CN100588952C - 一种测量旋光左右旋向的方法及旋光仪 - Google Patents

Abstract

测量旋光左右旋向的方法，在光路测量的样品管采用阶梯型样品管，样品管的长度的比例是一个无理数，置入偏振片和半荫板或三荫板构建的相同光路中，经阶梯型样品管的液体透射后用检偏器对每只样品管后的光线进行检测，二阶样品管的长度分别是a和b，在测量过程中，将检偏器测得的示数x_a，x_b带入下式T_a/T_b＝a/b＝(m_a×180+x_a)/(m_b×180+x_b)求出两个满足式的整数m_a，m_b，求得T_a和T_b，即下述比旋光度式中的T，代回[α]_D ^t＝(100T)/(lc)，既可得出[α¹]_D ^t的值。本发明用一次测量并略加计算就能实现判断旋光左右旋向的目的。

Description

一种测量旋光左右旋向的方法及旋光仪

技术领域

本发明涉及一种物理光学的检测方法和装置，尤其是分辨旋光左右旋向的方法及旋光仪

背景技术

旋光性是一些晶体、药物等物质的基本特性。当晶体或有机化合物分子结构不对称时，可以使通过平面偏振光的振动面转过一定的角度，即该物质具有旋光性。具有旋光性的物质，其旋光能力大小与其分子结构有关，所以旋光角的测定是光学物理中常用的测量方法，它在物质结构研究、化学物质鉴定、食品和药物组分测量等方面有着广泛的应用。由于旋光仪技术还不能满足所有的应用需要，各种改进方法也不断涌现，它们分别从机械性能(见中国专利申请200520040576.7)、读数方式、检测信号以及光路设计(见中国专利93226203.1、双光路法测量手性物质的旋光角，林剑辉，潘雪丰，陶卫东，白贵儒，光学仪器，第28卷第6期、中国专利01143888.6)等方面对原有旋光仪系统进行了改进。

当线偏振光通过某些物质后，偏振光的振动面将旋转一定的角度α，这种现象称为旋光现象。旋转的角度α成为旋转角或旋光度，能够使线偏振光振动面发生旋转的物质，称为旋光物质。面向光源，如果旋光物质使偏振光的振动面沿逆时针方向旋转，称为左旋物质。反之，若是偏振光的振动面沿顺时针方向旋转，称为右旋物质。旋光仪就是测量物质旋光度的仪器。各类物质的旋光度与它的结构、浓度、测定时的温度、所用光线的波长以及偏振光通过液层的厚度有关，所以常用比旋光度[α]_λ ^t来表示各化合物的旋光性。由旋光仪测得旋光度后，可按下式算出旋光性物质溶液的比旋光度，

${\left[\mathrm{\α}\right]}_{\mathrm{\λ}}^t=\frac{100\mathrm{\α}}{\mathrm{lc}}---\left(1\right)$

式中，α是实验观察的旋光度，即旋光仪中检偏器的旋转角度；l是旋光管的长度，以dm为单位；c为旋光性物质的浓度，以每100mL溶液中所含样品的质量(g)表示；t是测定时的环境温度(℃)；λ是光的波长，通常用钠的黄光(其波长的通用平均值为589.3nm)，以D标记之，即写为[α]_D ^t。而通常将偏振光通过每毫升非旋光性溶剂中含有1g旋光性物质的溶液达1dm深时的旋光度α成为这种溶质的比旋光度[α]。如目前常用的旋光仪WZZ-2型自动旋光仪。

现用旋光仪检测的方法和仪器存在的不足：现有旋光仪来测量旋光度存在着一个先天的不足，即测量结果只能静态地告知我们偏振光经过样品管偏转后的最终偏振方向，却不能提供动态的过程信息，即无法分辨偏振光在样品管中的旋转方向。换句话说，当旋光仪上读数为右旋60°时，究竟是直接右旋了60°，还是左旋了120°或300°；当偏振光到达检偏棱晶D时，会不会已旋转了几周，转数又如何确定；当偏振光旋转了N180°(N＝1、2、3……)时，我们是否会认为此物质不具旋光性(手性)？

