物质旋光特性实验及其在各领域的应用研究
发布时间：2023-09-12作者：小编来源：网络点击：次
1811年，法国物理学家阿喇果在做偏振光透过石英晶体的所发生现象的相关研究之时发现，当线偏振光沿着石英晶体的光轴进行传播时，它的振动面会相对于原来的方向偏转一个角度。这个现象叫是旋光现象。旋转的角度叫做物质的旋光度。
代糖是食品甜味剂的总称。在《食品安全国家食品添加剂使用标准》将甜味剂定义为能够在食物当中产生甜味的添加剂。目前市场上使用最频繁的两类代糖是阿斯巴甜和三氯蔗糖。由于阿斯巴甜和三氯蔗糖具有对映异构体，因此它们都具有旋光特性。根据旋光物质的特性，可以通过测量代糖溶液的旋光度来确定代糖溶液的浓度。糖尿病、龋齿、肥胖等疾病已被证明与饮食构成及饮食是否均衡、密切相关，尤其是糖的摄入过多。通过对阿斯巴甜与三氯蔗糖两种代糖溶液不同浓度的旋光度测量，计算出关于阿斯巴甜与三氯蔗糖两种代糖的旋光率。由旋光率可测算出阿斯巴甜与三氯蔗糖溶液中所含代糖浓度的多少，进而确定代糖的含量。在现代无糖食品大幅流行的情况下具有一定的指导意义。
1 实验器材和测量方法介绍
1.1 实验器材（图1)
图1 偏振光旋光实验仪 下载原图
实验共用到以下器材：光具座；半导体激光器；振片两个；具有光电接收器的数字功率计一台；长度200nm的待测样品管共5只；电子称。
1.2 实验原理
线偏振光通过物质溶液之后，偏振光会沿着振动面旋转一定的角度，这种旋转现象被称为旋光现象，偏振光所旋转的角度则称为该物质的旋光度。溶液的旋光性与溶液的浓度、溶液内光学活性物质的旋光能力、样品管的长度、溶液的温度和光源的波长有关。当其它条件一定时，旋光度θ与溶液浓度C呈线性关系，即：
在上式中，比例系数β与物质的旋光能力、样品管长度、温度以及光源的波长等有关，C为溶液的浓度。物质的旋光能力采用旋光率来进行衡量，当光源的波长一定且室温的固定不变的情况之下，旋光率用下式表示：
上式中，α为该物质的旋光率，L是样品管的长度(单位：dm),C为溶液浓度（单位：g/100m L）。随着偏振光在旋光物质之中向前传播，偏振光的振动面是慢慢发生旋转的，因此振动面的旋转角度θ与光传播经过的长度（样品管长度）L成正比。而且偏振光透过的长度（样品管长度）L不单单与偏振面的旋转角θ成正比，还与溶液浓度C成正比。
当待测浓度C和光传播长度L已知时，只要测得旋光角θ就能够计算出物质的旋光率。如果光传播经过的长度L为一个固定的值，那么多次改变待测物质溶液的浓度C，就可以测得待测物质相应的旋光度θ，从而可计算出物质的旋光度。
偏振光旋光实验仪的工作原理为，由半导体激光器产生的部分偏振光通过起偏器之后变为线偏振光。在实验开始前先调整检偏器的角度，使得两偏振片偏振化方向呈正交角度的时候，透过检偏器的光最暗，此时光功率计的示值变为最小。放入实验待测溶液后，由于物质具有旋光特性，光线透过物质就会产生旋光作用，从而使得偏振光透过检偏器后的光斑由暗变亮，光功率计探头所接收的光强变大，光功率计示值变大。旋转检偏器的角度，使光功率计的示值重回最小，此时检偏器旋转的角度就是该物质的旋光度。
阿斯巴甜是一种人工甜味剂，它属于氨基酸二肽衍生物。是科学家为了治疗溃疡，研究制造溃疡药时发现的。阿斯巴甜具有用量少、甜度高（蔗糖的150-200倍）、口感好、能提高大多数水果的甜度、低热量、低毒等优点。常见于糖尿病患者的食品、无糖食物当中。我们日常饮用的可乐等无糖饮料就都含有这种物质。三氯蔗糖是蔗糖的三氯衍生物。三氯蔗糖是唯一以蔗糖进行合成的甜味剂。它的甜度600倍于蔗糖。具有高甜度、高安全性、高稳定性的特点。可以在烘烤、高温及保质期期间内极大的保持甜味。被广泛用于饮料、医药、化妆品等行业。通过对阿斯巴甜与三氯蔗糖两种代糖溶液不同浓度的旋光度测量，从而可计算出阿斯巴甜与三氯蔗糖两种代糖的旋光率。
