劉邵鵬，許亞軍，劉　烈，陳余行

(上海工程技術大學，上?！?01620)

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*通訊聯(lián)系人

基于不同波長的光對葡萄糖溶液旋光色散的研究

劉邵鵬，許亞軍，劉烈*，陳余行

(上海工程技術大學，上海201620)

摘 要：通過不同波長的光源照射葡萄糖水溶液，觀察到旋光現(xiàn)象，并測出了不同波長所對應的旋光度，從而計算出它們的旋光率。通過分析測量數(shù)據(jù)得，在一定溫度下葡萄糖溶液旋光率與波長具有對應的函數(shù)關系，證實了旋光率與照射光源波長倒數(shù)的平方成正比。

關鍵詞：旋光度，旋光率，旋光色散

自然光通過偏振片或尼科爾棱鏡后，該光束就只有一個偏振平面,稱之為偏振光[1]；如果線偏振光再通過某些晶體或某些物質的溶液后，偏振光的偏振面將旋轉一定的角度，這種現(xiàn)象稱為旋光現(xiàn)象[13]，該偏振面旋轉的角度稱為旋光度或旋光角，能夠使偏振光的偏振面發(fā)生偏轉的物質稱為旋光性物質，旋光性物質分為兩類：迎著射來的光線看去，如果旋光性物質使振動面順時針旋轉，那么這種物質稱為右旋物質，如葡萄糖、麥芽糖或蔗糖的水溶液。反之如果振動面逆時針旋轉，這種物質稱為左旋物質，如轉化糖或果糖的水溶液[2,15]。旋光率的大小和旋轉的方向(右旋或左旋) 則決定于旋光物質的內(nèi)部結構；而同一旋光物質對于不同波長的線偏振光的旋光率是不相同的[3]。不同波長的光在同一旋光性物質中旋光率不同，這種現(xiàn)象稱為旋光色散現(xiàn)象[4-7]。

目前大學物理實驗中的旋光儀實驗均為觀測溶液的旋光現(xiàn)象，對旋光色散雖有提及，但對其規(guī)律卻缺少研究，本文將運用配制一定濃度的葡萄糖溶液，利用不同光源發(fā)出的波長進行照射，進行旋光率隨波長變化規(guī)律的研究，探究葡萄糖溶液的旋光色散現(xiàn)象。

1實驗原理

偏振面旋轉的角度φ稱為旋轉角或旋光度，它與偏振光通過的溶液長度L和溶液中旋光性物質的濃度c成正比,即：φ=αcL[11],該式中，α稱該物質的旋光率,它在數(shù)值上等于偏振光通過單位長度(1分米)、單位濃度(1 克/毫升)的溶液后引起振動面旋轉的角度。c用克/毫升表示，L用分米表示[10]。

如圖1所示。如果轉動檢偏鏡，視場依次出現(xiàn)(a)、(b)、(c)、(d)圖像。由于暗視場下光強隨角度變化的靈敏度比亮視場靈敏度高，所以將三分視場均勻暗的位置(圖1(b))作為儀器的讀數(shù)位置[12]。測量時以無測試溶液時，旋轉檢偏器旋光儀視場中出現(xiàn)圖1(b)圖像時讀出的數(shù)值作為儀器的零點，放入旋光液體后再次旋轉檢偏器使三分視場均勻暗，再次出現(xiàn)(b)圖視場時讀出的數(shù)值減去零點讀數(shù)，即檢偏鏡轉過的角度即為被測試溶液的旋光度φ。

圖1　三分視場光強變化圖像

2實驗過程

2.1實驗儀器及條件

WXG-4型旋光儀，Na燈(λ=589.3 nm)、高壓汞燈、濾光片(λ=435.8 nm、546.1 nm、577.0 nm)，激光光源(λ=632.8 nm)，濃度為20%的葡萄糖溶液；由于溫度對旋光物質的旋光率有關，實驗表明，在室溫條件下溫度每升高(或降低)1 ℃其旋光率約減小(或增加)0.024 °·ml·dm-1·g-1,因此溫度對實驗的誤差將產(chǎn)生很大影響[1]，本實驗期間將注意保持測試管溫度不變，以避免溫度變化帶來的影響。

2.2實驗步驟

(1)調(diào)節(jié)旋光儀的目鏡，使能看清視場中三部分的分界線。WXG-4型旋光儀：主要構造為起偏器和檢偏器兩部分。起偏器俗稱第一尼科爾棱鏡，是使各向振動的可見光起偏振，它固定在儀器的前端。檢偏器用來測定偏振面的轉動角度，稱為第二尼科爾棱鏡，隨刻度盤一起轉動[8]；轉動檢偏鏡，校驗零點位置，記下左右刻度盤上的相應讀數(shù)。當實際測定某旋光物質的旋光度時，應該將此偏差值減去，得出的才是該旋光物質溶液的真實旋光度φ[9]。

圖2　旋光度測量原理圖

(2)將注入濃度為20%葡萄糖水溶液的測試管放入旋光儀內(nèi)，旋轉目鏡至適當處后，并根據(jù)半蔭法原理，先記錄零位讀數(shù)；而后用不同波長的光源照射，測量出不同波長的光波照射溶液后偏振光的旋轉角度，并計算旋光度φ。

(3)改變光源并重復上述步驟：使用高壓汞燈作為光源時，將不同規(guī)格的濾光片置于旋光儀鏡頭前方來改變?nèi)肷涔獠ㄩL(435.8 nm,546.1 nm,577.0 nm)；在用氦氖激光作為光源(632.8 nm)測量其旋光度時，要注意激光器與旋光儀的光軸要保持平行，且激光光束發(fā)散角小，光照強度高，實驗時在激光與旋光儀之間還加了擴束鏡和毛玻璃；每次更換光源時，都重新校驗零點位置，以減少誤差[14]。

3數(shù)據(jù)分析及實驗結果

表1　不同波長λ對應旋光度φ測量及α*計算結果數(shù)據(jù)表

* 根據(jù) 式計算,其中葡萄糖溶液濃度c=0.2 g/mL,，L=2 dm,室溫不變

2.測量結果及分析

圖與α函數(shù)關系圖線

4結論

1.根據(jù)實驗結果得到葡萄糖溶液的旋光率α隨光波波長變化而變化，波長改變對旋光度φ的大小都會有影響，從而影響到旋光物質的旋光率α。

3.本文來自學生創(chuàng)新實驗選題，由學生自主設計實驗目標、實驗方案并通過實驗獲得實驗結果，并撰寫了本文，如果實驗課程中能利用現(xiàn)有實驗條件，鼓勵學生對發(fā)現(xiàn)的問題進行探索，可以擴大學生的視野，對培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和科學素養(yǎng)是一種很好的方法。

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Study on the Optical Rotator Dispersion of Glucose Solution Based on Different Wavelength

LIU Shao-peng,XU Ya-jun,LIU Lie,CHEN Yu-hang

(Shanghai University of Engineering Science,Shanghai 201620)

Abstract：The optical rotation is observed by the different wavelength of the light source,and the optical rotation is measured at different wavelengths.By analyzing the measured data,the function relation between the specific rotation and the wavelength of the glucose solution at a certain temperature was confirmed.

Key words：optical rotation；specific rotation；optical rotation dispersion

中圖分類號：O 436.3

文獻標志碼：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.001.005

文章編號：1007-2934(2016)01-0020-03

收稿日期：2015-09-08