基于旋光效应的溶液浓度测量系统设计与实现

裴世鑫，崔芬萍，华亚南，王 昱

基于旋光效应的溶液浓度测量系统设计与实现

裴世鑫，崔芬萍，华亚南，王 昱

(南京信息工程大学 物理与光电工程学院，江苏 南京 210044)

搭建了一套基于旋光效应测量溶液浓度的实验系统，分别采用测量旋光角度和透射光强的方法，在20 cm和10 cm长的样品池中，对不同浓度的葡萄糖溶液和蔗糖溶液做了测量，并将测量结果与WXG-4圆盘旋光仪的测量结果做了对比。实验结果表明，自建实验系统能很好地给出旋光角和透射光强与溶液浓度之间的线性关系，测量结果与WXG-4圆盘旋光仪的测量结果能很好地吻合，可将其作为 “用旋光仪测量溶液浓度实验”的补充。

大学物理实验；旋光效应；葡萄糖；蔗糖

大学物理实验是面向高等学校理工科专业一年级学生开设的实验课程，是学生掌握实验方法和实验技能的开端，在培养学生理解物理概念，提高动手能力、理论联系实际能力、创新思维能力及分析和解决问题能力方面都具有重要意义。

用旋光仪测量溶液浓度是大学物理实验中的一个实验项目，其目的在于观察线偏振光通过旋光物质时所发生的旋光现象，了解旋光仪的结构和工作原理，学习用旋光仪测定旋光性物质的旋光率和浓度[1]，是一个典型的仪器外形简单、实验操作容易，但仪器内部结构复杂的实验项目[2]，多数学生可在半小时内完成实验，但很多学生对于实验数据的获取原理并不清楚，这种现象的出现在很大程度上是因为旋光仪的高度集成性所引起的。

受实验教学仪器集成化思想的影响，近年来大学物理实验教学仪器的集成化程度越来越高，组成仪器的部件被封装在一起，学生很难看到实验仪器的内部结构，旋光仪也不例外[3-5]。实验仪器集成化的优点是便于操作，有助于快速观察到实验现象、获得实验数据。如果实验是以练习使用仪器、分析测试结果为目的，如旋光仪在药检技术、化学分析等专业实验中的应用[6-9]，仪器的集成化具有其自身的优势。但对于大学物理实验来说，实验仪器的集成化则有其明显的弊端。学生在实验过程中只能根据教材内容机械地操作，却对为什么要执行操作并不明白，以至于获得了很好的实验数据，却没有弄明白实验原理，这不仅没有达到通过实验操作直观理解实验原理的教学目的，还有可能会影响学生做实验的兴趣[10-11]。

因此，面对大学物理实验教学仪器的集成化，如何发挥其优点，解决其弊端就成为大学物理实验教学中必须要面对的问题。本文作者基于多年的实验教学经验，针对用旋光仪测量溶液浓度这一实验项目中因仪器的集成化所引发的问题，设计并搭建了一套基于旋光效应的溶液浓度测量系统，对不同浓度的蔗糖和葡萄糖溶液做了测量，并将其测量结果与WXG-4圆盘旋光仪的测量结果做了比对，建议将自建实验系统与旋光仪同时作为用旋光仪测量溶液浓度实验的教学内容，既能让学生掌握旋光仪的工作原理，又能体验集成化旋光仪所带来的便利，达到提高实验教学质量的目的。

1 基于旋光效应的溶液浓度测量原理

如图1所示，当一束偏振光经过旋光物质时，偏振光的振动面将以光的传播方向为轴发生一定角度的旋转，旋转的角度φ称为旋光度。因为不同的旋光物质会使振动面向不同方向旋转，因此，物质的旋光性分为左旋和右旋。

图1 旋光效应示意图

实验表明，对具有旋光性的透明溶液来说，当入射光的波长给定时，旋光角φ除了与偏振光通过溶液的长度L成正比，还与溶液浓度C成正比，即:

式中，φ的单位为度，L的单位为分米，C的单位为每立方厘米克。α是受测物质的比旋光度或旋光率，在数值上等于偏振光通过单位长度、单位浓度的溶液后所引起的振动面的旋转角度。

