旋光仪的使用方法

1.旋光现象和旋光度
一般光源发出的光，其光波在垂直于传播方向的一切方向上振动，这种光称为自然光，或称非偏振光;而只在一个方向上有振动的光称为平面偏振光。当一束平面偏振光通过某些物质时，其振动方向会发生改变，此时光的振动面旋转一定的角度，这种现象称为物质的旋光现象，这种物质称为旋光物质。旋光物质使偏振光振动面旋转的角度称为旋光度。尼柯尔(Nicol)棱镜就是利用旋光物质的旋光性而设计的。
2.旋光仪的构造原理和结构
旋光仪的主要元件是两块尼柯尔棱镜。尼柯尔棱镜是由两块方解石直角棱镜沿斜面用加拿大树脂粘合而成，如图Ⅱ-5-4所示。

图Ⅱ-5-4 尼柯尔棱镜
当一束单色光照射到尼柯尔棱镜时，分解为两束相互垂直的平面偏振光，一束折射率为1.658的寻常光，一束折射率为1.486的非寻常光，这两束光线到达加拿大树脂粘合面时，折射率大的寻常光(加拿大树脂的折射率为1.550)被全反射到底面上的墨色涂层被吸收，而折射率小的非寻常光则通过棱镜，这样就获得了一束单一的平面偏振光。用于产生平面偏振光的棱镜称为起偏镜，如让起偏镜产生的偏振光照射到另一个透射面与起偏镜透射面平行 的尼柯尔棱镜，则这束平面偏振光也能通过第二个棱镜，如果第二个棱镜的透射面与起偏镜 的透射面垂直，则由起偏镜出来的偏振光完全不能通过第二个棱镜。如果第二个棱镜的透射 面与起偏镜的透射面之间的夹角在0°～90°之间，则光线部分通过第二个棱镜，此第二 个棱镜称为检偏镜。通过调节检偏镜，能使透过的光线强度在最强和零之间变化。如果在起 偏镜与检偏镜之间放有旋光性物质，则由于物质的旋光作用，使来自起偏镜的光的偏振面改 变了某一角度，只有检偏镜也旋转同样的角度，才能补偿旋光线改变的角度，使透过的光的 强度与原来相同。旋光仪就是根据这种原理设计的。如图Ⅱ-5-5所示。

图Ⅱ-5-5 旋光仪构造示意图
1.目镜;2.检偏棱镜;3.圆形标尺;4.样品管;5.窗口;6.半暗角器件;7.起偏棱镜;8.半暗角调节;9.灯。
通过检偏镜用肉眼判断偏振光通过旋光物质前后的强度是否相同是十分困难的，这样会 产生较大的误差，为此设计了一种在视野中分出三分视界的装置，原理是:在起偏镜后放置 一块狭长的石英片，由起偏镜透过来的偏振光通过石英片时，由于石英片的旋光性，使偏振 旋转了一个角度，通过镜前观察，光的振动方向如图Ⅱ-5-6所示。

图Ⅱ-5-6 三分视野示意图
A是通过起偏镜的偏振光的振动方向，A′是又通过石英片旋转一个角度后的振动方向，此两偏振方向的夹角称为半暗角(=2°～3°)，如果旋转检偏镜使透射光的偏振面与A′平行时，在视野中将观察到:中间狭长部分较明亮，而两旁较暗，这是由于两旁的偏振光不经过石英片，如图Ⅱ-5-6(b)所示。如果检偏镜的偏振面与起偏镜的偏振面平行(即在A的方向时)，在视野中将是:中间狭长部分较暗而两旁较亮，如图Ⅱ-5-6(a)。当检偏镜的偏振面处于 时，两旁直接来自起偏镜的光偏振面被检偏镜旋转了 ，而中间被石英片转过角度?的偏振面对被检偏镜旋转角度 ，这样中间和两边的光偏振面都被旋转了 ，故视野呈微暗状态，且三分视野内的暗度是相同的，如图Ⅱ-5-6(c)，将这一位置作为仪器的零点，在每次测定时，调节检偏镜使三分视界的暗度相同，然后读数。
3.影响旋光度的因素
(1)溶剂的影响
旋光物质的旋光度主要取决于物质本身的结构。另外，还与光线透过物质的厚度，测量时所用光的波长和温度有关。如果被测物质是溶液，影响因素还包括物质的浓度，溶剂也有一定的影响。因此旋光物质的旋光度，在不同的条件下，测定结果通常不一样。因此一般用比旋光度作为量度物质旋光能力的标准，其定义式为:

