基于PASCO平臺的旋光性溶液濃度測量及應用研究

時俊仙,涂茹婷,菅婧涵,金 宇,郭夢雨,唐亞楠

(鄭州師范學院 物理與電子工程學院,河南 鄭州 450044)

當線偏振光通過旋光性溶液時,旋光物質會使得線偏振光的振動面發生偏轉,這種現象稱為旋光效應,偏轉的角度稱為旋光度。利用旋光效應測量物質的濃度廣泛應用在石油、化工、制糖等工業[1],通過測量液體濃度,可獲得折射率等其他重要物理量[2]。用旋光儀測量溶液的濃度是大學物理光學實驗的重要內容之一[3]。旋光儀是目視儀器,操作簡單[4-5],但長時間的使用人眼觀測,會降低對視野中的明暗變化的敏感度,因此會產生一定的誤差。且由于旋光儀裝置的一體性,不利于學生深刻理解其中的原理[6]。利用偏振平臺的裝置,使用光功率計通過測量光強的大小變化進而測出旋光度可以相應的減少誤差[7-8]。然而,這兩種方法都需要人為讀取旋光度及光強數值,這難免會造成誤差。

本文基于PASCO平臺,設計了通過激光器、偏振片、光強傳感器等分立的裝置,便于直接觀察實驗的光路布置,有助于學生加深對旋光性溶液測量原理的理解。通過傳感器智能通用接口將轉動傳感器和光強傳感器連接到計算機,進而連續監測光強變化和旋轉的角度,并能在計算機實時顯示出來,避免了人為觀察讀取可能產生的光強極值位置不精準和讀數偏差等問題。在此基礎上,進一步模擬工業生產線上對流動液體濃度的測量及實時監測,拓展了該實驗裝置在實時在線測量及監測流動的旋光性液體濃度方面的應用前景。

1 實驗內容

由實驗可知,對于溶液,旋光度ΔQ正比于光在介質中所走路程的長度及溶液的濃度。

即ΔQ=αcl。

(1)

α為旋光率,與溫度及光源波長有關;l為偏振光通過的介質的長度;c為溶液的濃度。

而通過實驗可測得旋光度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)

實驗中先用已知濃度測出其旋光率,再利用此旋光率測出未知濃度的溶液[1]。

1.1 用旋光儀測量溶液旋光率

利用旋光儀測量溶液旋光率所需實驗儀器包括WXG-4型旋光儀、波長為589.3 nm的鈉光燈、長度為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 旋光儀測量實驗裝置

利用濃度為0.5 g/mL的標準溶液及使用量筒配制的其他濃度溶液,利用旋光儀測出其旋光度進而計算出溶液的旋光率。

接通電源,開啟電源開關,待鈉光燈正常發光后轉動旋光儀調焦手輪,使其能觀察到清晰的三分視場,如圖2[1]所示。將未放溶液的試管放入旋光儀,轉動檢偏器,找到零度視場位置,記下左右視窗讀數。將裝滿已知濃度溶液的試管放入旋光儀槽中,轉動檢偏器,再次觀察到零度視場時,讀取讀數,重復三次求平均值讀出旋光度,根據公式(2)算出旋光率,即為旋光儀測得的葡萄糖溶液標準旋光率。

圖2 旋光儀三分視場

重復上述實驗步驟可以測得濃度為0.5 g/mL的蔗糖溶液旋光率,即為旋光儀測得的蔗糖溶液標準旋光率。

1.2 基于PASCO平臺設計實驗

實驗中所用實驗裝置如圖3所示,光源為波長為650 nm的紅色激光,在光學導軌上依次放入激光器、起偏器、升降臺、檢偏器(連接轉動傳感器)和光強傳感器,如圖4所示。轉動傳感器和光強傳感器均通過傳感器智能接口連接到計算機,調節各部分光學元件處于同一高度,將樣品管置于升降臺上,調節升降臺使其與各部件中心等高;打開激光器,使激光反射光束與發出點重合。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。運行PASCO Capstone軟件,轉動檢偏器,可實時顯示角度變化和光強變化,并顯示對應的光強曲線圖。

