旋光計量測試技術

偏振光通過某種物質後，其振動面將以光的傳播方向為軸線轉過一定的角度，這種現象稱為旋光現象，對偏振光旋轉角度進行測量的技術即為旋光計量測試技術。常見的此類技術有消光法、光學外差干涉法及彈光調製法等，可測量旋光角度從而分析物質濃度、含量、純度，因而該技術被廣泛套用於製糖、製藥、食品、香料、石油、輕工、化工等行業。

基本介紹

• 中文名：旋光計量測試技術
• 外文名：Optical metrology measurement technology
• 作用：測量偏振光旋轉角度
• 相關：旋光現象
• 領域：光學

簡介

平面偏振光通過某種物質後，其振動面將以光的傳播方向為軸線轉過一定的角度，這種現象稱為旋光現象。旋光角度的大小與所通過物體厚度和物體的物理特性有關，對旋光角度進行測量的技術即為旋光計量測試技術。通過研究物質的旋光特性，可以鑑別物質類別並分析物質濃度、含量、純度等參量。

旋光計量測試技術以其簡單便捷、高敏感度、非破壞性測量光學活性無機和有機化合物的優點，被廣泛套用於製糖、製藥、石油、食品、化工等工業部門及有關高等院校和科研單位。正確了解和掌握旋光計量測試技術，對於正確指導藥物的研製生產及藥理研究，食品生產過程的控制及確保產品質量，指導石油化工、香精、香料等生產具有重要意義。

旋光測試技術

常見的旋光計量測試技術有消光法、光學外差干涉法及彈光調製法等。

消光法

消光法如圖1所示，鈉光燈發出的普通光通過起偏器後變成平面偏振光，由於檢偏器的偏振化方向同於起偏器，此平面偏振光也能完全通過檢偏器。如果在起偏器、檢偏器間放一個盛放樣品的旋光管，如管內放置水、乙醇、醋酸等，仍可以看到光通過檢偏器，如果管內放置葡萄糖水溶液，則觀察不到光通過檢偏器．只有把檢偏器也旋轉一定(向右或向左)的角度後，才能觀察到有光通過。觀察檢偏鏡上攜帶的刻度盤所旋轉的角度，即為該旋光性物質的旋光度，將旋光度代入式1即可獲得物質的濃度。

消光法測量旋光原理圖

式中，α為旋光角度；D為鈉光譜D線；T為測量時的溫度；l為光通過溶液柱的長度，單位為cm；c為100ml溶液中旋光性物質的質量，單位為g。

由於兩偏光稜鏡相對方位調節的精度關係，消光法測量旋光角度引起的誤差較大，精確度不夠高。許多學者從線偏振光可被看作是左右旋圓偏振光的複合的理論出發，提出了用光學外差干涉法、彈光調製法的技術來實現旋光角度的精確測量，其精度較高。

光學外差干涉法

光學外差干涉法如圖2所示，光源後面放置一個半波片，以調整p 光與 s 光的偏振方向分別平行於x 軸與y 軸。經調整後的正交線偏光透過旋光溶液後照射到偏振光分束器(PBS) 上，且放置時使其坐標軸平行於系統坐標軸。PBS將透過樣品產生偏轉後的線偏光分別與 x 軸與y 軸相平行而產生外差干涉信號，這兩個外差干涉信號大小相等且一正一負，所產生的外差干涉信號分別被置於x 軸與y 軸上的光電探測器接收，然後輸入到差動放大器中作相減運算後，信號被放大了兩倍。由於 p光與 s光在進入PBS 前所經光學路徑相同，故只要將兩檢測器的距離放置於距離 PBS 相等的位置時，即可消除共光路徑上的環境噪聲。最後利用數字電壓表獲取差動放大器的輸出信號，利用式2即可得到旋光角度。

光學外差干涉法測量旋光原理圖

式中，△I為差動放大器輸出信號強度，A為p光或s光的振幅。

彈光調製法

彈光調製法如圖3所示，起偏器和檢偏器的偏振軸相對於彈光調製（PEM） 的快軸方向分別取 0°和45°。將探測器輸出的直流信號和交流信號分別提取出，直流信號經低通濾波器輸出得到直流項：