由式(1)可知，如果已知溶液浓度C和长度L，只要测出振动面的旋转角度φ，就可以求得这种物质的旋光率α；反之，如果知道了旋光率α和长度L，在测得旋光角φ的条件下，就可求出溶液的浓度。而旋光角φ的测量可以根据验证马吕斯定律实验[12]中起偏器和检偏器之间的夹角读出。

2 实验系统的设计与实现

如图2所示，是大学物理实验中常用的WXG-4圆盘旋光仪的光学系统结构图，通常以钠光灯为光源，由毛玻璃、聚光镜、滤色镜、偏振片1(起偏镜)、半波片、窗片、样品池、偏振片2(检偏镜)、物镜、目镜和调节与读数系统构成。其工作原理是:光源发出的光先经过毛玻璃片，使光束分布更趋均匀，然后经过透镜，汇聚为准平行光，再经过滤光片让波长为589.44 nm的黄光通过，通过滤光片的黄光再经过起偏器变成偏振光，在半波片处产生三分视场，之后经窗片进入样品池，在样品池旋光溶液的作用下，偏振面发生旋转，旋光角度通过检偏镜检出。

WXG-4圆盘旋光仪的光学系统可分为偏振光发生系统A，吸收池B，偏振光检测系统C和调节与读数系统D4大部分。但对于高度集成的旋光仪来说，最关键的光学部分A和C都被密封在金属筒内，实验中根本看不到旋光仪的内部结构，很难直观地理解和掌握旋光仪的工作原理。

图2 WXG-4圆盘旋光仪的光学系统结构示意图

针对因旋光仪的集成化带给实验教学的负面效应，提出了一种基于旋光原理和光电探测的溶液浓度测量系统。如图3所示，以中心波长为650 nm的半导体激光器为光源，从半导体激光器发出的激光，经起偏器后变成偏振光，偏振光进入样品池，在池内旋光溶液的作用下偏振面发生旋转，然后经过检偏器，最后用光电探测器检测，光电探测器检测到的光信号强弱通过激光功率计读出。

图3 基于旋光效应测量溶液浓度的实验系统原理图

3 结果与讨论

3.1 溶液浓度与旋光角之间的关系

对于图3所示系统，在没有样品池的情况下，将起偏器的偏振方向固定，然后调整检偏器的偏振方向，使探测器接收到的光信号最强，此时说明起偏器和检偏器的偏振方向相同，然后将样品池置于光路中，再次调节检偏器的角度，使探测器接收到的光信号最强，此时检偏器转过的角度就是样品池内旋光溶液在该浓度下的旋光角。

图4 葡萄糖和蔗糖溶液的C-φ关系

以葡萄糖溶液和蔗糖溶液为测试对象，选用长度为20 cm和10 cm的样品池，在两个不同长度的样品池中，测量了不同浓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浓度(C)与旋光角(φ)之间的C-φ关系，并对实验测量结果用线性函数φ＝kC＋b做了拟合，结果如图4所示，其中图4(a)所示是在两个不同长度的吸收池中对葡萄糖溶液的测量及拟合结果，图4(b)所示是在两个不同长度的吸收池中对蔗糖溶液的测量及拟合结果，为便于比较，对实验测量数据的拟合结果列表表示，如表1所示。

表1 葡萄糖和蔗糖溶液的C-φ关系拟合结果

从图4和表1可以看出，无论是葡萄糖溶液还是蔗糖溶液，当样品池的长度一定时，拟合结果与旋光效应的特征能够很好地吻合，旋光角与溶液浓度之间呈现良好的线性关系。如果要测量未知浓度的旋光溶液浓度，只要测得同等条件下的旋光角φ，就可以通过旋光溶液的C-φ曲线，确定其浓度。

3.2 溶液浓度与光信号强度之间的关系

对于图3所示系统，在没有样品池的情况下，固定起偏器的偏振方向，调整检偏器的偏振方向，使探测器接收到的光信号最强，然后将样品池置于光路中，激光功率计所记录的就是此浓度下偏振光经过检偏器的光信号强度。选用长度分别为20 cm和10 cm的样品池，在两个不同长度的样品池中，分别测量偏振光透过不同浓度的葡萄糖溶液和蔗糖溶液后，再经过检偏器的光信号强度，建立旋光溶液浓度(C)与光信号强度(I)之间的C-I曲线。

图5 原始数据与处理后数据的对比

因为自然光先后经过起偏器和检偏器后，其强度本身遵守马吕斯定律，因此，需要根据马吕斯定律对实验所测得的光信号强度做校正，如图5所示，是样品池长度为10 cm时，实验的原始数据、校正数据及其线性拟合的对比图。

