利用旋光性测量溶液

1、技术研发 Technology Research利用旋光性测量溶液浓度闫焕宇,于国萍(武汉大学 物理科学与技术学院摘 要 :提出了利用手性化合物的旋光性检测溶液浓度。通过硬件电路进行信号处理,软件部分实现自动化操作, 溶液浓度的测量结果反应在用户界面上。友好的用户界面,直观的结果显示,实验结果符合理论分析。关键词 :偏振光;旋光性;旋光度;浓度检测;自动控制Detection of the Solution Concentration Based on Optical ActivityYan huanyu, Yu guopinAbstract : The system of detecting

2、 the solution concentration based the optical activity of chiral compound is proposed. The signal is processed through hardware circuit, the operation of software is completed automatically, and the measurements of the solution concentration are reflected on the user's interface. The user's

3、interface is friendly and visual, and the actual result is agreed with theoretical analysis.Keywords : Polarized light; optical activity; light rotation; concentration detection; automatic control;在实验室研究和工业化生产中,液体浓度的快速检测是迫切需要解决的重要课题。在石油、化工、冶金、电力、医药等行业中,都要求对各种溶液进行计量和控制,这对保证产品质量,节省能源,降低原材料消耗和加强经济核算有着重

4、要意义。目前,传统的蒸发溶剂测量浓度的方法仍在使用,但这已经远远不能满足现代化 生产的要求。利用偏振光和物质的相互作用引起的各种 效应,可对许多参量进行测量,也可用于对介质本身某 些特性进行研究 1。本研究利用手性化合物的旋光性, 使用光电探测器采集光强信号,通过硬件电路实现信号 的放大和处理,由软件部分实现溶液浓度检测的自动控 制,检测结果在计算机用户界面实时显示。1 旋光性及其检测溶液浓度的原理当普通光通过一个偏振片时,一部分光被吸收,只 有振动方向与偏振片透光轴平行的光才能通过。这种只 在一个平面上振动的光称为平面偏振光。当平面偏振光通过手性化合物溶液后,具有光学活 性的有机手性化合物能

5、使平面偏振光的振动面旋转一定 角度,这一性质就叫做旋光性,具有旋光性的物质则称 为旋光性物质(如葡萄糖、果糖、乳糖等。 C 为溶液的浓 度(g /100ml , L 为测定管的长度(dm ,对于一定温度和 旋转角度,溶液浓度 C 即可求出。如图1所示,本实验系统中激光器采用 He-Ne 激光器, 两个偏振片一个做起偏器,另一个做检偏器,起偏器始 终处于固定状态,检偏器由步进电机带动可自由转动。 放入旋光溶液前,由 PC 机控制步进电机转动以使起偏器 和检偏器透光轴平行。然后,放入具有旋光性的待测溶 液,线偏振光经过待测溶液后,振动面旋转一个角度, 这样,检偏器透过的光强不再是最大光强,这时,

6、PC 机 找最大光强程序控制步进电机转动寻找到最大光强,得 到转动的角度,从而通过式(1计算得到溶液浓度。图1 旋光溶液浓度检测系统原理图2 信号的采集和处理 光信号经过光学系统后,带上了溶液浓度信息,但 要实现信息的处理与最终显示,必须把光信号转换成电 信号,这部分由光电接收与转换电路来实现。在没有信 号光照的情况下,由于有背景光的存在,光敏二极管也 会 有光电 流产生,系 统采用 对称电路来 滤除 噪 声 ,图2 对称电路原理图除了背景噪声外,还有运放噪声的存在。实验中采 用供集成运放 TL 084的±12V 电源,供2CU 80B 型硅光电 二极管的+12V 电源,这三个电源对

