裴世鑫，崔芬萍，華亞南，王 昱

基于旋光效應(yīng)的溶液濃度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

裴世鑫，崔芬萍，華亞南，王 昱

(南京信息工程大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，江蘇 南京 210044)

搭建了一套基于旋光效應(yīng)測(cè)量溶液濃度的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，分別采用測(cè)量旋光角度和透射光強(qiáng)的方法，在20 cm和10 cm長(zhǎng)的樣品池中，對(duì)不同濃度的葡萄糖溶液和蔗糖溶液做了測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果與WXG-4圓盤(pán)旋光儀的測(cè)量結(jié)果做了對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，自建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能很好地給出旋光角和透射光強(qiáng)與溶液濃度之間的線性關(guān)系，測(cè)量結(jié)果與WXG-4圓盤(pán)旋光儀的測(cè)量結(jié)果能很好地吻合，可將其作為 “用旋光儀測(cè)量溶液濃度實(shí)驗(yàn)”的補(bǔ)充。

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)；旋光效應(yīng)；葡萄糖；蔗糖

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是面向高等學(xué)校理工科專(zhuān)業(yè)一年級(jí)學(xué)生開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)課程，是學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)技能的開(kāi)端，在培養(yǎng)學(xué)生理解物理概念，提高動(dòng)手能力、理論聯(lián)系實(shí)際能力、創(chuàng)新思維能力及分析和解決問(wèn)題能力方面都具有重要意義。

用旋光儀測(cè)量溶液濃度是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，其目的在于觀察線偏振光通過(guò)旋光物質(zhì)時(shí)所發(fā)生的旋光現(xiàn)象，了解旋光儀的結(jié)構(gòu)和工作原理，學(xué)習(xí)用旋光儀測(cè)定旋光性物質(zhì)的旋光率和濃度[1]，是一個(gè)典型的儀器外形簡(jiǎn)單、實(shí)驗(yàn)操作容易，但儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[2]，多數(shù)學(xué)生可在半小時(shí)內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)，但很多學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取原理并不清楚，這種現(xiàn)象的出現(xiàn)在很大程度上是因?yàn)樾鈨x的高度集成性所引起的。

受實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器集成化思想的影響，近年來(lái)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器的集成化程度越來(lái)越高，組成儀器的部件被封裝在一起，學(xué)生很難看到實(shí)驗(yàn)儀器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，旋光儀也不例外[3-5]。實(shí)驗(yàn)儀器集成化的優(yōu)點(diǎn)是便于操作，有助于快速觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。如果實(shí)驗(yàn)是以練習(xí)使用儀器、分析測(cè)試結(jié)果為目的，如旋光儀在藥檢技術(shù)、化學(xué)分析等專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[6-9]，儀器的集成化具有其自身的優(yōu)勢(shì)。但對(duì)于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，實(shí)驗(yàn)儀器的集成化則有其明顯的弊端。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中只能根據(jù)教材內(nèi)容機(jī)械地操作，卻對(duì)為什么要執(zhí)行操作并不明白，以至于獲得了很好的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，卻沒(méi)有弄明白實(shí)驗(yàn)原理，這不僅沒(méi)有達(dá)到通過(guò)實(shí)驗(yàn)操作直觀理解實(shí)驗(yàn)原理的教學(xué)目的，還有可能會(huì)影響學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的興趣[10-11]。

因此，面對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器的集成化，如何發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)，解決其弊端就成為大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中必須要面對(duì)的問(wèn)題。本文作者基于多年的實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)用旋光儀測(cè)量溶液濃度這一實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中因儀器的集成化所引發(fā)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)并搭建了一套基于旋光效應(yīng)的溶液濃度測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)不同濃度的蔗糖和葡萄糖溶液做了測(cè)量，并將其測(cè)量結(jié)果與WXG-4圓盤(pán)旋光儀的測(cè)量結(jié)果做了比對(duì)，建議將自建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與旋光儀同時(shí)作為用旋光儀測(cè)量溶液濃度實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容，既能讓學(xué)生掌握旋光儀的工作原理，又能體驗(yàn)集成化旋光儀所帶來(lái)的便利，達(dá)到提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的目的。

1 基于旋光效應(yīng)的溶液濃度測(cè)量原理

如圖1所示，當(dāng)一束偏振光經(jīng)過(guò)旋光物質(zhì)時(shí)，偏振光的振動(dòng)面將以光的傳播方向?yàn)檩S發(fā)生一定角度的旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的角度φ稱(chēng)為旋光度。因?yàn)椴煌男馕镔|(zhì)會(huì)使振動(dòng)面向不同方向旋轉(zhuǎn)，因此，物質(zhì)的旋光性分為左旋和右旋。