从图5可以看出，原始数据和校正数据所给出的C-I曲线呈很好的线性关系，二者截距和斜率的标准差分别为 0.003 77、0.003 81和2.838×10-4、 2.870×10-4， 因此， 可通过建立 C-I曲线测量旋光溶液浓度。

图6 葡萄糖和蔗糖溶液的C-I关系

按照以上方法，获得了样品池长度为20 cm和10 cm时，葡萄糖溶液和蔗糖溶液的C-I曲线，并对实验结果用线性函数I＝kC＋b做了拟合，结果如图6所示，其中图6(a)是对葡萄糖溶液的测量及拟合结果，图6(b)是对蔗糖溶液的测量及拟合结果，为便于比较，将对实验测量数据的拟合结果列表表示，如表2所示。

表2 葡萄糖和蔗糖溶液的C-I关系拟合结果

从图6和表2可以看出，当样品池的长度一定时，葡萄糖溶液和蔗糖溶液的C-I关系与旋光效应的特征能很好地吻合，探测器所接受到的光强与溶液浓度呈很好的线性关系。要测量某旋光溶液的浓度，只要有同等条件下透过检偏器的光信号强度，就可以通过旋光溶液的C-I曲线，获得旋光溶液的浓度。

3.3 自建实验系统与旋光仪测量结果的对比

将自建实验系统与标准仪器的测量结果进行比对，是仪器开发中经常采用的方法，大学物理实验教学中应该培养学生这方面的能力。为此，实验中，将自建实验系统与旋光仪对样品的测量结果做了比对。将同一个样品先后放在自建实验系统和WXG-4圆盘旋光仪中分别对旋光角度做了测量，如图7所示，是两种测量方法的对比结果。其中图7(a)和图7(b)分别表示样品池长度为20 cm和10 cm时，两种方法对不同浓度蔗糖溶液测量结果的对比结果；图7(c)和图7(d)分别表示样品池长度为20 cm和10 cm时，两种方法对不同浓度葡萄糖溶液测量结果的对比，横坐标是自建实验系统测得的不同样品溶液的旋光角φ1，纵坐标是用WXG-4圆盘旋光仪测得的不同样品的旋光角φ2。将 φ1与 φ2之间的关系通过线性函数 φ2＝kφ1＋b 拟合，拟合结果列出表格，如表3所示。从图7和表3给出的拟合结果可以看出，对同一样品，自建实验系统和WXG-4圆盘旋光仪的测量结果之间呈非常好的线性关系，拟合曲线的斜率都接近于1，这表明自建实验系统与WXG-4圆盘旋光仪的测量结果能够很好地吻合。

图7 自建实验系统与圆盘旋光仪测量结果的对比

表3 自建系统和旋光仪对样品测量的对比拟合结果

4 结束语

大学物理实验是高等学校理工科学生的必修课，以动手操作实验为教学手段，其目的在于对学生进行系统全面的实验方法和实验技能训练。但因为受仪器集成化思想的影响，用旋光仪测量溶液浓度这一在现行大学物理实验中被普遍采用的教学项目，却很难达到既定的教学目的，针对这一问题，搭建了一套基于旋光效应测量溶液浓度的实验系统，通过测量旋光角度和光强两种方法，开展了对不同浓度的葡萄糖溶液和蔗糖溶液的测量，并将测量结果与WXG-4圆盘旋光仪的测量结果做了比对。实验操作时能够将观察现象、操作仪器和原理分析紧密结合起来，能够让学生清晰地观察到各种实验现象的来龙去脉，避免了学生在实验操作中机械记录数据却不知数据从何而来的弊端，将其作为用旋光仪测量溶液浓度实验的补充，不但能够弥补仪器集成所导致的学生囫囵吞枣式完成实验的弊端，还可以为以后开展研究型实验打下很好的基础；既有利于启迪学生的创新思维，又有利于培养学生的创新能力，真正做到提高学生综合素质训练、充分发挥实验教学的目的。

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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

南京信息工程大学实验室开放课题(2017)。

裴世鑫(1978-)，男，博士，副教授，主要从事光谱学与光谱技术领域的科学研究及大学物理实验和光电信息技术实验的教学研究。