圖3 PASCO測量實驗裝置

圖4 用PASCO平臺實驗裝置簡圖

首先在起偏器和檢偏器之間放入空的樣品管,轉動檢偏器,在計算機上觀察光強變化。繼續轉動檢偏器,使入射到光強傳感器的光強最小,可以反復微調檢偏器尋找最小值,如圖5所示,此時不再轉動檢偏器。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,此時光強已不再是最小值,如圖6所示,再次旋轉檢偏器并在計算機上讀取光強最小值,記錄此時第一個最小值對應的旋轉角度ΔQ,即為旋光度。根據公式(2)可得出旋光率,即為PASCO測得的葡萄糖溶液標準旋光率,根據此已知濃度及測得值可推導出濃度與旋光度的關系。

角/°圖5 空樣品管對應光強圖像

重復上述實驗步驟分別測出濃度為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系計算出此溶液濃度,進行數據分析對比。

2 實驗數據及誤差分析

2.1 實驗測量數據

在實驗中分別測量了不同濃度的葡萄糖溶液和蔗糖溶液的濃度。通過實驗,驗證了葡萄糖和蔗糖的旋光性為右旋。

實驗室溫度為25 ℃,樣品管長l=100 mm,鈉光燈波長λ=589.3 nm,激光波長λ=650 nm。實驗結果見表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

根據所測數據擬合出旋光度與溶液濃度關系圖,如圖7。

(a) 葡萄糖溶液濃度/(g·mL-1)

2.2 誤差分析

實驗中可知,光源波長和溫度對旋光率都有影響[9]。旋光儀中所用光源為鈉光燈,PASCO平臺中為激光光源,二者均在同一室溫下進行。不同波長對同一物質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平臺利用的是650 nm的激光光源,因此所測得的旋光率數值不同。我們通過測量標準溶液和其他濃度溶液的旋光度,分別計算了溶液旋光率并進行比較。

標準溶液的旋光率由表1數據以及公式(2)可以計算出來。在25 ℃下,旋光儀測得標準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測得標準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數據及公式(2)計算出來。分別作出葡萄糖和蔗糖溶液濃度與旋光度關系圖,并進行線性擬合,如圖7所示,此擬合情況未考慮到樣品管的長度(管長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量葡萄糖溶液和蔗糖溶液的旋光度與濃度關系曲線方程分別為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平臺測量葡萄糖溶液和蔗糖溶液旋光度與濃度關系曲線方程分別為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。

對比兩種方式計算出的旋光率結果,可得利用旋光儀測得葡萄糖溶液和蔗糖溶液旋光率實驗相對誤差分別為5.56%和4.41%;而利用PASCO測得葡萄糖溶液和蔗糖溶液的旋光率實驗相對誤差分別為1.67%和0.19%?？梢钥闯?利用PASCO平臺進行實驗精確度更高。

再利用PASCO平臺測量未知濃度的葡萄糖溶液和蔗糖溶液旋光度,數據如表3所示。(此步驟所用葡萄糖溶液和蔗糖溶液實際上均為已知濃度,用于比較數據,濃度均為0.2 g/mL。)

表3 利用PASCO測未知濃度的葡萄糖溶液和蔗糖溶液旋光度

PASCO測得葡萄糖溶液和蔗糖溶液旋光度分別為8.340°和9.870°,結合圖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,相對誤差為2%,此蔗糖溶液的濃度為0.194 g/mL,相對誤差為3%。

通過實驗,可知利用PASCO平臺進行旋光性溶液濃度測量是可行的。

3 應用拓展設計

利用PASCO平臺測量旋光性溶液濃度的方法原理簡單,具有很高的可行性。進一步可利用該裝置實現實時在線測量流動旋光性溶液的濃度。該方法有望在工業生產過程中在線測量,或在污染水體等相對惡劣環境中現場檢測。