7、地都接上大电容,可 滤除50Hz 交流干扰,在差动运放输出端对地接上一个合 适电容,使测试结果更加准确 3。模拟信号采用集成 A/D转换器转换成数字信号,供 单片机使用。3 数据通信与程序控制要实现整个检测过程的自动化,程序设计起决定作 用。检测系统软件包括 PC 机端程序和单片机端程序,它 们之间采用串行通信的方式进行数据交换。单片机从 A/D转换器处得到电压信号,传送给 PC 机, PC 机向单片 机发送校准指令,单片机根据指令内容控制步进电机进 行相应度数转动,然后将转动结果(当前电压反馈给 PC 机,最终寻找到最大电压,此时起偏器与检偏器透光轴 平行(未放溶液前或者检偏器透光轴与经过旋

8、光溶液的64 65技术研发 Technology Research偏振光振动方向一致(放入旋光溶液后。单片机使用汇编语言编程,采用 n 断方式与 PC 机进 行串行通信。由于要实现程序自动调节寻找最大电压, PC 机需不断向单片机发送不同转动度数的校准指令,控 制命令由 PC 机校准算法自动发送,单片机接收后执行并 反馈执行结果, PC 机又根据反馈结果发送下一条指令。 单片机除了要有执行控制命令对应的功能段外,还需要 供功能段调用的 A/D转换子程序、步进电机驱动程序以及 串行 n 中断子程序 2。PC 机端使用 VB 编程,主要完成用户界面窗口设计、 串行通信控件设置和寻找最大电压 4。V

9、B 设置了一个寻找最大光强子程序,总共校准15次, 精度在0.125°。图3为寻找最大光强子程序流程图。图3 寻找最大光强子程序图最大电压值、本次采集电压值和旋转角度分别保存 在 Datamax 、 V oltage 和中。从开始到结束,每执行一步, 则加上(正转或减去(反转相应的度数。以上15个转 动步进电机子程序的运行条件都为 Datamax>Voltage ,若不 满足,将 V oltage 值赋予 Datamax ,程序从开始处重新开始 运行该子程序,直到子程序运行结束。将执行完子程序 得到的转动角度值取绝对值与已知的比旋光率和溶液 长度通过计算机程序计算,得到此旋光溶

10、液浓度,计算 结果显示在用户界面上。4 实验结果通过偏振光自动检测溶液浓度系统,可以简单并且 比较精确地测量到待测溶液的浓度。应用此系统,测量 葡萄糖水溶液,在20环境下,查得旋光率为53,取测 定管长度2.24dm ,根据式(1,计算机画出理论曲线。测 得6组自配葡萄糖溶液的浓度,每组溶液测量3次,取浓 度平均值为最后的结果,浓度测量结果如表1所示。表1 葡萄糖水溶液的测量结果实验检测结果与分析如图4所示。图4 实验检测结果与分析图图中直线为理论曲线,直线上的点为6组溶液的测 量结果,由于是根据旋转角度计算出来的浓度,显然点 均在这条直线上。但是,测量结果明显存在误差,以第 四组溶液为例,溶

11、液的配置浓度为22g /100ml ,对应旋 转角度26.1184°,而测量结果为22.95g /100ml ,对应 旋转角度27.2462°,浓度相对误差4.32%,而实际上, 我们需要的结果是旋转角度27.2462°对应22g /100ml 的 浓度,所以需要对系统做误差修正,图中偏离直线的点 为22g /100ml 的修正点,修正后的曲线应该是大量多次 测量不同浓度溶液后得到的修正点的连线。5 结束语旋光性测量溶液系统使用了光电探测器和信号处理 电路,将光强信号量化为可供单片机识别的数字信号, 并通过计算机和单片机的配合完成了寻找最大光强的关 键任务,最后通过计算机程序将浓度的计算结果显示在 用户界面上。在实验中发现还有一些问题需要作进一步 处理:(1激光器的输出光强不是恒定不变的,这会对测 量结果造成影响。(2寻找最大电压的程序只精确到旋转角度0.125°, 这也是产生误差的原因。(3待测溶液应该选取更为精确的成品溶液,或者 采用去离子水溶剂