兩種旋光儀測(cè)量葡萄糖溶液濃度的教學(xué)研究

厲桂華，叢曉燕，張 紅，趙文麗

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 泰安 271000)

光是電磁橫波，其電場(chǎng)矢量和磁場(chǎng)矢量振動(dòng)的方向與光的傳播方向垂直。由于電場(chǎng)的物理效應(yīng)通常比磁場(chǎng)顯著，因此用電場(chǎng)矢量表示光矢量。在與光傳播方向垂直的平面內(nèi)，光矢量可以分為自然光、部分偏振光、線偏振光、圓偏振光和橢圓偏振光[1]。1811年，阿喇果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)線偏振光通過某些透明物質(zhì)時(shí)，它的振動(dòng)面將圍繞光的傳播方向轉(zhuǎn)過一定的角度，這種現(xiàn)象叫作旋光效應(yīng)，使光的振動(dòng)面產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的物質(zhì)叫作旋光物質(zhì)。迎著光的傳播方向看，使光的振動(dòng)面順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的物質(zhì)叫右旋物質(zhì)，反之則為左旋物質(zhì)[2-4]。這些物質(zhì)的旋光效應(yīng)在科研檢測(cè)部門有很多應(yīng)用。例如醫(yī)藥工業(yè)，藥檢部門，商品檢測(cè)部門經(jīng)常采用旋光法測(cè)量藥物或商品的濃度；在制糖工業(yè)和食品工業(yè)中，旋光儀也是經(jīng)常應(yīng)用的儀器之一。所以，偏振光旋光實(shí)驗(yàn)是綜合性大學(xué)、工科院校、醫(yī)學(xué)類院校重要的光學(xué)實(shí)驗(yàn)。

在偏振光旋光實(shí)驗(yàn)中，大家普遍采用WXG-4型旋光儀進(jìn)行測(cè)量[5]。由于長(zhǎng)時(shí)間使用旋光儀，人眼對(duì)視場(chǎng)位置中等亮、等暗視場(chǎng)的敏感度下降，導(dǎo)致較大的實(shí)驗(yàn)誤差。在FD-PE-B偏振光旋光實(shí)驗(yàn)儀中增加一個(gè)樣品管調(diào)節(jié)架后，組成了自組裝分體式旋光儀。經(jīng)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，一方面它所測(cè)數(shù)據(jù)的精確度很高，不遜色于WXG-4型旋光儀。另一方面它采用分立元件組裝測(cè)量光路，既鍛煉了學(xué)生動(dòng)手能力，也讓學(xué)生加深了對(duì)旋光的認(rèn)識(shí)。

1 實(shí)驗(yàn)原理

(1)

式中“+”表示右旋，“-”表示左旋。實(shí)驗(yàn)中忽略以上兩個(gè)因素，假設(shè)λ一定時(shí)，α是常數(shù)。所以有

φ=αlc/100

(2)

其中L為溶液玻璃管的長(zhǎng)度，單位dm，c為溶液濃度，單位g·(100 mL)-1。反之，對(duì)已知旋光率的物質(zhì)，可以通過測(cè)量旋光度求得該物質(zhì)的溶液濃度，即

c=100φ/αl

(3)

實(shí)驗(yàn)中α采用(1)式中的值。實(shí)驗(yàn)屬于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，裝入玻璃管的糖溶液濃度為10 g·(100 mL)-1，在數(shù)據(jù)分析時(shí)可以作為參考值。

2 實(shí)驗(yàn)過程

2.1 WXG-4型旋光儀測(cè)量葡萄糖溶液濃度

實(shí)驗(yàn)裝置及各部件名稱如圖1所示。

圖1 WXG-4型旋光儀

由于亮度低的情況下，人眼對(duì)光線的反應(yīng)更敏感，所以選擇采用等暗視場(chǎng)測(cè)量溶液濃度。

表2 WXG-4旋光儀得到的溶液濃度(濃度單位g·(100 mL)-1)

