基于PASCO平臺(tái)的旋光性溶液濃度測(cè)量及應(yīng)用研究

時(shí)俊仙,涂茹婷,菅婧涵,金 宇,郭夢(mèng)雨,唐亞楠

(鄭州師范學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院,河南 鄭州 450044)

當(dāng)線偏振光通過(guò)旋光性溶液時(shí),旋光物質(zhì)會(huì)使得線偏振光的振動(dòng)面發(fā)生偏轉(zhuǎn),這種現(xiàn)象稱為旋光效應(yīng),偏轉(zhuǎn)的角度稱為旋光度。利用旋光效應(yīng)測(cè)量物質(zhì)的濃度廣泛應(yīng)用在石油、化工、制糖等工業(yè)[1],通過(guò)測(cè)量液體濃度,可獲得折射率等其他重要物理量[2]。用旋光儀測(cè)量溶液的濃度是大學(xué)物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要內(nèi)容之一[3]。旋光儀是目視儀器,操作簡(jiǎn)單[4-5],但長(zhǎng)時(shí)間的使用人眼觀測(cè),會(huì)降低對(duì)視野中的明暗變化的敏感度,因此會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。且由于旋光儀裝置的一體性,不利于學(xué)生深刻理解其中的原理[6]。利用偏振平臺(tái)的裝置,使用光功率計(jì)通過(guò)測(cè)量光強(qiáng)的大小變化進(jìn)而測(cè)出旋光度可以相應(yīng)的減少誤差[7-8]。然而,這兩種方法都需要人為讀取旋光度及光強(qiáng)數(shù)值,這難免會(huì)造成誤差。

本文基于PASCO平臺(tái),設(shè)計(jì)了通過(guò)激光器、偏振片、光強(qiáng)傳感器等分立的裝置,便于直接觀察實(shí)驗(yàn)的光路布置,有助于學(xué)生加深對(duì)旋光性溶液測(cè)量原理的理解。通過(guò)傳感器智能通用接口將轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器和光強(qiáng)傳感器連接到計(jì)算機(jī),進(jìn)而連續(xù)監(jiān)測(cè)光強(qiáng)變化和旋轉(zhuǎn)的角度,并能在計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示出來(lái),避免了人為觀察讀取可能產(chǎn)生的光強(qiáng)極值位置不精準(zhǔn)和讀數(shù)偏差等問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步模擬工業(yè)生產(chǎn)線上對(duì)流動(dòng)液體濃度的測(cè)量及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),拓展了該實(shí)驗(yàn)裝置在實(shí)時(shí)在線測(cè)量及監(jiān)測(cè)流動(dòng)的旋光性液體濃度方面的應(yīng)用前景。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

由實(shí)驗(yàn)可知,對(duì)于溶液,旋光度ΔQ正比于光在介質(zhì)中所走路程的長(zhǎng)度及溶液的濃度。

即ΔQ=αcl。

(1)

α為旋光率,與溫度及光源波長(zhǎng)有關(guān);l為偏振光通過(guò)的介質(zhì)的長(zhǎng)度;c為溶液的濃度。

而通過(guò)實(shí)驗(yàn)可測(cè)得旋光度ΔQ,若溶液濃度已知,則可以得到旋光率:

(2)

而已知旋光率α,可得到溶液的濃度

(3)

實(shí)驗(yàn)中先用已知濃度測(cè)出其旋光率,再利用此旋光率測(cè)出未知濃度的溶液[1]。

1.1 用旋光儀測(cè)量溶液旋光率

利用旋光儀測(cè)量溶液旋光率所需實(shí)驗(yàn)儀器包括WXG-4型旋光儀、波長(zhǎng)為589.3 nm的鈉光燈、長(zhǎng)度為100 mm的平行試管、溶液和燒杯、量筒、天平等其他輔助儀器,如圖1所示。

圖1 旋光儀測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置

利用濃度為0.5 g/mL的標(biāo)準(zhǔn)溶液及使用量筒配制的其他濃度溶液,利用旋光儀測(cè)出其旋光度進(jìn)而計(jì)算出溶液的旋光率。

接通電源,開(kāi)啟電源開(kāi)關(guān),待鈉光燈正常發(fā)光后轉(zhuǎn)動(dòng)旋光儀調(diào)焦手輪,使其能觀察到清晰的三分視場(chǎng),如圖2[1]所示。將未放溶液的試管放入旋光儀,轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器,找到零度視場(chǎng)位置,記下左右視窗讀數(shù)。將裝滿已知濃度溶液的試管放入旋光儀槽中,轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器,再次觀察到零度視場(chǎng)時(shí),讀取讀數(shù),重復(fù)三次求平均值讀出旋光度,根據(jù)公式(2)算出旋光率,即為旋光儀測(cè)得的葡萄糖溶液標(biāo)準(zhǔn)旋光率。