圖1 旋光效應(yīng)示意圖

實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)具有旋光性的透明溶液來(lái)說(shuō)，當(dāng)入射光的波長(zhǎng)給定時(shí)，旋光角φ除了與偏振光通過(guò)溶液的長(zhǎng)度L成正比，還與溶液濃度C成正比，即:

式中，φ的單位為度，L的單位為分米，C的單位為每立方厘米克。α是受測(cè)物質(zhì)的比旋光度或旋光率，在數(shù)值上等于偏振光通過(guò)單位長(zhǎng)度、單位濃度的溶液后所引起的振動(dòng)面的旋轉(zhuǎn)角度。

由式(1)可知，如果已知溶液濃度C和長(zhǎng)度L，只要測(cè)出振動(dòng)面的旋轉(zhuǎn)角度φ，就可以求得這種物質(zhì)的旋光率α；反之，如果知道了旋光率α和長(zhǎng)度L，在測(cè)得旋光角φ的條件下，就可求出溶液的濃度。而旋光角φ的測(cè)量可以根據(jù)驗(yàn)證馬呂斯定律實(shí)驗(yàn)[12]中起偏器和檢偏器之間的夾角讀出。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

如圖2所示，是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中常用的WXG-4圓盤(pán)旋光儀的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，通常以鈉光燈為光源，由毛玻璃、聚光鏡、濾色鏡、偏振片1(起偏鏡)、半波片、窗片、樣品池、偏振片2(檢偏鏡)、物鏡、目鏡和調(diào)節(jié)與讀數(shù)系統(tǒng)構(gòu)成。其工作原理是:光源發(fā)出的光先經(jīng)過(guò)毛玻璃片，使光束分布更趨均勻，然后經(jīng)過(guò)透鏡，匯聚為準(zhǔn)平行光，再經(jīng)過(guò)濾光片讓波長(zhǎng)為589.44 nm的黃光通過(guò)，通過(guò)濾光片的黃光再經(jīng)過(guò)起偏器變成偏振光，在半波片處產(chǎn)生三分視場(chǎng)，之后經(jīng)窗片進(jìn)入樣品池，在樣品池旋光溶液的作用下，偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，旋光角度通過(guò)檢偏鏡檢出。

WXG-4圓盤(pán)旋光儀的光學(xué)系統(tǒng)可分為偏振光發(fā)生系統(tǒng)A，吸收池B，偏振光檢測(cè)系統(tǒng)C和調(diào)節(jié)與讀數(shù)系統(tǒng)D4大部分。但對(duì)于高度集成的旋光儀來(lái)說(shuō)，最關(guān)鍵的光學(xué)部分A和C都被密封在金屬筒內(nèi)，實(shí)驗(yàn)中根本看不到旋光儀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，很難直觀地理解和掌握旋光儀的工作原理。

圖2 WXG-4圓盤(pán)旋光儀的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

針對(duì)因旋光儀的集成化帶給實(shí)驗(yàn)教學(xué)的負(fù)面效應(yīng)，提出了一種基于旋光原理和光電探測(cè)的溶液濃度測(cè)量系統(tǒng)。如圖3所示，以中心波長(zhǎng)為650 nm的半導(dǎo)體激光器為光源，從半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光，經(jīng)起偏器后變成偏振光，偏振光進(jìn)入樣品池，在池內(nèi)旋光溶液的作用下偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，然后經(jīng)過(guò)檢偏器，最后用光電探測(cè)器檢測(cè)，光電探測(cè)器檢測(cè)到的光信號(hào)強(qiáng)弱通過(guò)激光功率計(jì)讀出。

圖3 基于旋光效應(yīng)測(cè)量溶液濃度的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖

3 結(jié)果與討論

3.1 溶液濃度與旋光角之間的關(guān)系

對(duì)于圖3所示系統(tǒng)，在沒(méi)有樣品池的情況下，將起偏器的偏振方向固定，然后調(diào)整檢偏器的偏振方向，使探測(cè)器接收到的光信號(hào)最強(qiáng)，此時(shí)說(shuō)明起偏器和檢偏器的偏振方向相同，然后將樣品池置于光路中，再次調(diào)節(jié)檢偏器的角度，使探測(cè)器接收到的光信號(hào)最強(qiáng)，此時(shí)檢偏器轉(zhuǎn)過(guò)的角度就是樣品池內(nèi)旋光溶液在該濃度下的旋光角。