3.1 流動旋光性溶液濃度測量

實驗中,通過讓葡萄糖溶液在容器中流動,還原生產線過程,實現實時在線測量旋光性溶液濃度。為了模擬工業生產線上液體的流動,利用了定制容器。定制容器為上下均有開口的長度為100 mm的長方體玻璃容器,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,調整激光器高度使入射光垂直穿過容器側面的兩個平行玻璃片,再經過檢偏器到達光強傳感器。運行PASCO Capstone軟件,旋轉檢偏器,在計算機上找到光強極小值處,如圖10所示,保持起偏器和檢偏器位置不變。

圖9 測流動旋光性溶液裝置簡圖

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,同時利用注射器不斷注入溶液使其在容器中保持流動狀態。當液體充滿容器且在容器中穩定流動時,開始轉動檢偏器,同時觀察計算機上光強圖像,轉動開始后的第一個光強極小值位置所對應的角度即為旋光度,進而根據公式(3)獲取溶液的濃度。通過實驗測得濃度為0.5 g/mL的葡萄糖溶液旋光度與直接用樣品管測得的旋光度接近,如圖11所示。說明利用該方法測量流動液體的濃度是可行的。

角/°圖11 測流動溶液旋光度對應光強圖像

3.2 流動旋光性溶液濃度監測

在以液體為主的工業生產線上,由于需要對原料進行添加或分離,因此在線監測液體濃度就顯得尤為重要。而對溶液的監測,尤其是對實時在線監測液體的濃度方面還處于較落后的狀態[10]。

利用此裝置可實現對葡萄糖和蔗糖等溶液濃度的非接觸實時在線監測。實驗中,利用注射器保持溶液流動,轉動檢偏器,在計算機上觀察光強圖像,當光強為極大值一半時,停止旋轉檢偏器,如圖11所示。此處光強變化率最大,因此能夠更準確地監測光強變化。起偏器和檢偏器位置保持不變,使液體持續流動,監測實時光強如圖12所示,其相對光強數值均在148～150之間變化。利用該裝置原理簡單,操作方便,僅通過觀察光強大小變化即可監測溶液濃度變化。

圖12 流動溶液的實時光強

4 結 論

線偏振光通過旋光性物質時,其振動面會發生偏轉。利用旋光現象測量溶液的濃度是大學物理基礎性實驗的重要內容之一,多數高校是利用旋光儀進行測量。而由于旋光儀本身較為封閉的裝置,在教學中不利于學生理解旋光實驗的原理,且其作為目視儀器,實驗過程中人眼易產生視覺疲勞,也會降低測量精度。本文基于PASCO平臺,設計了利用分立的實驗裝置進行測量,便于直接觀察實驗的光路布置,有助于學生加深對旋光實驗原理的理解。在檢偏器上安裝轉動傳感器,接收裝置中利用光強傳感器,通過傳感器通用接口將轉動傳感器和光強傳感器連接到計算機,可以實時讀出測量的旋光度和光強變化大小。實驗中分別用旋光儀和PASCO平臺測量了葡萄糖溶液和蔗糖溶液的旋光率。將二者測量結果進行對比,利用旋光儀測得葡萄糖溶液和蔗糖溶液旋光率實驗誤差分別為5.56%和4.41%;利用PASCO測得葡萄糖溶液和蔗糖溶液的旋光率實驗誤差分別為1.67%和0.19%?？梢钥闯?利用PASCO平臺測量精確度更高。將濃度為20%的葡萄糖溶液和蔗糖溶液作為未知溶液時,利用PASCO所測濃度的相對誤差分別為2%和3%。由此說明利用PASCO平臺測量溶液濃度的方法是可行的。在此基礎上,模擬了工業生產線測量流動狀態下的液體濃度,結果與直接用樣品管所測數據相近。并且實現了對葡萄糖溶液濃度的非接觸實時在線監測,可拓展應用到工業生產線上實時在線測量及監測流動的液體濃度。