蔗糖溶液旋光效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究

王曉萌，王世燕，李 靜

（中國(guó)石油大學(xué)（華東） 理學(xué)院，山東 青島 266580）

蔗糖溶液旋光效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究

王曉萌，王世燕，李 靜

（中國(guó)石油大學(xué)（華東） 理學(xué)院，山東 青島 266580）

采用自行搭建的旋光儀分別測(cè)量了不同波長(zhǎng)的入射單色光對(duì)不同濃度蔗糖溶液旋光度的影響，分析了蔗糖溶液旋光率隨波長(zhǎng)的變化關(guān)系，并對(duì)蔗糖溶液的左旋、右旋特性進(jìn)行判斷。自行搭建的實(shí)驗(yàn)裝置有助于對(duì)旋光效應(yīng)產(chǎn)生更直觀的認(rèn)識(shí)和理解，對(duì)教學(xué)內(nèi)容起到豐富和拓展作用。該裝置也適用于對(duì)液體、固體等旋光介質(zhì)旋光效應(yīng)的測(cè)量。

不同波長(zhǎng)單色光；旋光效應(yīng)；旋光度；旋光率

偏振光通過(guò)某些物質(zhì)后，光振動(dòng)面會(huì)以光傳播方向?yàn)檩S發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象叫做旋光效應(yīng)。不同的旋光物質(zhì)具有不同的旋光效應(yīng)。旋光物質(zhì)具有左旋屬性或右旋屬性，對(duì)于偏振面沿光軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的稱為左旋屬性，具有右旋屬性的物質(zhì)則相反［1-2］。研究旋光物質(zhì)的旋光效應(yīng)不僅在光學(xué)上有特殊意義，在制藥、制糖、香料、石油等工業(yè)上也有廣泛的應(yīng)用［3-5］。

在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，液體旋光效應(yīng)研究這一實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，通常采用調(diào)整三分視場(chǎng)尋找暗場(chǎng)以測(cè)定旋光度的實(shí)驗(yàn)方法，研究單一波長(zhǎng)光源對(duì)不同濃度蔗糖溶液旋光效應(yīng)的影響。本文在此基礎(chǔ)上，采用自組裝的旋光儀測(cè)量了473，532，589，650 nm共4種不同波長(zhǎng)的單色光光源對(duì)不同濃度蔗糖溶液旋光效應(yīng)的影響，并對(duì)蔗糖溶液的左旋、右旋特性進(jìn)行判斷。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)，會(huì)加深學(xué)生對(duì)偏振光、旋光效應(yīng)及旋光儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)的理解，對(duì)旋光率隨入射波長(zhǎng)的變化有一定的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也可以完善和拓展大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)有關(guān)旋光效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

1 實(shí)驗(yàn)原理

偏振光沿光軸在旋光介質(zhì)中傳播時(shí)，振動(dòng)面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的效應(yīng)稱為旋光效應(yīng)。旋光物質(zhì)種類(lèi)眾多，主要可分為左旋和右旋兩種。偏振光經(jīng)過(guò)旋光物質(zhì)后，偏振光振動(dòng)面沿軸旋轉(zhuǎn)過(guò)的角度稱為旋光度，記為φ。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)可知，旋光度φ與旋光介質(zhì)的長(zhǎng)度L有關(guān)［6］:式中，a為旋光介質(zhì)的旋光率，是表征介質(zhì)旋光特性的重要物理量。對(duì)于同一旋光介質(zhì)，在溫度一定時(shí)，旋光率隨著入射波長(zhǎng)的變化而發(fā)生改變。通常將旋光率與波長(zhǎng)的變化關(guān)系叫作旋光率色散，一般用旋光率色散曲線（旋光率隨入射波長(zhǎng)變化曲線）描述。對(duì)于液體旋光介質(zhì)而言，旋光度不僅和旋光介質(zhì)的長(zhǎng)度有關(guān)，還受到旋光溶液濃度的影響。液體旋光介質(zhì)的旋光度表示為:

