旋光法測(cè)溶液濃度

1、用旋光法測(cè)定糖溶液的濃度一、簡(jiǎn)介許多物質(zhì)如石英晶體、氯酸鈉、糖溶液、松節(jié)油等都有旋光性。利用旋光性測(cè)定糖溶液濃度的儀器稱為旋光糖量計(jì)。除了在制糖工業(yè)中廣泛應(yīng)用外，在制藥工業(yè)、藥品檢測(cè)及商品檢測(cè)部門中也常用來(lái)測(cè)定一些藥物和商品(如可卡因、尼古丁、樟腦等)的濃度。本實(shí)驗(yàn)主要是學(xué)習(xí)理解偏振光的產(chǎn)生和檢測(cè)方法；觀察旋光現(xiàn)象，了解旋光物質(zhì)的旋光性質(zhì)；測(cè)定糖溶液的旋光率和濃度的關(guān)系；熟悉旋光儀的原理和使用方法并學(xué)習(xí)自己組裝旋光儀。二、實(shí)驗(yàn)原理線偏振光通過(guò)某些物質(zhì)的溶液后，偏振光的振動(dòng)面將旋轉(zhuǎn)一定的角度，這種現(xiàn)象稱為旋光現(xiàn)象，旋轉(zhuǎn)的角度稱為該物質(zhì)的旋光度。通常用旋光儀來(lái)測(cè)量物質(zhì)的旋光度。溶液的旋光度與溶液中

2、所含旋光物質(zhì)的旋光能力、溶液的性質(zhì)、溶液濃度、樣品管長(zhǎng)度、溫度及光的波長(zhǎng)等有關(guān)。當(dāng)其它條件均固定時(shí)，旋光度與溶液濃度C呈線性關(guān)系，即 (1)上式中，比例常數(shù)與物質(zhì)旋光能力、溶劑性質(zhì)、樣品管長(zhǎng)度、溫度及光的波長(zhǎng)等有關(guān)，C為溶液的濃度。 物質(zhì)的旋光能力用比旋光度即旋光率來(lái)度量，旋光率用下式表示： (2)上式中，右上角的表示實(shí)驗(yàn)時(shí)溫度(單位：oC), 是指旋光儀采用的單色光源的波長(zhǎng)(單位：nm)，為測(cè)得的旋光度( o )，為樣品管的長(zhǎng)度（單位：dm），C為溶液濃度（單位：g/100mL）。 由(2)式可知：偏振光的振動(dòng)面是隨著光在旋光物質(zhì)中向前進(jìn)行而逐漸旋轉(zhuǎn)的，因而振動(dòng)面轉(zhuǎn)過(guò)角度透過(guò)的長(zhǎng)度成正比；振

3、動(dòng)面轉(zhuǎn)過(guò)的角度不僅與透過(guò)的長(zhǎng)度成正比，而且還與溶液濃度C成正比。 如果已知待測(cè)物質(zhì)濃度C和液柱長(zhǎng)度，只要測(cè)出旋光度就可以計(jì)算出旋光率。如果已知液柱長(zhǎng)度為固定值，可依次改變?nèi)芤旱臐舛菴，就可測(cè)得相應(yīng)旋光度。并作旋光度與濃度的關(guān)系直線，從直線斜率、長(zhǎng)度及溶液濃度C，可計(jì)算出該物質(zhì)的旋光率；同樣，也可以測(cè)量旋光性溶液的旋光度，確定溶液的濃度C。 旋光性物質(zhì)還有右旋和左旋之分。當(dāng)面對(duì)光射來(lái)方向觀察，如果振動(dòng)面按順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，則稱右旋物質(zhì)；如果振動(dòng)面向逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，稱左旋物質(zhì)。表1給出了一些藥物在溫度=20oC,偏振光波長(zhǎng)為鈉光589.3nm(相當(dāng)于太陽(yáng)光中的D線)時(shí)的旋光率。表1某些藥物的旋光率(