面对以上问题，现有技术公开了一定的措施加以解决。通常采用的方法是采用不同浓度的溶液或采用不同长度的样品管至少再测定一次。如果第一次刻度盘上的读数为+60°。浓度降低1/2或者样品管缩短1/2后，读数为60°/2＝30°；若是-120°，则浓度降低1/2或者样品管缩短1/2后，读数为-120°/2＝-60°。这样就能区分两种可能的旋光方向和旋光度。然而，这种方法的缺点也显而易见的：必须在不同的条件下，至少要测定两次，既浪费试样，又易产生误差；更重要的是，这种方法并没有根本解决分辨旋光光束的问题：依照此方法，可以明确的区分+60°和-120°的两种情况，但却无法使我们得知+60°和-300°两种情况的区别。显然，这种改进方法是不完善的。

以实际情况为例，假定在某一酸度下，分别配制淀粉奎宁

和L-氨基丙酸

标准溶液(每毫升水溶液中含有1g溶质)。在1dm长的样品管内，可测得三种溶液的旋光度均显示为右旋16°(新编化学用表，顾庆超，1998年8月第一版)。采用上述改进方法，将三种溶液稀释到1/2浓度或换用1/2长度的样品管，可以测得三种溶液的旋光度分别显示为-82°，-82°和8°。这样就可以将L-氨基丙酸从三种物质中鉴别出来，然而想进一步鉴别淀粉和奎宁只能进一步稀释溶液，更换样品管或改变检测方法来实现。如此看来，传统的改进方法虽然原理简单易懂，但在实际操作中并不方便，且多次稀释和更换实验装置，也会引入测量误差，影响实验的精确度。

李俊等人也曾提出过改进方法(WXG-4型圆盘旋光仪存在的问题及改进，李俊，王保安，焦作教育学院学报(综合版)，第18卷第4期)，他们将现用旋光仪的样品管，改为一个可自由收缩的活塞式样品管，使测定物质旋光性的工作一次完成。但由于文中提到的活塞需要有良好的透光性和密封性，这给加工新式样品管带来了很大的困难；另外，由于活塞的伸缩，会使大量液体流入漏斗，而设计中的漏斗直接与空气接触，使得大部分液体暴露在空气中，不易测量对空气敏感物质的旋光性，也容易沾污样品室。

发明内容

本发明目的是：提出一种分辨旋光左右旋向的方法及旋光仪，针对原有旋光仪的缺陷和先几种改进方法的不足，我们提出的新方法在原有旋光仪基础上对样品管进行改造，设计了出一套新的样品管结构。此方法可以成功解决旋光方向无法辨别的问题。

本发明的目的是这样实现的：采用阶梯型样品管，样品管的长度的比例是一个无理数、近似无理数的值，置入偏振片和半荫板(三荫板)构建的相同光路中，经阶梯型样品管的液体透射后用检偏器对每只样品管后的光线进行检测，二阶样品管的长度分别是a和b，

在测量过程中，将检偏器测得的示数x_a，x_b带入下式

$\frac{T_a}{T_b}=\frac{a}{b}=\frac{m_a\×180+x_a}{m_b\×180+x_b}$

求出两个满足式的整数m_a，m_b，即可求得T_a和T_b，即下述比旋光度式中的T，代回

${\left[\mathrm{\α}\right]}_D^t=\frac{100T}{\mathrm{lc}},$ 既可得出[α¹]_D ^t的值。

本方法在旋光仪中引入半透镜和平面反射镜的组合，可在同一光源条件下对不同长度的样品一次测量，降低了不同光源对于测量平行性的影响。

本发明的装置：分辨旋光左右旋向的旋光仪，包括样品管，偏振片和半荫板或三荫板构建的光路和检偏器构成，所述样品管采用阶梯型样品管，样品管的长度的比例是一个无理数、近似无理数的值，置入偏振片和半荫板(三荫板)构建的相同光路中，经阶梯型样品管的液体透射后用检偏器对每只样品管后的光线进行检测。尤其是光源经半透镜和平面反射镜构成一条平行的光路，这条平行光路上设在偏振片和半荫板、阶梯形样品管的一支管和检偏器。样品管的长度的比例是一个无理数、近似无理数的值，近似无理数是指保持无理数的两位小数的数或保持无理数两位小数的分数。

本发明的有益效果是：用一次测量并略加计算就能实现本发明的目的。本发明采用阶梯型的样品盒，这样的阶梯一般是二阶的，但也可以是多阶的，只要将光路做简单的改变即可。样品管的每阶长度比是无理数、或近似无理数的阶梯管长度。与传统方法相比，可以解决左右旋光重合的问题，而且所需测量工作可以一次完成，操作简便。尤其对于某些对空气敏感的材料，避免了现有方法可能导致的样品与空气长时间接触变质等问题。光路也相对简单，易于应用于实际测量过程中。