對(duì)于特定波長(zhǎng)的入射光而言，如果已知溶液的長(zhǎng)度L和濃度C，通過(guò)測(cè)量旋光度可以計(jì)算出旋光率a，從而問(wèn)題轉(zhuǎn)化為測(cè)量旋光度與波長(zhǎng)的變化關(guān)系。下面以蔗糖溶液介質(zhì)為例測(cè)量不同濃度下的旋光率色散曲線。

2 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法

將單色光光源、起偏器、樣品架、檢偏器、光電探測(cè)器（WPZ型光電檢流計(jì)）依次置于光學(xué)平臺(tái)上的光具座上。調(diào)節(jié)光路使光具座上各實(shí)驗(yàn)器件共軸等高。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

實(shí)驗(yàn)方法:

1）配置不同濃度的蔗糖溶液。分別配置0.1，0.2，0.3，0.4，0.5 g·mL-1共5種不同濃度的蔗糖溶液。將配置好的不同濃度的蔗糖溶液分別置于20 cm長(zhǎng)的試管中。

2）按照?qǐng)D1所示布置好實(shí)驗(yàn)光路。在放置待測(cè)溶液前旋轉(zhuǎn)檢偏器直到發(fā)生完全消光為止（當(dāng)數(shù)字檢流計(jì)的示數(shù)在最小值附近跳動(dòng)即為完全消光），記下此時(shí)檢偏器的角度讀數(shù)。

3）搖晃待測(cè)溶液使其濃度均勻，將其平放在樣品架上，然后仔細(xì)調(diào)節(jié)光路使各光學(xué)器件等高共軸并注意此時(shí)檢流計(jì)的示數(shù)。同時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器（注意檢偏器旋轉(zhuǎn)的方向，以確定蔗糖溶液是右旋物質(zhì)還是左旋物質(zhì)），直到再次出現(xiàn)完全消光為止，記下此時(shí)檢偏器轉(zhuǎn)過(guò)的角度即為該濃度下溶液的旋光度。按照步驟3）重復(fù)測(cè)量3次數(shù)據(jù)，從而求得旋光度的平均值。

4）替換入射光源，依次用473，532，589，650 nm波長(zhǎng)的單色光光源重復(fù)測(cè)量步驟1）～步驟3）。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)在室溫20℃下測(cè)量了4種不同波長(zhǎng)光源下蔗糖溶液旋光度與溶液濃度的關(guān)系如圖2所示。圖中曲線分別為對(duì)不同波長(zhǎng)下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作最小二乘法一元線性擬合后［7］所得，從圖2可以看出，在每種入射波長(zhǎng)下，溶液旋光度與溶液濃度直線擬合度都很好，每條直線的斜率即為相應(yīng)波長(zhǎng)光源下所對(duì)應(yīng)的蔗糖溶液的旋光度與濃度比值。根據(jù)式（2）可知，直線斜率除以溶液長(zhǎng)度就得到了溶液的旋光率α。不同波長(zhǎng)的入射光所對(duì)應(yīng)的蔗糖溶液旋光率如表1所示，可以看出介質(zhì)旋光率隨入射波長(zhǎng)的紅移而減小。

圖2 不同波長(zhǎng)下旋光度與溶液濃度的關(guān)系

查詢手冊(cè)得知溶液在溫度20℃，波長(zhǎng)589 nm時(shí)的旋光率為53.0［（°）g-1·dm-1·mL］［8］，得到本實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)量相對(duì)誤差為5.35左右。