4、單位：（o）g-1cm3dm-1)藥名藥名果糖-91.9桂皮油-1+1葡萄糖+52.5+53.0蓖麻油+50以上樟腦（醇溶液）+41+43維生素+21+22蔗糖+65.9氯霉素-20-17山道年（醇溶液）-175-170薄荷鬧-50-49三、實(shí)驗(yàn)儀器及裝置 實(shí)驗(yàn)儀器主要有偏振光旋光實(shí)驗(yàn)儀和半蔭旋光儀(糖量計(jì))兩種類型。本實(shí)驗(yàn)中采用偏振光旋光實(shí)驗(yàn)儀。 偏振光旋光實(shí)驗(yàn)儀的結(jié)構(gòu)如圖2所示。它由光具座、帶刻度轉(zhuǎn)盤的偏振片2個(gè)、樣品試管、樣品試管調(diào)節(jié)架、光功率計(jì)等組成。 圖2 偏振光旋光實(shí)驗(yàn)儀1半導(dǎo)體激光器（S）;2起偏器及轉(zhuǎn)盤P1; 3樣品管調(diào)節(jié)架（R）;4樣品試管； 5檢偏器及轉(zhuǎn)盤P2； 6光強(qiáng)探測(cè)

5、器（硅光電池T）;7光功率計(jì)（I）； 偏振光旋光實(shí)驗(yàn)儀工作原理如圖2所示，圖中P1為起偏器，P2為檢偏器，S為半導(dǎo)體激光器（波長(zhǎng)650），R為盛放待測(cè)溶液的玻璃試管，由半導(dǎo)體激光器發(fā)出的部分偏振光經(jīng)起偏器P1后變?yōu)榫€偏振光，在放入待測(cè)溶液前先調(diào)整檢偏器P2,使P2與P1的偏振化方向垂直，透過(guò)P2的光最暗，功率計(jì)示值重新變最小。當(dāng)放入待測(cè)溶液后，由于旋光作用，透過(guò)檢偏器P2的光由暗變亮，功率計(jì)示值變大。再旋轉(zhuǎn)檢偏器P2,使功率計(jì)示值重新變最小，所旋轉(zhuǎn)的角度就是旋轉(zhuǎn)角，這樣就可以利用公式（2）求出待測(cè)液體濃度。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（一）必做內(nèi)容：用偏振光旋光實(shí)驗(yàn)儀和（糖量計(jì)）測(cè)量糖溶液的濃度1.觀察光的偏

6、振現(xiàn)象，研究葡萄糖水溶液的旋光特性。 用半導(dǎo)體激光器作光源在光具座上組裝一臺(tái)旋光儀。先將半導(dǎo)體激光器發(fā)出激光與起偏器、光功率計(jì)探頭調(diào)節(jié)成高等同軸。調(diào)節(jié)起偏器轉(zhuǎn)盤，使輸出偏振光最強(qiáng)（半導(dǎo)體激光器發(fā)出的是部分偏振光）。將檢偏器放在光具座的滑塊上，使檢偏器與起偏器等高同軸（檢偏器與起偏器平行）。調(diào)節(jié)檢器轉(zhuǎn)盤使從檢偏器輸出光強(qiáng)為零，此時(shí)檢偏器的透光軸與起偏器的透光軸相互垂直。將樣品管（內(nèi)有葡萄糖溶液）放于支架上，用白紙片觀察偏振光入射至樣品管的光點(diǎn)和從樣品管出射光點(diǎn)形狀是否相同，以檢驗(yàn)玻璃是否與激光束等高同軸。如果不同軸可調(diào)節(jié)“樣品管支架”下的調(diào)節(jié)螺絲使達(dá)到同軸為止。此時(shí)可觀察到透過(guò)檢偏器的光強(qiáng)不為零