圖2 旋光儀三分視場(chǎng)

重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟可以測(cè)得濃度為0.5 g/mL的蔗糖溶液旋光率,即為旋光儀測(cè)得的蔗糖溶液標(biāo)準(zhǔn)旋光率。

1.2 基于PASCO平臺(tái)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中所用實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示,光源為波長(zhǎng)為650 nm的紅色激光,在光學(xué)導(dǎo)軌上依次放入激光器、起偏器、升降臺(tái)、檢偏器(連接轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器)和光強(qiáng)傳感器,如圖4所示。轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器和光強(qiáng)傳感器均通過(guò)傳感器智能接口連接到計(jì)算機(jī),調(diào)節(jié)各部分光學(xué)元件處于同一高度,將樣品管置于升降臺(tái)上,調(diào)節(jié)升降臺(tái)使其與各部件中心等高;打開(kāi)激光器,使激光反射光束與發(fā)出點(diǎn)重合。在起偏器和檢偏器中間先后放入空樣品管和葡萄糖溶液或蔗糖溶液。運(yùn)行PASCO Capstone軟件,轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器,可實(shí)時(shí)顯示角度變化和光強(qiáng)變化,并顯示對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)曲線圖。

圖3 PASCO測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置

圖4 用PASCO平臺(tái)實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖

首先在起偏器和檢偏器之間放入空的樣品管,轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器,在計(jì)算機(jī)上觀察光強(qiáng)變化。繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器,使入射到光強(qiáng)傳感器的光強(qiáng)最小,可以反復(fù)微調(diào)檢偏器尋找最小值,如圖5所示,此時(shí)不再轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器。取下樣品管,放入濃度為0.5 g/mL的葡萄糖溶液,再放回起偏器與檢偏器之間,此時(shí)光強(qiáng)已不再是最小值,如圖6所示,再次旋轉(zhuǎn)檢偏器并在計(jì)算機(jī)上讀取光強(qiáng)最小值,記錄此時(shí)第一個(gè)最小值對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度ΔQ,即為旋光度。根據(jù)公式(2)可得出旋光率,即為PASCO測(cè)得的葡萄糖溶液標(biāo)準(zhǔn)旋光率,根據(jù)此已知濃度及測(cè)得值可推導(dǎo)出濃度與旋光度的關(guān)系。

角/°圖5 空樣品管對(duì)應(yīng)光強(qiáng)圖像

重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟分別測(cè)出濃度為50%、40%、25%的葡萄糖溶液旋光度和濃度為50%、40%、25%的蔗糖溶液旋光度。再測(cè)出未知濃度葡萄糖溶液和蔗糖溶液旋光度,由上述濃度與旋光度的關(guān)系計(jì)算出此溶液濃度,進(jìn)行數(shù)據(jù)分析對(duì)比。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及誤差分析

2.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)

在實(shí)驗(yàn)中分別測(cè)量了不同濃度的葡萄糖溶液和蔗糖溶液的濃度。通過(guò)實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了葡萄糖和蔗糖的旋光性為右旋。

實(shí)驗(yàn)室溫度為25 ℃,樣品管長(zhǎng)l=100 mm,鈉光燈波長(zhǎng)λ=589.3 nm,激光波長(zhǎng)λ=650 nm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1～2。

表1 濃度為0.50 g/mL的葡萄糖溶液和蔗糖溶液旋光度

根據(jù)所測(cè)數(shù)據(jù)擬合出旋光度與溶液濃度關(guān)系圖,如圖7。

(a) 葡萄糖溶液濃度/(g·mL-1)

2.2 誤差分析

實(shí)驗(yàn)中可知,光源波長(zhǎng)和溫度對(duì)旋光率都有影響[9]。旋光儀中所用光源為鈉光燈,PASCO平臺(tái)中為激光光源,二者均在同一室溫下進(jìn)行。不同波長(zhǎng)對(duì)同一物質(zhì)旋光率的影響稱為旋光色散。旋光儀光源為589.3 nm的鈉燈,PASCO平臺(tái)利用的是650 nm的激光光源,因此所測(cè)得的旋光率數(shù)值不同。我們通過(guò)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)溶液和其他濃度溶液的旋光度,分別計(jì)算了溶液旋光率并進(jìn)行比較。

標(biāo)準(zhǔn)溶液的旋光率由表1數(shù)據(jù)以及公式(2)可以計(jì)算出來(lái)。在25 ℃下,旋光儀測(cè)得標(biāo)準(zhǔn)葡萄糖溶液和蔗糖溶液的旋光率分別為0.485°·mm-1·(g/mL)-1和0.544°·mm-1·(g/mL)-1,利用PASCO測(cè)得標(biāo)準(zhǔn)葡萄糖溶液和蔗糖溶液的旋光率為0.418°·mm-1·(g/mL)-1和0.510°·mm-1·(g/mL)-1。