表1 不同波長(zhǎng)下蔗糖溶液旋光率

圖3 旋光率色散曲線

圖3為溶液旋光率隨波長(zhǎng)變化曲線圖，曲線是對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合后得到的，可以看出溶液旋光率隨入射波長(zhǎng)的增大而減小，所得旋光率色散曲線大致符合當(dāng)溫度一定時(shí)，旋光率與入射波長(zhǎng)的平方成反比的理論［9］。限于實(shí)驗(yàn)條件，本實(shí)驗(yàn)只選取了四種不同波長(zhǎng)的單色光光源，要想得到精確的溶液旋光率色散曲線，就應(yīng)該想辦法得到更多的不同波長(zhǎng)的單色光。另外，在測(cè)量溶液旋光度時(shí)，為了達(dá)到再次消光，檢偏器將沿著光軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)一定角度。通過(guò)檢偏器旋轉(zhuǎn)的方向可以判斷出蔗糖溶液是一種具有右旋特性［10］的旋光介質(zhì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)用自行搭建的旋光實(shí)驗(yàn)儀研究了蔗糖溶液的旋光效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)顯示，通過(guò)檢偏器旋轉(zhuǎn)的方向判斷出蔗糖溶液是一種具有右旋屬性的旋光物質(zhì)。當(dāng)溫度一定時(shí)（室溫20℃），不同入射光波長(zhǎng)下，蔗糖溶液的旋光度的測(cè)量結(jié)果都很好，并且溶液旋光率隨著入射光波長(zhǎng)的增大而有減小的趨勢(shì)。當(dāng)然，要想得到準(zhǔn)確的蔗糖溶液旋光率色散曲線還需得到更多不同波長(zhǎng)的單色光。實(shí)驗(yàn)除了可以讓學(xué)生更直觀地觀察旋光效應(yīng)現(xiàn)象外，還增加了物質(zhì)旋光效應(yīng)與波長(zhǎng)關(guān)系的研究，介質(zhì)旋光屬性的判斷等內(nèi)容，從而豐富、拓展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容；另外，該實(shí)驗(yàn)裝置還可以對(duì)固體物質(zhì)的旋光效應(yīng)進(jìn)行測(cè)定。

［1］高峻峰，孟玲菊.物質(zhì)的絕對(duì)構(gòu)型與旋光性的關(guān)系［J］.大學(xué)化學(xué)，2010，25（6）:41-47.

［2］馬克生.生物手性分子螺旋結(jié)構(gòu)與旋光性的理論研究［D］.曲阜師范大學(xué)，2009.

［3］連會(huì).旋光法測(cè)定蜂蜜中蔗糖、果糖和葡萄糖的含量［J］.北京農(nóng)業(yè)，2011（6）:7-8.

［4］李書(shū)光.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)［M］.北京:科學(xué)出版社，2012:103-108.

［5］郭天葵，周述蒼，張戰(zhàn)士.不同光源對(duì)旋光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的影響［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，30（8）: 255-257.

［6］姜宗福，劉文廣，侯靜.物理光學(xué)導(dǎo)論［M］.北京:科學(xué)出版社，2011.

［7］周劍平.Origin實(shí)用教程:7.5版［M］.西安:西安交通大學(xué)出版社，2007:95-96.

［8］李景鎮(zhèn).光學(xué)手冊(cè)［M］.西安:陜西省科學(xué)技術(shù)出版社，1986.

［9］張國(guó)城.具有溫補(bǔ)功能旋光儀引發(fā)的思考［J］.中國(guó)計(jì)量，2013（11）:80-81.

［10］左安友，袁作彬.在旋光實(shí)驗(yàn)中判斷左、右旋物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)探討［J］.物理通報(bào)，2004（3）:28-30.

Experiment Study of Rotation Effect of Sucrose Solution

WANG Xiaomeng，WANG Shiyan，LI Jing
（College of Science，China University of Petroleum（East China），Qingdao 266580，China）

The effect of rotation angel on different concentration sucrose solution in different light sources is measured.The modified instrument can analyze the trend of rotation rate changes with the light source wavelength.Through rotating polarization analyzer，the sucrose solution attribute of left rotation or light rotation is measured.It is proven that the experiment instrument is used for a more intuitive and more profound understanding of the effect rotation，which enriches and expands the experiment teaching contents.In addition to the liquid media，the measurement method is also suitable for the solid media.

different wavelengths of light；rotation effect；rotation angle；rotation rate

O436.3

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2016.05.023

2015-03-03

中國(guó)石油大學(xué)（華東）教學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)改革資助項(xiàng)目（SY-B201413）。

王曉萌（1989-），女，碩士，助理實(shí)驗(yàn)師，主要從事物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)及管理工作。