圖4 葡萄糖和蔗糖溶液的C-φ關(guān)系

以葡萄糖溶液和蔗糖溶液為測(cè)試對(duì)象，選用長(zhǎng)度為20 cm和10 cm的樣品池，在兩個(gè)不同長(zhǎng)度的樣品池中，測(cè)量了不同濃度的葡萄糖溶液和蔗糖溶液的旋光角，建立了葡萄糖溶液和蔗糖溶液的濃度(C)與旋光角(φ)之間的C-φ關(guān)系，并對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果用線性函數(shù)φ＝kC＋b做了擬合，結(jié)果如圖4所示，其中圖4(a)所示是在兩個(gè)不同長(zhǎng)度的吸收池中對(duì)葡萄糖溶液的測(cè)量及擬合結(jié)果，圖4(b)所示是在兩個(gè)不同長(zhǎng)度的吸收池中對(duì)蔗糖溶液的測(cè)量及擬合結(jié)果，為便于比較，對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果列表表示，如表1所示。

表1 葡萄糖和蔗糖溶液的C-φ關(guān)系擬合結(jié)果

從圖4和表1可以看出，無(wú)論是葡萄糖溶液還是蔗糖溶液，當(dāng)樣品池的長(zhǎng)度一定時(shí)，擬合結(jié)果與旋光效應(yīng)的特征能夠很好地吻合，旋光角與溶液濃度之間呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。如果要測(cè)量未知濃度的旋光溶液濃度，只要測(cè)得同等條件下的旋光角φ，就可以通過(guò)旋光溶液的C-φ曲線，確定其濃度。

3.2 溶液濃度與光信號(hào)強(qiáng)度之間的關(guān)系

對(duì)于圖3所示系統(tǒng)，在沒(méi)有樣品池的情況下，固定起偏器的偏振方向，調(diào)整檢偏器的偏振方向，使探測(cè)器接收到的光信號(hào)最強(qiáng)，然后將樣品池置于光路中，激光功率計(jì)所記錄的就是此濃度下偏振光經(jīng)過(guò)檢偏器的光信號(hào)強(qiáng)度。選用長(zhǎng)度分別為20 cm和10 cm的樣品池，在兩個(gè)不同長(zhǎng)度的樣品池中，分別測(cè)量偏振光透過(guò)不同濃度的葡萄糖溶液和蔗糖溶液后，再經(jīng)過(guò)檢偏器的光信號(hào)強(qiáng)度，建立旋光溶液濃度(C)與光信號(hào)強(qiáng)度(I)之間的C-I曲線。

圖5 原始數(shù)據(jù)與處理后數(shù)據(jù)的對(duì)比

因?yàn)樽匀还庀群蠼?jīng)過(guò)起偏器和檢偏器后，其強(qiáng)度本身遵守馬呂斯定律，因此，需要根據(jù)馬呂斯定律對(duì)實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的光信號(hào)強(qiáng)度做校正，如圖5所示，是樣品池長(zhǎng)度為10 cm時(shí)，實(shí)驗(yàn)的原始數(shù)據(jù)、校正數(shù)據(jù)及其線性擬合的對(duì)比圖。

從圖5可以看出，原始數(shù)據(jù)和校正數(shù)據(jù)所給出的C-I曲線呈很好的線性關(guān)系，二者截距和斜率的標(biāo)準(zhǔn)差分別為 0.003 77、0.003 81和2.838×10-4、 2.870×10-4， 因此， 可通過(guò)建立 C-I曲線測(cè)量旋光溶液濃度。

圖6 葡萄糖和蔗糖溶液的C-I關(guān)系

按照以上方法，獲得了樣品池長(zhǎng)度為20 cm和10 cm時(shí)，葡萄糖溶液和蔗糖溶液的C-I曲線，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果用線性函數(shù)I＝kC＋b做了擬合，結(jié)果如圖6所示，其中圖6(a)是對(duì)葡萄糖溶液的測(cè)量及擬合結(jié)果，圖6(b)是對(duì)蔗糖溶液的測(cè)量及擬合結(jié)果，為便于比較，將對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果列表表示，如表2所示。

表2 葡萄糖和蔗糖溶液的C-I關(guān)系擬合結(jié)果

從圖6和表2可以看出，當(dāng)樣品池的長(zhǎng)度一定時(shí)，葡萄糖溶液和蔗糖溶液的C-I關(guān)系與旋光效應(yīng)的特征能很好地吻合，探測(cè)器所接受到的光強(qiáng)與溶液濃度呈很好的線性關(guān)系。要測(cè)量某旋光溶液的濃度，只要有同等條件下透過(guò)檢偏器的光信號(hào)強(qiáng)度，就可以通過(guò)旋光溶液的C-I曲線，獲得旋光溶液的濃度。

3.3 自建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與旋光儀測(cè)量結(jié)果的對(duì)比