7、。便是該濃度溶液的旋光度。2.用自己組裝的旋光儀測(cè)量葡萄糖水溶液的濃度(1)配置不同的容積克濃度（單位：g/100mL）的葡萄糖水溶液。簡(jiǎn)單的方法是將各溶液濃度配成為、，加上純水(濃度為零),共5種試樣，濃度取24%至30%為宜。分別將不用濃度溶液注入相同長(zhǎng)度的樣品試管中，測(cè)出不同濃度下旋光度。并同時(shí)記錄測(cè)量環(huán)境溫度和記錄激光波長(zhǎng)。 (2)以溶液濃度為橫坐標(biāo)，旋光度為縱坐標(biāo)，繪出葡萄糖溶液的旋光直線，由此直線斜率代入公式(2),求得該物質(zhì)的旋光率。 (3)用旋光儀測(cè)出未知濃度的葡萄糖溶液樣品的旋光度，再根據(jù)旋光直線確定其濃度。 3.用半蔭旋光儀測(cè)葡萄糖水溶液的濃度，求得葡萄糖的旋光率。其中 D

8、=589.3nm。并與進(jìn)行比較，證明旋光率與波長(zhǎng)有關(guān)（約與波長(zhǎng)的平方成反比）。（二）選做內(nèi)容：測(cè)量果糖溶液的旋光率。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)例（僅供參考）葡萄糖采用市售口服葡萄糖（粉狀）。用分辨率為0.1mg的電子分析天平稱量過(guò)濾紙和葡萄糖。過(guò)濾紙質(zhì)量=0.8042g；（葡萄糖+過(guò)濾紙）的總質(zhì)量=30.9044g;葡萄糖質(zhì)量=30.9044g-0.8042g=30.100g。純水用量筒計(jì)量其體積為100.0mL。將其倒入燒杯。純水100.0mL加入30.100g葡萄糖粉，經(jīng)充分溶解后（可適當(dāng)加溫），溶解過(guò)程尚需攪拌，但不能將水賤出或蒸發(fā)，倒入量筒測(cè)量得葡萄糖溶液的體積為118.5mL。葡萄糖溶液的濃度表2

9、 不同濃度溶液的旋光度的測(cè)量測(cè)量角度濃度旋光度旋光度平均值。123空氣0342.5342.0342.0342.2322.0321.0321.5321.5/2332.0332.0332.0332.0/4337.0336.5337.0336.8/8339.5340.0340.0339.8純水0342.0342.0342.5342.2用旋光度溶液濃度進(jìn)行最小二乘法直線擬合（將作為1個(gè)單位考慮）得：斜率=-20.7o;即濃度為時(shí)的旋光度為-20.7o;擬合的相關(guān)系數(shù)=-0.9998；這里負(fù)值表示當(dāng)溶液濃度增加時(shí)，迎著偏振光入射方向看，角度示值減小，說(shuō)明葡萄糖溶液為右旋物質(zhì)。以下計(jì)算將不用“+-”號(hào)表示

10、。用米尺測(cè)量樣品試管長(zhǎng)度為,葡萄糖的旋光率為：由于葡萄糖旋光率的值無(wú)法查到，但可以判斷此測(cè)量結(jié)果是合理的。查手冊(cè)可知葡萄糖旋光率旋光率近似與偏振光波長(zhǎng)平方成反比，即所以， 對(duì)650nm波長(zhǎng)而言，旋光率兩者是不同溫度下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在測(cè)量誤差范圍內(nèi)，較接近。教學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)提供學(xué)生試樣的方法：1.提供學(xué)生1個(gè)專用試管學(xué)生自己配不同濃度的試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 教師配好濃度為的葡萄糖溶液，提供樣品試管1個(gè)，5只一次性塑料杯（其中一只盛純水）和攪拌棒1根。先把濃度為的葡萄糖溶液將樣品試管灌滿后封好，進(jìn)行旋光度測(cè)量，記錄檢偏器的消光位置，然后，將濃度的樣品試樣倒入一次性杯子中，接著用水清洗樣品試管，并倒入廢液杯中。用樣品試管作“量筒”，盛滿純水，倒入原先盛有濃度容積等于樣品試管杯中。用攪拌棒攪拌溶液，使其充分混合。便得到濃度的葡萄糖溶液。同樣只要每次測(cè)量前重復(fù)上述過(guò)程便得到、濃度的葡萄糖溶液，并測(cè)得相應(yīng)的旋光度。2.提供學(xué)生分別盛有濃度、葡萄糖溶液和純水的樣品試管共5個(gè)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。