微波分光儀測(cè)量葡萄糖溶液濃度

陳東禾, 梁小沖

(1. 四川大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院, 四川 成都 610211； 2. 四川大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 四川 成都 610211)

液體濃度是實(shí)際生產(chǎn)和教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)重要參量[1]。一般測(cè)量溶液濃度的方法有滴定法、分光光度法、比重計(jì)法和旋光度法等。傳統(tǒng)的旋光度法有兩種：一是利用旋光儀測(cè)定,二是自備簡(jiǎn)易裝置測(cè)定[2]。旋光儀操作簡(jiǎn)單,但成本高；自備簡(jiǎn)易裝置成本低,但儀器和操作復(fù)雜。

傳統(tǒng)旋光儀器的信號(hào)源為鈉光,為得到鈉光的偏振光需使用毛玻璃、聚光鏡、起偏器、半波片和檢偏器等設(shè)備[3]。本實(shí)驗(yàn)的信號(hào)源輸出單一偏振方向的微波,不需使用偏振板或起偏器等上述設(shè)備。此外,微波的相對(duì)大小可通過(guò)電流表的示數(shù)判斷,因此可省略掉傳統(tǒng)儀器中的目物鏡組。

1 實(shí)驗(yàn)原理

1.1 微波的性質(zhì)

微波和光都是電磁波,都具有波動(dòng)這一共性。都能產(chǎn)生反射、折射、干涉和衍射等現(xiàn)象[4]。由于微波的波長(zhǎng)比光波的波長(zhǎng)相差一萬(wàn)倍左右,因此用微波來(lái)做波動(dòng)實(shí)驗(yàn)比光學(xué)實(shí)驗(yàn)更直觀,方便和安全[5]。

1.2 微波的偏振

振動(dòng)方向?qū)τ趥鞑シ较虻牟粚?duì)稱性叫做偏振,它是橫波區(qū)別于其他縱波的一個(gè)最明顯的標(biāo)志。微波電矢量振動(dòng)的空間分布對(duì)于傳播方向失去對(duì)稱性的現(xiàn)象叫做微波的偏振[6]。只有橫波才能產(chǎn)生偏振現(xiàn)象。微波是一種電磁波,具有偏振現(xiàn)象。

本信號(hào)源輸出的電磁波經(jīng)喇叭后電場(chǎng)矢量方向是與喇叭的寬邊垂直的,相應(yīng)磁場(chǎng)矢量是與喇叭的寬邊平行的,垂直極化。而接收器由于其物理特性,它也只能收到與接收喇叭口寬邊相垂直的電場(chǎng)矢量(對(duì)平行的電場(chǎng)矢量有很強(qiáng)的抑制,認(rèn)為它接收為零)。所以當(dāng)兩喇叭的朝向(寬邊)相差θ時(shí),它只能接收一部份信號(hào)A=A0cosθ(A0為兩喇叭一致時(shí)收到的電流表讀數(shù))[7]。

1.3 溶液的旋光性

偏振光通過(guò)某些晶體或物質(zhì)的溶液時(shí),其振動(dòng)面以光的傳播方向?yàn)檩S線發(fā)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象,稱為旋光現(xiàn)象,如圖1所示。

圖1 溶液的旋光性

振動(dòng)面旋轉(zhuǎn)的角度α與旋光性物質(zhì)的溫度t、濃度c、旋光性物質(zhì)在此條件下的比旋光度[α],以及光在該物質(zhì)中的行程l有關(guān)[8]。比旋光度[α]即單位濃度和單位長(zhǎng)度下的旋光度,是旋光物質(zhì)的特征物理常數(shù)。

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)測(cè)量待測(cè)溶液的旋光角α、光在該物質(zhì)中的行程l,并利用已知的該溶液在此條件下的比旋光度[α]計(jì)算待測(cè)溶液的濃度。比旋光度公式[9]如下:

(1)

其中：[α]為溶液在一定溫度、一定的光波長(zhǎng)條件下的比旋光度；α為溶液的旋光角(°)；c為溶液的濃度，g/mL；l為旋光管長(zhǎng)度，dm。

實(shí)驗(yàn)中的葡萄糖溶液在室溫、微波波長(zhǎng)為2.844 59 m的條件下的比旋光度[α]=-17.6(負(fù)號(hào)代表左旋)[10]。旋光管長(zhǎng)度l=0.5 dm。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。打開(kāi)電源,將電流表示數(shù)調(diào)節(jié)到合適。取長(zhǎng)度為l的旋光管(試管T),將待測(cè)溶液裝入試管T,并將試管T安裝在中心臺(tái)上。由發(fā)射喇叭發(fā)出的偏振微波通過(guò)試管T中的溶液時(shí),其振動(dòng)面以傳播方向?yàn)檩S線發(fā)生旋轉(zhuǎn)。這時(shí)可觀察到電流表的示數(shù)減小。慢慢轉(zhuǎn)動(dòng)接收器,使電流表的示數(shù)再次達(dá)到極大值,記下接收器旋轉(zhuǎn)過(guò)的角度α。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置

3 實(shí)驗(yàn)方案及操作

(1) 將發(fā)射器(發(fā)射喇叭)和接收器(接收喇叭)安置在帶有角度計(jì)的中心平臺(tái)上,其中發(fā)射器安置在固定臂(2號(hào)鋼直尺)上,接收器安置在可動(dòng)臂(1號(hào)鋼直尺)上。發(fā)射器和接收器的喇叭口相對(duì),寬邊與地面平行。

(2) 調(diào)節(jié)發(fā)射器和接收器之間的距離(喇叭口相距40 cm左右)。調(diào)節(jié)發(fā)射器上的衰減器和電流表上的檔位開(kāi)關(guān),使接收器上的電流表的指示在2/3量程左右[11]。

(3) 取長(zhǎng)度為l的試管T,將待測(cè)濃度的葡萄糖溶液裝入試管T,并將試管T安裝在中心臺(tái)上。保持發(fā)射器、試管T和接收器在同一高度。這時(shí)可觀察到電流表的示數(shù)減小。

(4) 松開(kāi)接收器上面的手動(dòng)螺栓,慢慢轉(zhuǎn)動(dòng)接收器,使電流表的示數(shù)再次達(dá)到極大值,記下接收器旋轉(zhuǎn)過(guò)的角度α。

(5) 將[α]、α和l代入式(1),即可得到待測(cè)濃度的葡萄糖溶液的濃度c。

(6) 將c與葡萄糖溶液濃度的真實(shí)值(真實(shí)值于配置溶液時(shí)記錄)c′比較,驗(yàn)證上述方法的準(zhǔn)確性。

(7) 重復(fù)上述實(shí)驗(yàn),進(jìn)行多次驗(yàn)證。

4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程結(jié)果及誤差分析

5次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 測(cè)得的葡萄糖溶液濃度與真實(shí)值比較

此方法得到的葡萄糖溶液濃度與準(zhǔn)確值接近,但是仍然存在一定的偏差。產(chǎn)生誤差的主要原因是微波分光儀的電流表精確度不夠，以及指針擺動(dòng)造成的讀數(shù)誤差,可以通過(guò)減小電流表量程來(lái)減小誤差,但電流表的精度問(wèn)題仍有待進(jìn)一步改進(jìn)。

5 結(jié)語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)用旋光度法測(cè)量溶液濃度,利用微波的偏振特性和溶液的旋光特性測(cè)得溶液的旋光角,進(jìn)而得到溶液的濃度,拓展了微波分光儀的用途。