微波分光儀測量葡萄糖溶液濃度

陳東禾, 梁小沖

(1. 四川大學 生命科學學院, 四川 成都 610211； 2. 四川大學 物理科學與技術學院, 四川 成都 610211)

液體濃度是實際生產和教學實驗中的一個重要參量[1]。一般測量溶液濃度的方法有滴定法、分光光度法、比重計法和旋光度法等。傳統的旋光度法有兩種：一是利用旋光儀測定,二是自備簡易裝置測定[2]。旋光儀操作簡單,但成本高；自備簡易裝置成本低,但儀器和操作復雜。

傳統旋光儀器的信號源為鈉光,為得到鈉光的偏振光需使用毛玻璃、聚光鏡、起偏器、半波片和檢偏器等設備[3]。本實驗的信號源輸出單一偏振方向的微波,不需使用偏振板或起偏器等上述設備。此外,微波的相對大小可通過電流表的示數判斷,因此可省略掉傳統儀器中的目物鏡組。

1 實驗原理

1.1 微波的性質

微波和光都是電磁波,都具有波動這一共性。都能產生反射、折射、干涉和衍射等現象[4]。由于微波的波長比光波的波長相差一萬倍左右,因此用微波來做波動實驗比光學實驗更直觀,方便和安全[5]。

1.2 微波的偏振

振動方向對于傳播方向的不對稱性叫做偏振,它是橫波區別于其他縱波的一個最明顯的標志。微波電矢量振動的空間分布對于傳播方向失去對稱性的現象叫做微波的偏振[6]。只有橫波才能產生偏振現象。微波是一種電磁波,具有偏振現象。

本信號源輸出的電磁波經喇叭后電場矢量方向是與喇叭的寬邊垂直的,相應磁場矢量是與喇叭的寬邊平行的,垂直極化。而接收器由于其物理特性,它也只能收到與接收喇叭口寬邊相垂直的電場矢量(對平行的電場矢量有很強的抑制,認為它接收為零)。所以當兩喇叭的朝向(寬邊)相差θ時,它只能接收一部份信號A=A0cosθ(A0為兩喇叭一致時收到的電流表讀數)[7]。

1.3 溶液的旋光性

偏振光通過某些晶體或物質的溶液時,其振動面以光的傳播方向為軸線發生旋轉的現象,稱為旋光現象,如圖1所示。

圖1 溶液的旋光性

振動面旋轉的角度α與旋光性物質的溫度t、濃度c、旋光性物質在此條件下的比旋光度[α],以及光在該物質中的行程l有關[8]。比旋光度[α]即單位濃度和單位長度下的旋光度,是旋光物質的特征物理常數。

本實驗通過測量待測溶液的旋光角α、光在該物質中的行程l,并利用已知的該溶液在此條件下的比旋光度[α]計算待測溶液的濃度。比旋光度公式[9]如下:

(1)

其中：[α]為溶液在一定溫度、一定的光波長條件下的比旋光度；α為溶液的旋光角(°)；c為溶液的濃度，g/mL；l為旋光管長度，dm。

實驗中的葡萄糖溶液在室溫、微波波長為2.844 59 m的條件下的比旋光度[α]=-17.6(負號代表左旋)[10]。旋光管長度l=0.5 dm。

2 實驗裝置

實驗裝置如圖2所示。打開電源,將電流表示數調節到合適。取長度為l的旋光管(試管T),將待測溶液裝入試管T,并將試管T安裝在中心臺上。由發射喇叭發出的偏振微波通過試管T中的溶液時,其振動面以傳播方向為軸線發生旋轉。這時可觀察到電流表的示數減小。慢慢轉動接收器,使電流表的示數再次達到極大值,記下接收器旋轉過的角度α。

圖2 實驗裝置

3 實驗方案及操作

(1) 將發射器(發射喇叭)和接收器(接收喇叭)安置在帶有角度計的中心平臺上,其中發射器安置在固定臂(2號鋼直尺)上,接收器安置在可動臂(1號鋼直尺)上。發射器和接收器的喇叭口相對,寬邊與地面平行。

(2) 調節發射器和接收器之間的距離(喇叭口相距40 cm左右)。調節發射器上的衰減器和電流表上的檔位開關,使接收器上的電流表的指示在2/3量程左右[11]。

(3) 取長度為l的試管T,將待測濃度的葡萄糖溶液裝入試管T,并將試管T安裝在中心臺上。保持發射器、試管T和接收器在同一高度。這時可觀察到電流表的示數減小。

(4) 松開接收器上面的手動螺栓,慢慢轉動接收器,使電流表的示數再次達到極大值,記下接收器旋轉過的角度α。

(5) 將[α]、α和l代入式(1),即可得到待測濃度的葡萄糖溶液的濃度c。

(6) 將c與葡萄糖溶液濃度的真實值(真實值于配置溶液時記錄)c′比較,驗證上述方法的準確性。

(7) 重復上述實驗,進行多次驗證。

4 實驗過程結果及誤差分析

5次的實驗結果見表1。

表1 測得的葡萄糖溶液濃度與真實值比較

此方法得到的葡萄糖溶液濃度與準確值接近,但是仍然存在一定的偏差。產生誤差的主要原因是微波分光儀的電流表精確度不夠，以及指針擺動造成的讀數誤差,可以通過減小電流表量程來減小誤差,但電流表的精度問題仍有待進一步改進。

5 結語

本實驗用旋光度法測量溶液濃度,利用微波的偏振特性和溶液的旋光特性測得溶液的旋光角,進而得到溶液的濃度,拓展了微波分光儀的用途。