D-葡萄糖變旋特性的實驗研究

趙永潛 張亞萍 許廣建 劉釗良 何偉林

(中國石油大學(華東)理學院，山東 青島 266580)

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D-葡萄糖變旋特性的實驗研究

趙永潛 張亞萍 許廣建 劉釗良 何偉林

(中國石油大學(華東)理學院，山東 青島 266580)

通過測定不同濃度的D-葡萄糖水溶液的旋光度，研究其規律，得出了葡萄糖水溶液變旋特性曲線的經驗公式.分析表明，D-葡萄糖溶于水后，部分α-D-葡萄糖轉化為β-D-葡萄糖，造成其水溶液旋光度的下降，本文給出的經驗公式在變旋時間大于25min時能夠較為準確地描述葡萄糖水溶液的變旋特性.這對于新配制α-D-葡萄糖溶液旋光度的預測和研究其他變旋物質的變旋特性具有一定的指導意義.

D-葡萄糖；比旋光度；變旋特性；偏振

旋光現象最早由法國物理學家阿拉果(1786—1853年)發現，當偏振光沿光軸方向在石英中傳播時，偏振光的振動平面會發生旋轉，這種現象稱為旋光性.物質的旋光性質在生物[1,2]和化學[3-6]領域有著較為廣泛的應用，在研究分子的相互作用、分子的內旋轉以及微細立體結構等方面，旋光法有著其他方法不可替代的作用.對于一些具有光學活性的還原糖類(如果糖、乳糖、葡萄糖等)，在溶于水后，新配成的單糖溶液在放置過程中其旋光度會逐漸改變，但經過一定時間，旋光度就不再變化，這種現象稱為變旋現象.本文從α-D-葡糖糖溶液的變旋實驗入手，探究了變旋現象的變化規律.

1 實驗原理

1.1 旋光度、比旋光度

線偏振光通過某些物質的溶液后，其振動面會以光的傳播方向為軸旋轉過一定的角度，這種現象稱為旋光現象，能產生旋光現象的物質叫做旋光性物質，偏振光偏轉的角度θ稱為旋光度(Optical Rotation).研究表明[7]，對于旋光性溶液，旋光度θ與偏振光通過的液柱長度L和溶液中旋光物質的濃度C成正比，即

(1)

1.2 測量原理

如圖1所示，起偏器和檢偏器的偏振方向相互垂直，在正交的兩偏振器之間放置一個樣品室，當一束自然光入射，經起偏器起偏后變成線偏振光，若樣品室中無任何旋光物質，則在檢偏器的視場中出現全暗；若在樣品室中放置旋光溶液，則由于偏振光通過旋光物質后振動面旋轉一定角度，檢偏器的視場會變得明亮.這時如果旋轉檢偏器，使視場再次出現全暗，則檢偏器轉過的角度就是偏振光振動面轉過的角度，也就是旋光物質的旋光角度θ.

圖1 測量旋光度原理圖

2 實驗裝置與方法

2.1 測量儀器

WXG-4小型旋光儀(上海浦東物理光學儀器廠)，鈉光燈，旋光管若干(L=200mm)，電子天平(精確度為0.01g，賽多利斯科學儀器(北京)有限公司)，量筒，玻璃棒，試管，溫度計，計時器，D-葡萄糖(國藥集團化學試劑有限公司)，去離子水.

2.2 實驗方法

打開WXG-4小型旋光儀電源開關，預熱5min，使鈉光燈發光正常.調節旋光儀的目鏡，使目鏡中觀察到的視場清晰并找到三分視場中的零度視場，記下此時刻度盤上相應左、右兩個游標的讀數，取平均值后作為零點位置.

稱取15.0gD-葡萄糖倒入試管中，向試管中加入去離子水至總溶液為30ml并開始計時，所配溶液濃度為0.5g/ml.立即用玻璃棒將溶液攪拌均勻以加速葡萄糖溶解，當葡萄糖完全溶解，快速將此溶液注滿旋光管并密封好，置于旋光儀中，當計時器顯示為5min時開始測定溶液的旋光度，每隔5min測定一次, 測量至35min之后每隔15min測量一次，一直測量到110min為止.

然后分別配制0.40g/ml,0.30g/ml,0.25g/ml,0.20g/ml,0.15g/ml,0.10g/ml,0.05g/ml的葡萄糖溶液，測量方法同上，依次記錄旋光儀刻度盤上左、右兩個游標的讀數.

3 結果與分析

3.1 變旋特性

分別計算出每一測量時刻光通過溶液相對于零點位置的偏轉角度，即為該變旋時間對應濃度下溶液的旋光度，作出不同濃度葡萄糖溶液的變旋曲線如圖2所示.實驗中旋光管長度為L=200mm，實驗室溫度t=18.2℃，鈉光源波長為589.3nm.

圖2 不同濃度D-葡萄糖溶液變旋特性曲線圖

從圖2中，可以得到以下幾個結論：

1) 旋光度隨著溶液濃度的提高而增大，相同濃度下，α-D-葡萄糖溶液的旋光度隨著放置時間的延長呈減小趨勢，旋光度減小幅度開始時較大，隨后慢慢減小，直至旋光度達到穩定狀態.

2) 高濃度α-D-葡萄糖溶液比低濃度α-D-葡萄糖溶液的變旋特性曲線的斜率要大，說明濃度較高的α-D-葡萄糖溶液旋光度在較短時間內改變幅度更為明顯；而低濃度α-D-葡萄糖溶液的旋光度達到穩定時，所需的時間較短.