基於彈光調製的旋光測量原理圖

對於交流信號，主要選用與 PEM 剩餘雙折射無關的二倍頻項信號作為研究對象。先將交流信號經前置放大器轉換為電壓信號並放大，再運用鎖相放大技術提取出對應的二倍頻項：

式中，

θ為旋光角，J2為 2 階貝塞爾級數，K2是由前置放大和鎖相增益決定的係數。由該式可知，二倍頻項與旋光角成正比，結合直流項表達式可得到旋光角為：

其中，K是系統的比例係數，實驗前可標定得到。因而測量直流項和二倍頻項即可得到旋光角度 。

旋光測試影響因素

（1）溫度的影響

溫度升高會使旋光管膨脹而長度加長，從而導致待測液體的密度降低。另外，溫度變化還會使待測物質分子間發生締合或離解，使旋光度發生改變。

不同物質的溫度係數不同，一般在0.01~0.05℃之間。因此精密測定時，要求測定時必須恆溫，旋光管上裝有恆溫夾套並且與超級恆溫槽連線是最常採用的辦法。

（2）濃度和旋光管長度對比旋光度的影響

在一定的實驗條件下，常將比旋光度作為常數，因此將旋光物質的旋光皮與濃度看成為成正比。其實。嚴格來講比旋光度並非常數，旋光度和溶液濃度之間也並不是嚴格地呈線性關係。

（3）變旋光作用影響

葡萄糖、果糖、乳糖、麥芽糖等具有光學活性的還原糖類，在溶解之後，由於變旋光作用，其旋光度起初迅速變化，然後慚漸變得較緩慢，最後達到恆定值。產生這種現象是由於有的糖存在e型和A型兩種異構體，它們的比旋光度不同。這兩種環型結構及中間的開鏈結構在構成一個平衡體系過程中，即顯示出變旋光作用。由於變旋光作用，因此在用旋光法測定這類物質時，要在分析條件上給予嚴格控制。保證分析時間、測試液的酸鹼性、測試液溫度，以達到分析結果的一致。

旋光測試套用領域

自然界中有許多物質都可以使偏振光發生偏轉，因此通過旋光角度的測定，可分析這些物質的濃度、含量、純度等。旋光測定法以其高敏感度、非破壞性測量光學活性無機和有機化合物的優點，被廣泛套用於製糖、製藥、石油、食品、化工等工業部門及有關高等院校和科研單位。

比如農業中農用抗菌素、農用激素、微生物農藥及農產品澱粉含量等成分分析。

醫藥領域通過比旋光度和旋光的測量，確定胺基酸、抗生素、葡萄糖、維生素、類固醇、氨基糖、古柯鹼、利尿劑、鎮靜劑、鎮痛藥、可待因、血清、維生素等產品純度，同時還可以進行中草藥藥理研究、臨床糖尿病分析等。

食品分析中食糖、味素、醬油等生產過程的控制及成品檢查，為確保產品質量，還進行食品含糖量的測定，包括穀物和糖漿，如碳水化合物、乳糖、棉籽糖、各種澱粉、果糖、蔗糖、天然單糖、葡萄糖、麥芽糖、木糖。

石油化工領域的礦物油分析、石油發酵工藝的監視，而且化學工業中還採用旋光分析法檢驗生物大分子、天然聚合物、合成聚合物等。

香精、香料生產中採用旋光法進行原材料牛樟、樹脂、甜橙油、檸檬酸、熏衣葷油、薄荷原油、甘油酸、香精油檢驗。

在工業界、研究機構和大學中採用旋光作為一種研究手段，利用高效液相色譜法進行分離和確定未知晶體；通過測量光學活性化合物的比旋光度定性評價並和文獻的理論值比較；測量旋光與時間的函式，研究反應動力學；在酶裂解中監測濃度變化，以便確定光學活性成分的反應混合物；利用旋光色散曲線來分析分子結構，區分光學異構體。