1.3 测量方法
在光具座上装配一台旋光实验仪，并且使用半导体激光器作为偏振光的光源。将半导体激光器、偏振器和光功率计探头调整为等高同轴。旋转偏振器的转盘，使输出的偏振光强度最大（半导体激光器发出部分偏振光）。将起偏器置于光具座的支架滑块上，使起偏器和检偏器也位于等高同轴。调整检偏器的转盘，使检偏器的输出光为零，即光功率计显示为零。此时偏振器与偏振器的偏振化方向相互垂直。将样品管（含有代糖溶液）放在支架上，观察入射到样品管上的偏振光光斑的形状与用白纸从样品管射出的光斑的形状是否相同，以检查玻璃是否与激光束同轴。如果轴线不同，则可以调整样品管支架下的调节螺钉以达到同轴位置。在此时可以观察到光功率计探头所接收的光强不为零，调节检偏器的转盘，使检偏器的输出光为零，即光功率计显示为零。这个检偏器的转盘旋转的角度就是物质的旋光度。
2 实验过程概述
2.1 代糖溶液的配备
实验采用蒸馏水和代糖（阿斯巴甜、三氯蔗糖）作为实验样本，用电子天平测量代糖重量，用烧杯和容量瓶配备出浓度为2g/100ml、4g/100ml、8g/100ml、16g/100ml、32g/100ml五种浓度配比的阿斯巴甜溶液与三氯蔗糖溶液。
2.2 在不加待测溶液的时候，放置好起偏器、半导体激光器、检偏器、光功率计，使它们达到等高同轴。
2.3 打开半导体激光器，边旋转起偏器边观察光功率计显示数值，旋转到产生最大光强时停止。
2.4 旋转检偏器，观察光功率计读数，旋转到出射光强达到最小值时停止，此时两偏振片偏振化方向相互垂直。
2.5 放上不同浓度的代糖溶液，此时功率计示数会发生变化。旋转检偏器的转盘，令光功率计示数再次变为最小值，并读出检偏器的转盘上的旋转角度数。
2.6 重复以上步骤，得到代糖不同溶液浓度与旋光度的数据。
2.7 将实验数据进行处理并计算，绘制关于代糖溶液的浓度与旋光度曲线图。
3 实验数据记录和处理
3.1 测量阿斯巴甜旋光度实验数据记录和处理
3.1.1 测量阿斯巴甜不同浓度的旋光度
采用控制变量法进行实验。实验选择管长为200mm的样品管，分别记录阿斯巴甜溶液在室温(25℃)下，不同浓度的旋光度，数据见表1。
表1 阿斯巴甜溶液在25℃下不同浓度的旋光度 下载原图
通过实验数据计算得出阿斯巴甜的旋光率的平均值为16.3[(°)·dm^-1·g^-1·cm^3]。
查阅资料得阿斯巴甜旋光率的公认值为15.5[(°)·dm^-1·g^-1·cm^3]。计算阿斯巴甜旋光率的相对误差为：
E阿斯巴甜=（|α公认值-α测量值|）/α公认值=（|15.5-16.3|）/15.5=0.052=5.2%
3.1.2 作出旋光度与阿斯巴甜溶液浓度关系图，如图2所示
根据最小二乘法斜率公式进行计算，拟合直线斜率K阿斯巴甜为0.328。拟合直线方程为：y=0.328x-0.067，拟合的相关系数为0.999。阿斯巴甜溶液浓度与其旋光度存在较好的线性关系。
图2 旋光度与阿斯巴甜溶液浓度关系图 下载原图
3.2 测量三氯蔗糖旋光度实验数据记录和处理
3.2.1 测量三氯蔗糖旋不同浓度的旋光度
实验采用控制变量法进行实验。实验选择管长为200mm的样品管，分别记录三氯蔗糖溶液在室温(25℃)下，不同浓度的旋光度，数据见表2。