式中D表示光源，通常为钠光D线，t为实验温度，a为旋光度，L为液层厚度，单位为厘米，C为被测物质的浓度(以每毫升溶液中含有样品的克数表示)，在测定比旋光度 值时，应说明使用什么溶剂，如不说明一般指水为溶剂。
(2)温度的影响
温度升高会使旋光管膨胀而长度加长，从而导致待测液体的密度降低。另外，温度变化还会使待测物质分子间发生缔合或离解，使旋光度发生改变。通常温度对旋光度的影响，可用下式表示:

式中t为测定时的温度，Z为温度系数。
不同物质的温度系数不同，一般在-(0.01～0.04)℃-1之间。为此在实验测定时必须恒温，旋光管上装有恒温夹套，与超级恒温槽连接。
(3)浓度和旋光管长度对比旋光度的影响
在一定的实验条件下，常将旋光物质的旋光度与浓度视为成正比，因为将比旋光度作为常数。而旋光度和溶液浓度之间并不是严格地呈线性关系，因此严格讲比旋光度并非常数，在精密的测定中比旋光度和浓度间的关系可用下面的三个方程之一表示:

式中q为溶液的百分浓度;A，B，C为常数，可以通过不同浓度的几次测量来确定。
旋光度与旋光管的长度成正比。旋光管通常有10cm、20cm、22cm三种规格。经常使用的有10cm长度的。但对旋光能力较弱或者较稀的溶液，为提高准确度，降低读数的相对误差，需用20cm或22cm长度的旋光管。
4.旋光仪的使用方法
首先打开钠光灯，稍等几分钟，待光源稳定后，从目镜中观察视野，如不清楚可调节目镜焦距。
选用合适的样品管并洗净，充满蒸馏水(应无气泡)，放入旋光仪的样品管槽中，调节检偏镜的角度使三分视野消失，读出刻度盘上的刻度并将此角度作为旋光仪的零点。
零点确定后，将样品管中蒸馏水换为待测溶液，按同样方法测定，此时刻度盘上的读数与零点时读数之差即为该样品的旋光度。
5.使用注意事项
旋光仪在使用时，需通电预热几分钟，但钠光灯使用时间不宜过长。
旋光仪是比较精密的光学仪器，使用时，仪器金属部分切忌沾污酸碱，防止腐蚀。光学镜片部分不能与硬物接触，以免损坏镜片。不能随便拆卸仪器，以免影响精度。
6.自动指示旋光仪结构及测试原理
目前国内生产的旋光仪，其三分视野检测、检偏镜角度的调整，采用光电检测器。通过电子放大及机械反馈系统自动进行，最后数字显示。该旋光仪具有体积小、灵敏度高、读数方便、减少人为的观察三分视野明暗度相同时产生的误差，对弱旋光性物质同样适应。
WZZ型自动数字显示旋光仪，其结构原理如图Ⅱ-5-7所示。

图Ⅱ-5-7WZZ型自动数字显示旋光仪结构原理图
该仪器用20W钠光灯为光源，并通过可控硅自动触发恒流电源点燃，光线通过聚光镜、小孔光柱和物镜后形成一束平行光，然后经过起偏镜后产生平行偏振光，这束偏振光经过有法拉弟效应的磁旋线圈时，其振动面产生50Hz的一定角度的往复振动，该偏振光线通过检偏镜透射到光电倍增管上，产生交变的光电讯号。当检偏镜的透光面与偏振光的振动面正交时，即为仪器的光学零点，此时出现平衡指示。而当偏振光通过一定旋光度的测试样品时，偏振光的振动面转过一个角度a，此时光电讯号就能驱动工作频率为50Hz的伺服电机，并通过蜗轮杆带动检偏镜转动?角而使仪器回到光学零点，此时读数盘上的示值即为所测物质的旋光度。