將自建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)儀器的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，是儀器開(kāi)發(fā)中經(jīng)常采用的方法，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)該培養(yǎng)學(xué)生這方面的能力。為此，實(shí)驗(yàn)中，將自建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與旋光儀對(duì)樣品的測(cè)量結(jié)果做了比對(duì)。將同一個(gè)樣品先后放在自建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和WXG-4圓盤(pán)旋光儀中分別對(duì)旋光角度做了測(cè)量，如圖7所示，是兩種測(cè)量方法的對(duì)比結(jié)果。其中圖7(a)和圖7(b)分別表示樣品池長(zhǎng)度為20 cm和10 cm時(shí)，兩種方法對(duì)不同濃度蔗糖溶液測(cè)量結(jié)果的對(duì)比結(jié)果；圖7(c)和圖7(d)分別表示樣品池長(zhǎng)度為20 cm和10 cm時(shí)，兩種方法對(duì)不同濃度葡萄糖溶液測(cè)量結(jié)果的對(duì)比，橫坐標(biāo)是自建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)得的不同樣品溶液的旋光角φ1，縱坐標(biāo)是用WXG-4圓盤(pán)旋光儀測(cè)得的不同樣品的旋光角φ2。將 φ1與 φ2之間的關(guān)系通過(guò)線性函數(shù) φ2＝kφ1＋b 擬合，擬合結(jié)果列出表格，如表3所示。從圖7和表3給出的擬合結(jié)果可以看出，對(duì)同一樣品，自建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和WXG-4圓盤(pán)旋光儀的測(cè)量結(jié)果之間呈非常好的線性關(guān)系，擬合曲線的斜率都接近于1，這表明自建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與WXG-4圓盤(pán)旋光儀的測(cè)量結(jié)果能夠很好地吻合。

圖7 自建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與圓盤(pán)旋光儀測(cè)量結(jié)果的對(duì)比

表3 自建系統(tǒng)和旋光儀對(duì)樣品測(cè)量的對(duì)比擬合結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是高等學(xué)校理工科學(xué)生的必修課，以動(dòng)手操作實(shí)驗(yàn)為教學(xué)手段，其目的在于對(duì)學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)全面的實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練。但因?yàn)槭軆x器集成化思想的影響，用旋光儀測(cè)量溶液濃度這一在現(xiàn)行大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中被普遍采用的教學(xué)項(xiàng)目，卻很難達(dá)到既定的教學(xué)目的，針對(duì)這一問(wèn)題，搭建了一套基于旋光效應(yīng)測(cè)量溶液濃度的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過(guò)測(cè)量旋光角度和光強(qiáng)兩種方法，開(kāi)展了對(duì)不同濃度的葡萄糖溶液和蔗糖溶液的測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果與WXG-4圓盤(pán)旋光儀的測(cè)量結(jié)果做了比對(duì)。實(shí)驗(yàn)操作時(shí)能夠?qū)⒂^察現(xiàn)象、操作儀器和原理分析緊密結(jié)合起來(lái)，能夠讓學(xué)生清晰地觀察到各種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的來(lái)龍去脈，避免了學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作中機(jī)械記錄數(shù)據(jù)卻不知數(shù)據(jù)從何而來(lái)的弊端，將其作為用旋光儀測(cè)量溶液濃度實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充，不但能夠彌補(bǔ)儀器集成所導(dǎo)致的學(xué)生囫圇吞棗式完成實(shí)驗(yàn)的弊端，還可以為以后開(kāi)展研究型實(shí)驗(yàn)打下很好的基礎(chǔ)；既有利于啟迪學(xué)生的創(chuàng)新思維，又有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，真正做到提高學(xué)生綜合素質(zhì)訓(xùn)練、充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的。

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Design and Realization of Solution Concentration Measurement System Based on the Optical Rotation Effect

PEI Shixin， CUI Fenping， HUA Yanan， WANG Yu
(College of Physics＆ Opto-Electronic Engineering， Nanjing University of Information Science＆Technology， Nanjing 210044， China)

Based on the optical rotation reaction，a set of solution concentration measurement system was set up in the labora tory.By measuring the rotation angle and the transmitted light intensity，different concentrations of glucose and sucrose solutions were measured in the sample cells in 20 cm and 10 cm by measuring the optical rotation angle and transmitted light intensity Compared with the measurement results and WXG-4 disc polarimeter measurement results.The experiment results show that the linear relationship between the rotation angle and the transmitted light intensity with the solution concentration are well established，and the measurement results are in good agreement with the measurement results of WXG-4 disc-polarimeter.It can be used as a supplement to the"Measuring the of solution concentration by an optical polarimeter"program.

college physics experiment； optical rotation effect； glucose； sucrose

G484

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.05.004

2016-12-23；修改日期:2017-02-23

南京信息工程大學(xué)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題(2017)。

裴世鑫(1978-)，男，博士，副教授，主要從事光譜學(xué)與光譜技術(shù)領(lǐng)域的科學(xué)研究及大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)和光電信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)研究。