表2 三氯蔗糖溶液在25℃下不同浓度的旋光度 下载原图
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通过实验数据计算出三氯蔗糖的旋光率的平均值为76.7[(°)·dm^-1·g^-1·cm^3]。
查阅资料得三氯蔗糖旋光率的公认值为84.0[(°)·dm^-1·g^-1·cm^3]。计算三氯蔗糖旋光率的相对误差为：E三氯蔗糖=（|α公认值-α测量值|）/α公认值=（|84.0-76.7|）/84=0.088=8.8%
3.2.2 作出旋光度与三氯蔗糖溶液浓度关系图，如图3所示
图3 旋光度与三氯蔗糖溶液浓度关系图 下载原图
根据最小二乘法斜率公式进行计算，拟合直线斜率K三氯蔗糖为1.490，拟合直线方程：y=1.490x+0.324，拟合的相关系数为（0.995）。三氯蔗糖溶液浓度与其旋光度存在较好的线性关系。
4 实验结果分析和讨论
4.1实验结果存在一定的误差，主要原因有：环境杂散光的影响。半导体激光器作为本实验的光源，产生的激光易被环境杂散光影响导致误差；在室温下阿斯巴甜和三氯蔗糖不便于溶解，实验时用热水(70-90℃)进行溶解，待溶液冷却至室温状态下再进行实验。但阿斯巴甜和三氯蔗糖可能溶解不彻底，从而引起实验数据误差。
4.2通过以上的实验以及实验数据进行分析，我们可以清楚的发现，在光源波长固定以及室温温度环境不变的情况之下。保持光经过的介质长度不变，阿斯巴甜与三氯蔗糖等代糖溶液的旋光度随着代糖溶液的浓度增大而增大，代糖溶液的浓度与旋光度之间表现出较好的线性关系。
5 物质旋光特性在各领域的应用
利用物质旋光特性我们可以进行对各种具有光学性质的物质的测量与检验。通过测定物质的旋光率，从而分析其浓度、含量及纯度等，被广泛应用于各种行业。在农业中，旋光仪常用来分析农产品中淀粉的含量；在食品生产行业经常被用来确定谷氨酸钠味精产品的含量，还用来对调味料如味精、酱油、食盐等生产过程的控制及成品检查以及测定食品的含糖量；在石油行业，可以分析矿物油、监视石油发酵工艺；在香料业，常用来分析香精油；在医疗行业中被用来快速测定注射用硫酸核糖霉素的效价。在糖工业生产中，蔗糖是糖厂的生产原料及中间制品的主要成分，在生产过程及检测过程均需测定蔗糖含量，在许多测定蔗糖含量的方法中，旋光法是最为简单而且快速的一种方法，因此旋光仪在制糖业中有着重要的应用。
6 结论
健康一直以来都是人们所关注的热点。过多的食用糖分会影响到人的身体健康，导致糖尿病等疾病产生。无糖饮料是近几年风靡的一种新型饮品，但无糖饮料并不是无糖，是利用代糖替代饮料中的糖分充当甜味剂。这种代糖成分被人体分解后不会被吸收，从而达到零糖零热量的效果。在医学上，患有糖尿病的病人也有采用代糖来充当食品的甜味来摄入。但最近专家表示，国际上已经发现这种甜味剂并非完全健康，人体对代糖不宜摄入过多。身体中的糖耐量和脂质代谢会因为过量的摄入代糖成分，而对人体产生影响。利用代糖类物质的旋光特性，通过旋光实验仪对不同浓度代糖溶液的旋光度进行测定，计算出阿斯巴甜与三氯蔗糖两种代糖的旋光率。由旋光率可测算出阿斯巴甜与三氯蔗糖溶液中所含代糖浓度的多少，进而确定代糖的含量。在现代无糖食品大幅流行的情况下具有一定的实际指导意义。物质的旋光特性在工业、农业、医学等领域有着广泛的应用。
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