用旋光法测定糖溶液的浓度
一、简介
许多物质如石英晶体、氯酸钠、糖溶液、松节油等都有旋光性。
利用旋光性测定糖溶液浓度的仪器称为旋光糖量计。
除了在制糖工业中广泛应用外，在制药工业、药品检测及商品检测部门中也常用来测定一些药物和商品(如可卡因、尼古丁、樟脑等)的浓度。
本实验主要是学习理解偏振光的产生和检测方法；观察旋光现象,了解旋光物质的旋光性质；测定糖溶液的旋光率和浓度的关系;熟悉旋光仪的原理和使用方法并学习自己组装旋光仪。
二、实验原理
线偏振光通过某些物质的溶液后，偏振光的振动面将旋转一定的角度，这种现象称为旋光现象，旋转的角度称为该物质的旋光度.通常用旋光仪来测量物质的旋光度。
溶液的旋光度与溶液中所含旋光物质的旋光能力、溶液的性质、溶液浓度、样品管长度、温度及光的波长等有关.当其它条件均固定时,旋光度θ与溶液浓度C 呈线性关系，即
C βθ=
(1）
上式中，比例常数β与物质旋光能力、溶剂性质、样品管长度、温度及光的波长等有关，C 为溶液的浓度。
物质的旋光能力用比旋光度即旋光率来度量，旋光率用下式表示：
[]C l t
⋅=θαλ
（2） 上式中，[]t λα右上角的t 表示实验时温度(单位：o
C), λ是指旋光仪采用的单色光源的波长(单位：nm ）,θ为测得的旋光度（ o
)，l 为样品管的长度（单位:dm ）,C 为溶液浓度（单位：g/100mL ）。
由(2)式可知:①偏振光的振动面是随着光在旋光物质中向前进行而逐渐旋转的,因而振动面转过角度θ透过的长度l成正比;②振动面转过的角度θ不仅与透过的长度l成正比，而且还与溶液浓度C成正比。
如果已知待测物质浓度C和液柱长度l，只要测出旋光度θ就可以计算出旋光率。
如果已知液柱长度l为固定值，可依次改变溶液的浓度C,就可测得相应旋光度θ。
并作旋光度θ与浓度的关系直线，从直线斜率、长度l及溶液浓度C，可计算出该物质的旋光率；同样，也可以测量旋光性溶液的旋光度θ，确定溶液的浓度C。
旋光性物质还有右旋和左旋之分。
当面对光射来方向观察，如果振动面按顺时针方向旋转，则称右旋物质；如果振动面向逆时针方向旋转,称左旋物质.表1给出了一些药物在温度t=20o C,偏振光波长为钠光λ589。
3nm（相当于太阳光中的D线）时的旋光率。
≈
表1某些药物的旋光率(单位：（o）·g—1·cm3·dm-1)
三、实验仪器及装置
实验仪器主要有偏振光旋光实验仪和半荫旋光仪(糖量计)两种类型。
本实验中采用偏振光旋光实验仪。
偏振光旋光实验仪的结构如图2所示。
它由光具座、带刻度转盘的偏振片2个、样品试管、样品试管调节架、光功率计等组成。
图 2 偏振光旋光实验仪
1—半导体激光器(S）;2-起偏器及转盘P1; 3—样品管调节架（R）;
4—样品试管; 5—检偏器及转盘P2；6-光强探测器（硅光电池T)；
7—光功率计（I）；
偏振光旋光实验仪工作原理如图2所示，图中P1为起偏器,P2
λ650），R为盛放待测溶液的玻璃试为检偏器,S为半导体激光器（波长=
管，由半导体激光器发出的部分偏振光经起偏器P1后变为线偏振光，在
放入待测溶液前先调整检偏器P2,使P2与P1的偏振化方向垂直，透过P2
的光最暗，功率计示值重新变最小.当放入待测溶液后，由于旋光作用,
透过检偏器P2的光由暗变亮,功率计示值变大。
再旋转检偏器P2,使功率计示值重新变最小，所旋转的角度就是旋转角θ,这样就可以利用公式（2）求出待测液体浓度。
四、实验内容
（一）必做内容：用偏振光旋光实验仪和（糖量计）测量糖溶液的浓度
1。
观察光的偏振现象，研究葡萄糖水溶液的旋光特性。
用半导体激光器作光源在光具座上组装一台旋光仪。
先将半导
体激光器发出激光与起偏器、光功率计探头调节成高等同轴。
调节起偏
器转盘,使输出偏振光最强（半导体激光器发出的是部分偏振光）。
将检
偏器放在光具座的滑块上,使检偏器与起偏器等高同轴（检偏器与起偏器
平行）。
调节检器转盘使从检偏器输出光强为零，此时检偏器的透光轴
与起偏器的透光轴相互垂直。
将样品管(内有葡萄糖溶液）放于支架上,
用白纸片观察偏振光入射至样品管的光点和从样品管出射光点形状是否
相同，以检验玻璃是否与激光束等高同轴。
如果不同轴可调节“样品管支架”下的调节螺丝使达到同轴为止。
此时可观察到透过检偏器的光强不为零.θ便是该浓度溶液的旋光度。
2.用自己组装的旋光仪测量葡萄糖水溶液的浓度
(1）配置不同的容积克浓度（单位：g/100mL ）的葡萄糖水溶液。
简单
的方法是将各溶液浓度配成为0C 、20C 、40C 、80C ，加上纯水(浓度为零）,
共5种试样，浓度0C 取24％至30％为宜。
分别将不用浓度溶液注入相同长度的样品试管中，测出不同浓度C 下旋光度θ。
并同时记录测量环境温度t 和记录激光波长λ。
（2)以溶液浓度为横坐标,旋光度为纵坐标，绘出葡萄糖溶液的旋光直
线，由此直线斜率代入公式(2),求得该物质的旋光率
[]t 650α. (3）用旋光仪测出未知浓度的葡萄糖溶液样品的旋光度,再根据旋光直线确定其浓度.