附图说明

图1是旋光仪的原理示意图

图2是本发明装置示意图

图3是本发明光路示意图

图中：单色光源1、非偏振光2、起偏器或偏振片3、平面偏振光4、半荫板5、两部分的平面偏振光6、样品管7、阶梯形样品管8、检偏器9、激光光源10、半透镜11、平面反射镜12

具体实施方式

如图2、3所示，首先将样品管改为阶梯形，改进的样品管可使对于不同长度样品的检测同时进行，减小了人为误差出现的可能；

下面对于图3所示光路作具体说明。从激光光源中发出的光线经过半透半反镜被分为两束，两束平行光线分别经过偏振片和半荫板，从阶梯形样品管上下两部分射入样品管。我们把从样品管上部入射的光线成为#1光，相对应的，从下部入射的称为#2光。由于阶梯形样品管上下部分的长度不同，#1和#2偏振光经过的偏转程度也不同，从而导致两检偏器检测到的光的偏转程度也不同。通常情况下，认为偏转的程度与样品管的长度成正比，于是我们可以通过测量#1和#2偏振光的偏转程度，计算得出样品的旋光率。

新增石英管(样品管)的长度计算：

本发明方法中，提出了阶梯形样品管的概念，但上文中尚未为给出阶梯的参数，下面给出这一关键参数的得出方法：

现设右旋为正。在阶梯形管上部分，两种可能的偏振光旋转角度分别为旋转T_a ¹°和旋转T_a ²°，设其共有的示数为x_a，若两不同的假设情况光线在通过a管后重合，必满足条件：

$T_a^1=m_a^1\×180+x_a---\left(2\right)$

$T_a^2=m_a^2\×180+x_a---\left(3\right)$

其中，m_a ¹，m_a ²均为整数。相对#1光线通过a管的情况，可以写出#2光线通过b管的偏转角度：

$T_b^1=m_b^1\×180+x_b^1---\left(4\right)$

$T_b^2=m_b^2\×180+x_b^2---\left(5\right)$

类似的，m_b ¹，m_b ²均为整数，x_b ¹，x_b ²分别为两种不同假设情况下的旋光仪示数。与#1光线的情况不同，若要用#2光线将上述两光线分开，则#2光线发生的偏转必须满足条件：

$x_b^1\≠x_b^2---\left(6\right)$

由于旋光度与旋光介质厚度间存在线性关系可得：

$T_a^1=\frac{1}{100}{\left[{\mathrm{\α}}^1\right]}_D^t\mathrm{ac}---\left(7\right)$

$T_a^2=\frac{1}{100}{\left[{\mathrm{\α}}^2\right]}_D^t\mathrm{ac}---\left(8\right)$

$T_b^1=\frac{1}{100}{\left[{\mathrm{\α}}^1\right]}_D^t\mathrm{bc}---\left(9\right)$

$T_b^2=\frac{1}{100}{\left[{\mathrm{\α}}^2\right]}_D^t\mathrm{bc}---\left(10\right)$

于是得到关系式：

$\frac{T_a^1}{T_b^1}=\frac{a}{b}=\frac{m_a^1\×180+x_a}{m_b^1\×180+x_b^1}---\left(11\right)$

$\frac{T_a^2}{T_b^2}=\frac{a}{b}=\frac{m_a^2\×180+x_a}{m_b^2\×180+x_b^2}---\left(12\right)$

由和比定理整理得：

$\frac{a}{b}=\frac{(m_a^1\×180+x_a)-(m_a^2\×180+x_a)}{(m_b^1\×180+x_b^1)-(m_b^2\×180+x_b^2)}---\left(13\right)$

