微波分光仪测量葡萄糖溶液浓度

陈东禾, 梁小冲

(1. 四川大学 生命科学学院, 四川 成都 610211； 2. 四川大学 物理科学与技术学院, 四川 成都 610211)

液体浓度是实际生产和教学实验中的一个重要参量[1]。一般测量溶液浓度的方法有滴定法、分光光度法、比重计法和旋光度法等。传统的旋光度法有两种：一是利用旋光仪测定,二是自备简易装置测定[2]。旋光仪操作简单,但成本高；自备简易装置成本低,但仪器和操作复杂。

传统旋光仪器的信号源为钠光,为得到钠光的偏振光需使用毛玻璃、聚光镜、起偏器、半波片和检偏器等设备[3]。本实验的信号源输出单一偏振方向的微波,不需使用偏振板或起偏器等上述设备。此外,微波的相对大小可通过电流表的示数判断,因此可省略掉传统仪器中的目物镜组。

1 实验原理

1.1 微波的性质

微波和光都是电磁波,都具有波动这一共性。都能产生反射、折射、干涉和衍射等现象[4]。由于微波的波长比光波的波长相差一万倍左右,因此用微波来做波动实验比光学实验更直观,方便和安全[5]。

1.2 微波的偏振

振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振,它是横波区别于其他纵波的一个最明显的标志。微波电矢量振动的空间分布对于传播方向失去对称性的现象叫做微波的偏振[6]。只有横波才能产生偏振现象。微波是一种电磁波,具有偏振现象。

本信号源输出的电磁波经喇叭后电场矢量方向是与喇叭的宽边垂直的,相应磁场矢量是与喇叭的宽边平行的,垂直极化。而接收器由于其物理特性,它也只能收到与接收喇叭口宽边相垂直的电场矢量(对平行的电场矢量有很强的抑制,认为它接收为零)。所以当两喇叭的朝向(宽边)相差θ时,它只能接收一部份信号A=A0cosθ(A0为两喇叭一致时收到的电流表读数)[7]。

1.3 溶液的旋光性

偏振光通过某些晶体或物质的溶液时,其振动面以光的传播方向为轴线发生旋转的现象,称为旋光现象,如图1所示。

图1 溶液的旋光性

振动面旋转的角度α与旋光性物质的温度t、浓度c、旋光性物质在此条件下的比旋光度[α],以及光在该物质中的行程l有关[8]。比旋光度[α]即单位浓度和单位长度下的旋光度,是旋光物质的特征物理常数。

本实验通过测量待测溶液的旋光角α、光在该物质中的行程l,并利用已知的该溶液在此条件下的比旋光度[α]计算待测溶液的浓度。比旋光度公式[9]如下:

(1)

其中：[α]为溶液在一定温度、一定的光波长条件下的比旋光度；α为溶液的旋光角(°)；c为溶液的浓度，g/mL；l为旋光管长度，dm。

实验中的葡萄糖溶液在室温、微波波长为2.844 59 m的条件下的比旋光度[α]=-17.6(负号代表左旋)[10]。旋光管长度l=0.5 dm。

2 实验装置

实验装置如图2所示。打开电源,将电流表示数调节到合适。取长度为l的旋光管(试管T),将待测溶液装入试管T,并将试管T安装在中心台上。由发射喇叭发出的偏振微波通过试管T中的溶液时,其振动面以传播方向为轴线发生旋转。这时可观察到电流表的示数减小。慢慢转动接收器,使电流表的示数再次达到极大值,记下接收器旋转过的角度α。

图2 实验装置

3 实验方案及操作

(1) 将发射器(发射喇叭)和接收器(接收喇叭)安置在带有角度计的中心平台上,其中发射器安置在固定臂(2号钢直尺)上,接收器安置在可动臂(1号钢直尺)上。发射器和接收器的喇叭口相对,宽边与地面平行。

(2) 调节发射器和接收器之间的距离(喇叭口相距40 cm左右)。调节发射器上的衰减器和电流表上的档位开关,使接收器上的电流表的指示在2/3量程左右[11]。

(3) 取长度为l的试管T,将待测浓度的葡萄糖溶液装入试管T,并将试管T安装在中心台上。保持发射器、试管T和接收器在同一高度。这时可观察到电流表的示数减小。

(4) 松开接收器上面的手动螺栓,慢慢转动接收器,使电流表的示数再次达到极大值,记下接收器旋转过的角度α。

(5) 将[α]、α和l代入式(1),即可得到待测浓度的葡萄糖溶液的浓度c。

(6) 将c与葡萄糖溶液浓度的真实值(真实值于配置溶液时记录)c′比较,验证上述方法的准确性。

(7) 重复上述实验,进行多次验证。

4 实验过程结果及误差分析

5次的实验结果见表1。

表1 测得的葡萄糖溶液浓度与真实值比较

此方法得到的葡萄糖溶液浓度与准确值接近,但是仍然存在一定的偏差。产生误差的主要原因是微波分光仪的电流表精确度不够，以及指针摆动造成的读数误差,可以通过减小电流表量程来减小误差,但电流表的精度问题仍有待进一步改进。

5 结语

本实验用旋光度法测量溶液浓度,利用微波的偏振特性和溶液的旋光特性测得溶液的旋光角,进而得到溶液的浓度,拓展了微波分光仪的用途。