注意：刻度盤上180°和0°重合，如果轉(zhuǎn)角跨過了0°，則計(jì)算時(shí)要進(jìn)行角度轉(zhuǎn)換。

2.2 自組裝分體式旋光儀測(cè)量葡萄糖溶液濃度

將實(shí)驗(yàn)裝置組裝如圖2所示。

圖2 自組裝分體式旋光儀實(shí)物圖

先檢查激光器插頭和光功率計(jì)探頭是否與光功率計(jì)連接好。接著放上一個(gè)樣品管調(diào)節(jié)架，并取下檢偏器P2。調(diào)整激光器，使激光束與檢偏器P1、光功率計(jì)探頭共軸等高。然后調(diào)節(jié)P1，使激光束從P1中心通過。最后，安裝上檢偏器P2并對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)，使激光束通過中心。

在調(diào)節(jié)架上放入1 dm的蒸餾水管，使激光穿過中心出射。調(diào)節(jié)P2，使光功率計(jì)示數(shù)最小，然后將光功率計(jì)的示數(shù)調(diào)節(jié)為零，記錄此時(shí)P2的位置φ1。將蒸餾水管取下，換上1 dm的葡萄糖溶液管，發(fā)現(xiàn)光功率計(jì)示數(shù)變大。這時(shí)，再次調(diào)節(jié)P2，使光功率計(jì)示數(shù)為零，記錄此時(shí)P2的位置φ2。同理，將2 dm的蒸餾水管和葡萄糖溶液管放入調(diào)節(jié)架上，重復(fù)上述步驟。每個(gè)長(zhǎng)度的溶液反復(fù)測(cè)量20次，計(jì)算出40組溶液濃度后填入表3。

表3 自組裝分體式旋光儀得到的溶液濃度(濃度單位g·(100 mL)-1)

3 數(shù)據(jù)處理與分析

觀察表1中的數(shù)據(jù)可知，WXG-4旋光儀測(cè)得的旋光度分別為4.97和9.88，計(jì)算出葡萄糖溶液濃度分別為9.43 g·(100 mL)-1和9.37 g·(100 mL)-1，與標(biāo)準(zhǔn)值10 g·(100 mL)-1相比，誤差分別為5.7%和6.3%。根據(jù)表1中前四列數(shù)據(jù)可以判斷，葡萄糖溶液確實(shí)是右旋物質(zhì)。作者把表2中的40組濃度數(shù)據(jù)用畫圖軟件整理后如圖3所示，不管是1 dm的溶液還是2 dm的溶液，濃度值均有一定波動(dòng)，但是所有的溶液濃度值均在1.12 g·(100 mL)-1范圍內(nèi)波動(dòng)。

表1 WXG-4旋光儀測(cè)量葡萄糖溶液濃度

圖3 WXG-4旋光儀得到的溶液濃度

表3是由自組裝分體式旋光儀所測(cè)旋光度計(jì)算出的40組溶液濃度，然后把這些數(shù)據(jù)用圖4表示出來。同樣，兩種長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的溶液濃度也呈現(xiàn)一定的波動(dòng)，除去第一組誤差最大，其他數(shù)據(jù)的波動(dòng)均在1.43 g·(100 mL)-1范圍內(nèi)。所以可以判斷，自組裝分體式旋光儀測(cè)得的旋光度和WXG-4旋光儀測(cè)得的旋光度精度相當(dāng)[6]。在大學(xué)物理旋光實(shí)驗(yàn)中，完全可以用自組裝分體式旋光儀來完成包括偏振光產(chǎn)生及檢驗(yàn)、馬呂斯定律的驗(yàn)證和葡萄糖溶液旋光度的測(cè)量等多項(xiàng)偏振光相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。

圖4 自組裝分體式旋光儀得到的溶液濃度

4 結(jié) 語(yǔ)

通過在FD-PE-B偏振光旋光實(shí)驗(yàn)儀中增加一個(gè)樣品管調(diào)節(jié)架后，組成了自組裝分體式旋光儀。然后，分別采用自組裝分體式旋光儀和WXG-4型旋光儀測(cè)量葡萄糖溶液濃度，經(jīng)數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，二者所測(cè)數(shù)據(jù)精度相當(dāng)。因此，與偏振光相關(guān)的基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性與研究性物理實(shí)驗(yàn)完全可以采用自組裝分體式旋光儀來獨(dú)立完成。同時(shí)增加了學(xué)生動(dòng)手、動(dòng)腦的內(nèi)容，使之更深刻的理解旋光的意義。此外，也減少購(gòu)買實(shí)驗(yàn)儀器的花費(fèi)。