令

且由(6)得到

(s为整数)，带回(13)，得到：

$\frac{b}{a}\≠\frac{s}{l}---\left(14\right)$

由于l，s为可任意取值的整数，因此可得出这样的结论，满足条件的b/a值只可能为无理数。例如：

等。

得出以上结论后，在测量过程中，我们只需将测得的示数x_a，x_b带入下式

$\frac{T_a}{T_b}=\frac{a}{b}\frac{m_a\×180+x_a}{m_b\×180+x_b}---\left(15\right)$

求出两个满足(15)式的整数m_a，m_b，即可求得T_a和T_b，带回

${\left[\mathrm{\α}\right]}_D^t=\frac{100T}{\mathrm{lc}}---\left(1\right)$

式，既可得出[α¹]_D ^t的值。

下面以最简单的

的样品管(即上述阶梯形样品管的参数a、b的比值为：

a管管长仍为1dm，则b管长度为

dm)与传统方法中采用的的测量方法进行对比，以该装置对前文所述的三种样品进行检测。

下表中列出测量数据：

表1本发明方法(

样品管)区别淀粉、奎宁、L-氨基丙酸溶液数据记录表

    #1实际偏转角度检测器1读数  #2实际偏转角度检测器2读数  ma  mb

淀粉      196            16          276.36       -83.64  1   2

奎宁      16             16          22.56        22.56   0   0

L-氨基丙酉-164           16          -231.24      -51.24  -1  -1

表2现有传统方法(长度比为

的两独立样品管)区别淀粉、奎宁、L-氨基丙酸溶液数据记录表

          第一次测量    第一次测量  第一次测量    第一次测量

                                                               m_a  m_b

          实际偏转角度  检测器读数  实际偏转角度  检测器读数

淀粉      196           16          98            -82          /   /

奎号      16            16          8             8            /   /

L-氨基丙酉-164          16          -82           -82          /    /

由上表中的数据可知，即新方法在检测器1无法分辨三种溶液的情况下，在检测器2处收集到的数据表明三种物质溶液有明显不同。将m_a，m_b的值带入(1)式，既可求得三种物质的比旋光度：

淀粉 ${\left[{\mathrm{\α}}^1\right]}_D^t=196$

奎宁 ${\left[{\mathrm{\α}}^1\right]}_D^t=16$

L-氨基丙酸 ${\left[{\mathrm{\α}}^1\right]}_D^t=-164$

而传统的方法并不能区分淀粉和L-氨基丙酸溶液。并且，在采用新方法后，只需通过一次测量，即可区分三种物质的溶液，实验操作简单、方便、迅速，且避免的溶液长时间在空气中暴露和不必要的液体流动而引起的副反映。

必须说明的是，由于实际工作中的精确度限制，真正意义上的无理数比值的样品管难以制作，但是采用近似无理数的样品管已经可以满足大部分测量需要，一般采用具有两位小数的值，或采用具有两位小数的无理数值也能满足实用的要求，主要是为了方便推算。因此，无理数比值的样品管只是概念式的理想模式，实际工作中，通常只应用其近似形式即可达到测量和鉴别的目的。因此，近似无理数是指保持无理数的两位小数的数或保持无理数两位小数的分数具有实用的效果。

Claims (4)

1、测量旋光左右旋向的方法，其特征是光路测量的样品管采用阶梯型样品管，阶梯型样品管的长度的比例是一个无理数，置入偏振片和半荫板或三荫板构建的相同光路中，经阶梯型样品管的液体透射后用检偏器对每只样品管后的光线进行检测，所述阶梯型样品管是二阶样品管，二阶样品管的长度分别是a和b，

在测量过程中，将检偏器测得的示数x_a，x_b带入下式

$\frac{T_a}{T_b}=\frac{a}{b}=\frac{m_a\×180+x_a}{m_b\×180+x_b}$

求出两个满足式的整数m_a，m_b，即可求得T_a和T_b，即下述比旋光度式中的T，代回

${\left[\mathrm{\α}\right]}_D^t=\frac{100T}{\mathrm{lc}},$ 既可得出比旋光度[α]_D ^t的值；l是旋光管的长度，以dm为单位；c为旋光性物质的浓度，以每100mL溶液中所含样品的质量g表示；t是测定时的环境温度℃；λ是光的波长，通常用钠的黄光，以D标记之，即写为[α]_D ^t，T对应旋光度。

2、根据权利要求1所述的测量旋光左右旋向的方法，其特征是旋光仪中引入半透镜和平面反射镜的组合，在同一光源条件下对不同长度的样品进行一次测量。

3、根据权利要求1所述的测量旋光左右旋向的方法，其特征是在光路测量的样品管采用阶梯型样品管是二阶样品管，二阶管的长度分别是a和b，b/a值为类似

的无理数。

4、测量旋光左右旋向的旋光仪，由光源、样品管，偏振片和半荫板或三荫板构建的光路和检偏器构成，其特征是所述样品管采用阶梯型样品管，阶梯型样品管是二阶样品管，二阶样品管的长度分别是a和b，二阶样品管的长度的比例是一个无理数，置入偏振片和半荫板或三荫板构建的相同光路中，经阶梯型样品管的液体透射后用检偏器对每只样品管后的光线进行检测。

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