[科普中国]-旋光计量测试技术

偏振光通过某种物质后，其振动面将以光的传播方向为轴线转过一定的角度，这种现象称为旋光现象，对偏振光旋转角度进行测量的技术即为旋光计量测试技术。常见的此类技术有消光法、光学外差干涉法及弹光调制法等，可测量旋光角度从而分析物质浓度、含量、纯度，因而该技术被广泛应用于制糖、制药、食品、香料、石油、轻工、化工等行业。

简介平面偏振光通过某种物质后，其振动面将以光的传播方向为轴线转过一定的角度，这种现象称为旋光现象。旋光角度的大小与所通过物体厚度和物体的物理特性有关，对旋光角度进行测量的技术即为旋光计量测试技术。通过研究物质的旋光特性，可以鉴别物质类别并分析物质浓度、含量、纯度等参量。

旋光计量测试技术以其简单便捷、高敏感度、非破坏性测量光学活性无机和有机化合物的优点，被广泛应用于制糖、制药、石油、食品、化工等工业部门及有关高等院校和科研单位。正确了解和掌握旋光计量测试技术，对于正确指导药物的研制生产及药理研究，食品生产过程的控制及确保产品质量，指导石油化工、香精、香料等生产具有重要意义1。

旋光测试技术常见的旋光计量测试技术有消光法、光学外差干涉法及弹光调制法等。

消光法消光法如图1所示2，钠光灯发出的普通光通过起偏器后变成平面偏振光，由于检偏器的偏振化方向同于起偏器，此平面偏振光也能完全通过检偏器。如果在起偏器、检偏器间放一个盛放样品的旋光管，如管内放置水、乙醇、醋酸等，仍可以看到光通过检偏器，如果管内放置葡萄糖水溶液，则观察不到光通过检偏器．只有把检偏器也旋转一定(向右或向左)的角度后，才能观察到有光通过。观察检偏镜上携带的刻度盘所旋转的角度，即为该旋光性物质的旋光度，将旋光度代入式1即可获得物质的浓度。

式中，α为旋光角度；D为钠光谱D线；T为测量时的温度；l为光通过溶液柱的长度，单位为cm；c为100ml溶液中旋光性物质的质量，单位为g。

由于两偏光棱镜相对方位调节的精度关系，消光法测量旋光角度引起的误差较大，精确度不够高。许多学者从线偏振光可被看作是左右旋圆偏振光的复合的理论出发，提出了用光学外差干涉法、弹光调制法的技术来实现旋光角度的精确测量，其精度较高。

光学外差干涉法光学外差干涉法如图2所示3，光源后面放置一个半波片，以调整p 光与 s 光的偏振方向分别平行于x 轴与y 轴。经调整后的正交线偏光透过旋光溶液后照射到偏振光分束器(PBS) 上，且放置时使其坐标轴平行于系统坐标轴。PBS将透过样品产生偏转后的线偏光分别与 x 轴与y 轴相平行而产生外差干涉信号，这两个外差干涉信号大小相等且一正一负，所产生的外差干涉信号分别被置于x 轴与y 轴上的光电探测器接收，然后输入到差动放大器中作相减运算后，信号被放大了两倍。由于 p光与 s光在进入PBS 前所经光学路径相同，故只要将两检测器的距离放置于距离 PBS 相等的位置时，即可消除共光路径上的环境噪声。最后利用数字电压表获取差动放大器的输出信号，利用式2即可得到旋光角度。

式中，△I为差动放大器输出信号强度，A为p光或s光的振幅。

弹光调制法弹光调制法如图3所示4，起偏器和检偏器的偏振轴相对于弹光调制（PEM） 的快轴方向分别取 0°和45°。将探测器输出的直流信号和交流信号分别提取出，直流信号经低通滤波器输出得到直流项：

对于交流信号，主要选用与 PEM 剩余双折射无关的二倍频项信号作为研究对象。先将交流信号经前置放大器转换为电压信号并放大，再运用锁相放大技术提取出对应的二倍频项：

式中，

θ为旋光角，J2为 2 阶贝塞尔级数，K2是由前置放大和锁相增益决定的系数。由该式可知，二倍频项与旋光角成正比，结合直流项表达式可得到旋光角为： 其中，K是系统的比例系数，实验前可标定得到。因而测量直流项和二倍频项即可得到旋光角度 。

旋光测试影响因素（1）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。

不同物质的温度系数不同，一般在0.01~0.05℃之间。因此精密测定时，要求测定时必须恒温，旋光管上装有恒温夹套并且与超级恒温槽连接是最常采用的办法。

（2）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，常将比旋光度作为常数，因此将旋光物质的旋光皮与浓度看成为成正比。其实。严格来讲比旋光度并非常数，旋光度和溶液浓度之间也并不是严格地呈线性关系。

（3）变旋光作用影响

葡萄糖、果糖、乳糖、麦芽糖等具有光学活性的还原糖类，在溶解之后，由于变旋光作用，其旋光度起初迅速变化，然后惭渐变得较缓慢，最后达到恒定值。产生这种现象是由于有的糖存在e型和A型两种异构体，它们的比旋光度不同。这两种环型结构及中间的开链结构在构成一个平衡体系过程中，即显示出变旋光作用。由于变旋光作用，因此在用旋光法测定这类物质时，要在分析条件上给予严格控制。保证分析时间、测试液的酸碱性、测试液温度，以达到分析结果的一致。

旋光测试应用领域自然界中有许多物质都可以使偏振光发生偏转，因此通过旋光角度的测定，可分析这些物质的浓度、含量、纯度等。旋光测定法以其高敏感度、非破坏性测量光学活性无机和有机化合物的优点，被广泛应用于制糖、制药、石油、食品、化工等工业部门及有关高等院校和科研单位1。

比如农业中农用抗菌素、农用激素、微生物农药及农产品淀粉含量等成分分析。

医药领域通过比旋光度和旋光的测量，确定氨基酸、抗生素、葡萄糖、维生素、类固醇、氨基糖、可卡因、利尿剂、镇静剂、镇痛药、可待因、血清、维生素等产品纯度，同时还可以进行中草药药理研究、临床糖尿病分析等。

食品分析中食糖、味精、酱油等生产过程的控制及成品检查，为确保产品质量，还进行食品含糖量的测定，包括谷物和糖浆，如碳水化合物、乳糖、棉籽糖、各种淀粉、果糖、蔗糖、天然单糖、葡萄糖、麦芽糖、木糖。

石油化工领域的矿物油分析、石油发酵工艺的监视，而且化学工业中还采用旋光分析法检验生物大分子、天然聚合物、合成聚合物等。

香精、香料生产中采用旋光法进行原材料牛樟、树脂、甜橙油、柠檬酸、熏衣荤油、薄荷原油、甘油酸、香精油检验。

在工业界、研究机构和大学中采用旋光作为一种研究手段，利用高效液相色谱法进行分离和确定未知晶体；通过测量光学活性化合物的比旋光度定性评价并和文献的理论值比较；测量旋光与时间的函数，研究反应动力学；在酶裂解中监测浓度变化，以便确定光学活性成分的反应混合物；利用旋光色散曲线来分析分子结构，区分光学异构体。

本词条内容贡献者为:

杜强 - 高级工程师 - 中国科学院工程热物理研究所