3。
用半荫旋光仪测葡萄糖水溶液的浓度，求得葡萄糖的旋光率[]t D α。
其中
D=589.3nm 。
并与
[]t 650α进行比较，证明旋光率与波长有关（约与波长的平方成反比）。
（二）选做内容：测量果糖溶液的旋光率。
五、实验数据例（仅供参考)
葡萄糖采用市售口服葡萄糖（粉状）。
用分辨率为0.1mg 的电子分析天平称量过滤纸和葡萄糖.
过滤纸质量=0。
8042g;(葡萄糖+过滤纸）的总质量=30。
9044g ； 葡萄糖质量=30.9044g-0。
8042g=30。
100g 。
纯水用量筒计量其体积为100。
0mL 。
将其倒入烧杯。
纯水100.0mL 加入30。
100g 葡萄糖粉，经充分溶解后（可适当加温）,溶解过程尚需搅拌，但不能将水贱出或蒸发，倒入量筒测量得葡萄糖溶液的体积为118.5mL 。
葡萄糖溶液的浓度3
02540.0100/40.255.118100.30-⋅===cm g ml g mL g C
表2 不同浓度溶液的旋光度的测量
用旋光度—溶液浓度进行最小二乘法直线拟合（将
0C 作为1个单位考虑）得：斜率=—20。
7o ;即浓度为0C 时的旋光度为—20。
7o ;拟合的相关系数=-0。
9998；这里负值表示当溶液浓度增加时,迎着偏振光入射方向看,角度示值减小,说明葡萄糖溶液为右旋物质。
以下计算将不用“+-”号表示。
用米尺测量样品试管长度为dm l 965.1=,葡萄糖的旋光率为：
[][]
3
119.9
650)(5.412540.0965.17.20cm g dm C l ⋅⋅⋅︒=⨯=⋅=--θ
α 由于葡萄糖旋光率[]9.9650α的值无法查到，但可以判断此测量结果是合理的.
查手册可知葡萄糖旋光率[][]311203.589)(5.52cm g dm ⋅⋅⋅︒=--α旋光率近似与偏
振光波长平方成反比，即217.13.5896502222==：：钠光激光λλ所以, 对650nm
波长而言，旋光率[][]
3
1120650)(1.43217.15.52cm dm g ⋅⋅⋅︒=≈--α两者是不同温度下的实验结果，在测量误差范围内，较接近.
教学实验时提供学生试样的方法：
1.提供学生1个专用试管学生自己配不同浓度的试样进行实验。
教师配好浓度为0C 的葡萄糖溶液，提供样品试管1个,5只一次性塑料杯（其中一只盛纯水）和搅拌棒1根。
先把浓度为0C 的葡萄糖溶液将样品试管灌满后封好，进行旋光度测量,记录检偏器的消光位置，然后，将0C 浓度的样品试样倒入一次性杯子中，接着用水清洗样品试管，并倒入废液杯中。
用样品试管作“量筒”,盛满纯水，倒入原先盛有0C 浓
度容积等于样品试管杯中。
用搅拌棒搅拌溶液，使其充分混合.便得到
20
C 浓度的葡萄糖溶液。
同样只要每次测量前重复上述过程便得到40C 、80
C 浓度的葡萄糖溶液,并测得相应的旋光度.
2。
提供学生分别盛有浓度0C 、20C 、40C 、80
C 葡萄糖溶液和纯水的样品试管共5个进行实验。
试管上贴有溶液浓度和样品管长度l 的标记。
学生自己不必配不同浓度溶液和样品管长度。
六、思考题
1.什么是旋光现象？物质的旋光度与哪些因素有关？物质的旋光率怎么定义?
2.如何用实验的方法确定旋光物质是左旋还是右旋?
3.为何用检偏器透过光强为零（消光）的位置来测量旋光度,而不用检偏器透过光强为最大值（P 1和P 2透光轴平行）位置定旋光度?。