3.2 變旋特性機理分析

圖3 葡萄糖溶液的動態平衡體系

縮醛，是一類有機化合物的統稱.由一分子醛與兩分子醇縮合的產物稱為縮醛，由一分子醛與一分子醇縮合的產物稱為半縮醛.葡萄糖分子一端的醛基和另一端的羥基結合可形成兩種環狀半縮醛結構，即α-D-葡萄糖和β-D-葡萄糖，如圖3所示.有研究指出[9]，這兩種晶型的葡萄糖溶于水后，都可通過半縮醛的開環和再次關環而形成α-D-葡萄糖和β-D-葡萄糖共存的動態平衡狀態，如圖3所示，從而使得溶液的旋光度穩定在52.7°左右[10].當α-D-葡萄糖晶體溶于水后，溶液會向著α-D-葡萄糖濃度減少，而β-D-葡萄糖濃度向增大的方向進行轉化，因而，α-D-葡萄糖溶液的比旋光度較大，β-D-葡萄糖溶液的比旋光度較小，溶液的旋光度整體上呈下降趨勢.

3.3 理論擬合

α-D-葡萄糖晶體溶于水后，隨著放置時間的延長，α-D-葡萄糖的分子濃度下降，而β-D-葡萄糖的分子濃度上升，溶液中同時存在著兩種旋光性物質，其旋光度由這兩種旋光性物質單獨作用后相疊加，由式(1)可得，溶液的旋光度為

(2)

(3)

(4)

式中，C為溶液中分子總濃度，η為溶液旋光度穩定時α-D-葡萄糖分子占溶液中葡萄糖分子總數的比例；1-η為溶液旋光度穩定時β-D-葡萄糖分子占溶液中葡萄糖分子總數的比例；b1和b2是常數.式(3)和式(4)只適用于時間較長的情況，將式(3)和式(4)代入式(2)得到

(5)

式(5)即為α-D-葡萄糖水溶液旋光度隨時間變化的理論公式.

通過實驗數據，確定方程(5)中的η、b1、b2，得出其經驗公式.當α-D-葡萄糖溶液濃度為0.5g/ml時，旋光度最終穩定在55.975°，即當t→∞，θ=59.975°，

59.975=

(6)

(7)

選取t為25min和80min所對應的θt實驗值.即

(8)

(9)

將式(8)和式(9)代入式(7)，解得

b1=8.82， b2=-15.18

(10)

由此可得，當α-D-葡萄糖溶液濃度為0.5g/ml時，旋光度變化經驗公式為

(11)

將該組實驗的理論值與實驗值進行對比，如表1所示

表1 變旋溶液旋光度實驗值和理論值比對表

由表1可看出，當變旋時間大于25min時，理論值和實驗值的相對誤差均控制在2.5%以內，其他濃度的α-D-葡糖糖溶液在變旋時間大于25min時，擬合誤差都在3%以內 .說明式(5)在變旋時間較長時可以比較準確地描述α-D-葡萄糖溶液變旋光過程中變旋特性.當變旋時間在5～20min時，理論值與實驗值相差較大，其產生原因主要如下：

1) 理論公式適用條件所致.在式(3)和式(4)中，當t較小時，隨著t的減小，溶液濃度急劇增大，且當時間t→0時，Cα,Cβ→∞，這顯然與實際情況不符.公式(3)和(4)只適用于時間較長的情況.

2) 實驗測量誤差所致.配制溶液的過程中，樣品的稱量，量筒凹液面的讀數都會造成所配制溶液的濃度誤差；計時時間點不能準確地與藥品剛好溶解的時間點匹配等因素，在一定程度上給測量結果帶來誤差.

4 結論

本文通過測定不同濃度α-D-葡萄糖溶液的旋光度，研究了α-D-葡萄糖溶液變旋特性的規律：隨著時間推移，溶液的旋光度逐漸減小，且減幅先大后小，直至其旋光度穩定；低濃度α-D-葡萄糖溶液的旋光度達到穩定時所需時間少于高濃度葡萄糖溶液.通過理論推導，得到了α-D-葡萄糖溶液變旋特性曲線的經驗公式，當變旋時間大于25min時，該公式可以較好地描述α-D-葡萄糖溶液變旋光過程中的變旋特性，研究結果對于新配制α-D-葡萄糖溶液旋光度的預測和研究其他變旋物質的變旋特性具有一定的指導意義.

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RESEARCH ON EXPERIMENT OF THE MUTAROTATION OFD-GLUCOSE

Zhao Yongqian Zhang Yaping Xu Guangjian Liu Zhaoliang He Weilin

(College of Science, China University of Petroleum(East China), Qingdao, Shandong 266580)

By measuring the optical rotation of different concentrations of glucose solution and analyzing the change of optical rotation ofD-glucose solution, The general formula is given to describe mutarotation curve ofD-glucose solution. The results show, afterD- glucose was dissolved in water, part ofα-D-glucose convert toβ-D-glucose, which cause a decline in optical rotation of its solution. When the time of mutarotation is longer than 25min, general equation given in the paper can accurately describe the mutarotation characteristics ofD-glucose solution. This has some significance for prediction of optical rotation of freshly prepared glucose solution and study of mutarotation law of other mutarotation substance.

D-glucose; specific rotation; mutarotation; polarization

2016-04-30

教育部高等學校教學研究項目(DWJZW201522hd;DWJZW201603hd)；山東省本科高校教學改革研究項目(2015M022)；中國石油大學(華東)教學改革重大項目和研究性教學改革項目JY-A201402；201520)；中國石油大學(華東)大學生創新訓練計劃項目(20151288).

趙永潛,男，本科生.

張亞萍，女，副教授，主要研究方向為物理實驗教學與研究，納米材料的合成、制備及其性能研究，材料腐蝕與檢測等.zhangyp@upc.edu.cn

趙永潛，張亞萍，許廣建，等. D-葡萄糖變旋特性的實驗研究[J]. 物理與工程，2016，26(6)：94-97.