·mm-1·(g/mL)-1;利用PASCO平台测量葡萄糖溶液和蔗糖溶液旋光度与浓度关系曲线方程分别为ΔQ=50.921 05c-0.229 74和ΔQ=42.457 89c-0.335 53。则其旋光率分别为0.425±0.002°·mm-1·(g/mL)-1和0.509±0.003°·mm-1·(g/mL)-1。

对比两种方式计算出的旋光率结果,可得利用旋光仪测得葡萄糖溶液和蔗糖溶液旋光率实验相对误差分别为5.56%和4.41%;而利用PASCO测得葡萄糖溶液和蔗糖溶液的旋光率实验相对误差分别为1.67%和0.19%。可以看出,利用PASCO平台进行实验精确度更高。

再利用PASCO平台测量未知浓度的葡萄糖溶液和蔗糖溶液旋光度,数据如表3所示。(此步骤所用葡萄糖溶液和蔗糖溶液实际上均为已知浓度,用于比较数据,浓度均为0.2 g/mL。)

表3 利用PASCO测未知浓度的葡萄糖溶液和蔗糖溶液旋光度

PASCO测得葡萄糖溶液和蔗糖溶液旋光度分别为8.340°和9.870°,结合图7(a)和(c)中的拟合曲线可以得出此葡萄糖溶液的浓度为0.196 g/mL,相对误差为2%,此蔗糖溶液的浓度为0.194 g/mL,相对误差为3%。

通过实验,可知利用PASCO平台进行旋光性溶液浓度测量是可行的。

3 应用拓展设计

利用PASCO平台测量旋光性溶液浓度的方法原理简单,具有很高的可行性。进一步可利用该装置实现实时在线测量流动旋光性溶液的浓度。该方法有望在工业生产过程中在线测量,或在污染水体等相对恶劣环境中现场检测。

3.1 流动旋光性溶液浓度测量

实验中,通过让葡萄糖溶液在容器中流动,还原生产线过程,实现实时在线测量旋光性溶液浓度。为了模拟工业生产线上液体的流动,利用了定制容器。定制容器为上下均有开口的长度为100 mm的长方体玻璃容器,如图8所示。

图8 定制容器

如图9所示,将激光器、起偏器、检偏器、光强传感器固定在光具座上,定制容器放入起偏器和检偏器之间,调整激光器高度使入射光垂直穿过容器侧面的两个平行玻璃片,再经过检偏器到达光强传感器。运行PASCO Capstone软件,旋转检偏器,在计算机上找到光强极小值处,如图10所示,保持起偏器和检偏器位置不变。

图9 测流动旋光性溶液装置简图

取下容器,在容器中装入浓度为50%的葡萄糖溶液,放回起偏器和检偏器之间,同时利用注射器不断注入溶液使其在容器中保持流动状态。当液体充满容器且在容器中稳定流动时,开始转动检偏器,同时观察计算机上光强图像,转动开始后的第一个光强极小值位置所对应的角度即为旋光度,进而根据公式(3)获取溶液的浓度。通过实验测得浓度为0.5 g/mL的葡萄糖溶液旋光度与直接用样品管测得的旋光度接近,如图11所示。说明利用该方法测量流动液体的浓度是可行的。

角/°图11 测流动溶液旋光度对应光强图像

3.2 流动旋光性溶液浓度监测

在以液体为主的工业生产线上,由于需要对原料进行添加或分离,因此在线监测液体浓度就显得尤为重要。而对溶液的监测,尤其是对实时在线监测液体的浓度方面还处于较落后的状态[10]。

利用此装置可实现对葡萄糖和蔗糖等溶液浓度的非接触实时在线监测。实验中,利用注射器保持溶液流动,转动检偏器,在计算机上观察光强图像,当光强为极大值一半时,停止旋转检偏器,如图11所示。此处光强变化率最大,因此能够更准确地监测光强变化。起偏器和检偏器位置保持不变,使液体持续流动,监测实时光强如图12所示,其相对光强数值均在148～150之间变化。利用该装置原理简单,操作方便,仅通过观察光强大小变化即可监测溶液浓度变化。

图12 流动溶液的实时光强

4 结 论

线偏振光通过旋光性物质时,其振动面会发生偏转。利用旋光现象测量溶液的浓度是大学物理基础性实验的重要内容之一,多数高校是利用旋光仪进行测量。而由于旋光仪本身较为封闭的装置,在教学中不利于学生理解旋光实验的原理,且其作为目视仪器,实验过程中人眼易产生视觉疲劳,也会降低测量精度。本文基于PASCO平台,设计了利用分立的实验装置进行测量,便于直接观察实验的光路布置,有助于学生加深对旋光实验原理的理解。在检偏器上安装转动传感器,接收装置中利用光强传感器,通过传感器通用接口将转动传感器和光强传感器连接到计算机,可以实时读出测量的旋光度和光强变化大小。实验中分别用旋光仪和PASCO平台测量了葡萄糖溶液和蔗糖溶液的旋光率。将二者测量结果进行对比,利用旋光仪测得葡萄糖溶液和蔗糖溶液旋光率实验误差分别为5.56%和4.41%;利用PASCO测得葡萄糖溶液和蔗糖溶液的旋光率实验误差分别为1.67%和0.19%。可以看出,利用PASCO平台测量精确度更高。将浓度为20%的葡萄糖溶液和蔗糖溶液作为未知溶液时,利用PASCO所测浓度的相对误差分别为2%和3%。由此说明利用PASCO平台测量溶液浓度的方法是可行的。在此基础上,模拟了工业生产线测量流动状态下的液体浓度,结果与直接用样品管所测数据相近。并且实现了对葡萄糖溶液浓度的非接触实时在线监测,可拓展应用到工业生产线上实时在线测量及监测流动的液体浓度。