其他濃度的溶液旋光率由表1及表2數(shù)據(jù)及公式(2)計(jì)算出來(lái)。分別作出葡萄糖和蔗糖溶液濃度與旋光度關(guān)系圖,并進(jìn)行線性擬合,如圖7所示,此擬合情況未考慮到樣品管的長(zhǎng)度(管長(zhǎng)l=100 mm),所以圖線的斜率值為旋光率的100倍,從擬合曲線可以分別得到兩種測(cè)量方式下的溶液旋光率。

表2 其他濃度的葡萄糖溶液和蔗糖溶液旋光度

從擬合曲線可知利用旋光儀測(cè)量葡萄糖溶液和蔗糖溶液的旋光度與濃度關(guān)系曲線方程分別為ΔQ=51.169 23c-0.871 62和ΔQ=51.978 46c+1.773 77。則其旋光率分別為0.512±0.037°·mm-1·(g/mL)-1和0.520±0.033°·mm-1·(g/mL)-1;利用PASCO平臺(tái)測(cè)量葡萄糖溶液和蔗糖溶液旋光度與濃度關(guān)系曲線方程分別為ΔQ=50.921 05c-0.229 74和ΔQ=42.457 89c-0.335 53。則其旋光率分別為0.425±0.002°·mm-1·(g/mL)-1和0.509±0.003°·mm-1·(g/mL)-1。

對(duì)比兩種方式計(jì)算出的旋光率結(jié)果,可得利用旋光儀測(cè)得葡萄糖溶液和蔗糖溶液旋光率實(shí)驗(yàn)相對(duì)誤差分別為5.56%和4.41%;而利用PASCO測(cè)得葡萄糖溶液和蔗糖溶液的旋光率實(shí)驗(yàn)相對(duì)誤差分別為1.67%和0.19%?？梢钥闯?利用PASCO平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)精確度更高。

再利用PASCO平臺(tái)測(cè)量未知濃度的葡萄糖溶液和蔗糖溶液旋光度,數(shù)據(jù)如表3所示。(此步驟所用葡萄糖溶液和蔗糖溶液實(shí)際上均為已知濃度,用于比較數(shù)據(jù),濃度均為0.2 g/mL。)

表3 利用PASCO測(cè)未知濃度的葡萄糖溶液和蔗糖溶液旋光度

PASCO測(cè)得葡萄糖溶液和蔗糖溶液旋光度分別為8.340°和9.870°,結(jié)合圖7(a)和(c)中的擬合曲線可以得出此葡萄糖溶液的濃度為0.196 g/mL,相對(duì)誤差為2%,此蔗糖溶液的濃度為0.194 g/mL,相對(duì)誤差為3%。

通過(guò)實(shí)驗(yàn),可知利用PASCO平臺(tái)進(jìn)行旋光性溶液濃度測(cè)量是可行的。

3 應(yīng)用拓展設(shè)計(jì)

利用PASCO平臺(tái)測(cè)量旋光性溶液濃度的方法原理簡(jiǎn)單,具有很高的可行性。進(jìn)一步可利用該裝置實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線測(cè)量流動(dòng)旋光性溶液的濃度。該方法有望在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中在線測(cè)量,或在污染水體等相對(duì)惡劣環(huán)境中現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。

3.1 流動(dòng)旋光性溶液濃度測(cè)量

實(shí)驗(yàn)中,通過(guò)讓葡萄糖溶液在容器中流動(dòng),還原生產(chǎn)線過(guò)程,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線測(cè)量旋光性溶液濃度。為了模擬工業(yè)生產(chǎn)線上液體的流動(dòng),利用了定制容器。定制容器為上下均有開(kāi)口的長(zhǎng)度為100 mm的長(zhǎng)方體玻璃容器,如圖8所示。

圖8 定制容器

如圖9所示,將激光器、起偏器、檢偏器、光強(qiáng)傳感器固定在光具座上,定制容器放入起偏器和檢偏器之間,調(diào)整激光器高度使入射光垂直穿過(guò)容器側(cè)面的兩個(gè)平行玻璃片,再經(jīng)過(guò)檢偏器到達(dá)光強(qiáng)傳感器。運(yùn)行PASCO Capstone軟件,旋轉(zhuǎn)檢偏器,在計(jì)算機(jī)上找到光強(qiáng)極小值處,如圖10所示,保持起偏器和檢偏器位置不變。

圖9 測(cè)流動(dòng)旋光性溶液裝置簡(jiǎn)圖

取下容器,在容器中裝入濃度為50%的葡萄糖溶液,放回起偏器和檢偏器之間,同時(shí)利用注射器不斷注入溶液使其在容器中保持流動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)液體充滿容器且在容器中穩(wěn)定流動(dòng)時(shí),開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器,同時(shí)觀察計(jì)算機(jī)上光強(qiáng)圖像,轉(zhuǎn)動(dòng)開(kāi)始后的第一個(gè)光強(qiáng)極小值位置所對(duì)應(yīng)的角度即為旋光度,進(jìn)而根據(jù)公式(3)獲取溶液的濃度。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得濃度為0.5 g/mL的葡萄糖溶液旋光度與直接用樣品管測(cè)得的旋光度接近,如圖11所示。說(shuō)明利用該方法測(cè)量流動(dòng)液體的濃度是可行的。

角/°圖11 測(cè)流動(dòng)溶液旋光度對(duì)應(yīng)光強(qiáng)圖像

3.2 流動(dòng)旋光性溶液濃度監(jiān)測(cè)

在以液體為主的工業(yè)生產(chǎn)線上,由于需要對(duì)原料進(jìn)行添加或分離,因此在線監(jiān)測(cè)液體濃度就顯得尤為重要。而對(duì)溶液的監(jiān)測(cè),尤其是對(duì)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)液體的濃度方面還處于較落后的狀態(tài)[10]。

利用此裝置可實(shí)現(xiàn)對(duì)葡萄糖和蔗糖等溶液濃度的非接觸實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)中,利用注射器保持溶液流動(dòng),轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器,在計(jì)算機(jī)上觀察光強(qiáng)圖像,當(dāng)光強(qiáng)為極大值一半時(shí),停止旋轉(zhuǎn)檢偏器,如圖11所示。此處光強(qiáng)變化率最大,因此能夠更準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)光強(qiáng)變化。起偏器和檢偏器位置保持不變,使液體持續(xù)流動(dòng),監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)光強(qiáng)如圖12所示,其相對(duì)光強(qiáng)數(shù)值均在148～150之間變化。利用該裝置原理簡(jiǎn)單,操作方便,僅通過(guò)觀察光強(qiáng)大小變化即可監(jiān)測(cè)溶液濃度變化。

圖12 流動(dòng)溶液的實(shí)時(shí)光強(qiáng)

4 結(jié) 論

線偏振光通過(guò)旋光性物質(zhì)時(shí),其振動(dòng)面會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。利用旋光現(xiàn)象測(cè)量溶液的濃度是大學(xué)物理基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)的重要內(nèi)容之一,多數(shù)高校是利用旋光儀進(jìn)行測(cè)量。而由于旋光儀本身較為封閉的裝置,在教學(xué)中不利于學(xué)生理解旋光實(shí)驗(yàn)的原理,且其作為目視儀器,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中人眼易產(chǎn)生視覺(jué)疲勞,也會(huì)降低測(cè)量精度。本文基于PASCO平臺(tái),設(shè)計(jì)了利用分立的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行測(cè)量,便于直接觀察實(shí)驗(yàn)的光路布置,有助于學(xué)生加深對(duì)旋光實(shí)驗(yàn)原理的理解。在檢偏器上安裝轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器,接收裝置中利用光強(qiáng)傳感器,通過(guò)傳感器通用接口將轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器和光強(qiáng)傳感器連接到計(jì)算機(jī),可以實(shí)時(shí)讀出測(cè)量的旋光度和光強(qiáng)變化大小。實(shí)驗(yàn)中分別用旋光儀和PASCO平臺(tái)測(cè)量了葡萄糖溶液和蔗糖溶液的旋光率。將二者測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,利用旋光儀測(cè)得葡萄糖溶液和蔗糖溶液旋光率實(shí)驗(yàn)誤差分別為5.56%和4.41%;利用PASCO測(cè)得葡萄糖溶液和蔗糖溶液的旋光率實(shí)驗(yàn)誤差分別為1.67%和0.19%。可以看出,利用PASCO平臺(tái)測(cè)量精確度更高。將濃度為20%的葡萄糖溶液和蔗糖溶液作為未知溶液時(shí),利用PASCO所測(cè)濃度的相對(duì)誤差分別為2%和3%。由此說(shuō)明利用PASCO平臺(tái)測(cè)量溶液濃度的方法是可行的。在此基礎(chǔ)上,模擬了工業(yè)生產(chǎn)線測(cè)量流動(dòng)狀態(tài)下的液體濃度,結(jié)果與直接用樣品管所測(cè)數(shù)據(jù)相近。并且實(shí)現(xiàn)了對(duì)葡萄糖溶液濃度的非接觸實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè),可拓展應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)線上實(shí)時(shí)在線測(cè)量及監(jiān)測(cè)流動(dòng)的液體濃度。