本文介紹使用PEM測量光學旋轉的簡單搭建設置,旋光器的使用及光學旋轉計算及原理。
光學旋光原理
摘要：本文介紹使用PEM測量光學旋轉的簡單搭建設置,旋光器的使用及光學旋轉計算及原理。
當線偏振光穿過“光學活性”或“手性”材料時，光的偏振麵可能發生旋轉。這種現象被稱為(wei) 旋光。化學家把測量樣品旋光性的方法稱為(wei) “旋光法”。光學活性材料包括手性有機分子如葡萄糖和非對稱結構的晶體(ti) 如石英。
旋光被物理學家解釋為(wei) 圓雙折射的結果。圓雙折射是左右圓偏振光的折射率差。線偏振光可以用左右圓偏振光的線性組合表示。當線偏振光光束進入光活性樣品時，樣品的圓雙折射在左右圓偏振光分量之間產(chan) 生相對相移。在樣品內(nei) 部沿路徑長度積分的淨相移稱為(wei) 圓延遲或圓延遲。當光束離開樣品時，圓延遲產(chan) 生線偏振平麵的旋轉(光學旋轉)。圓雙折射、圓延遲、圓延遲和旋光有時可以隨意互換使用。然而，旋光(α)的值與(yu) 圓延遲(δc = 2α)的值相差2倍。
較簡單的旋光偏振光計是由偏振片和交叉分析儀(yi) 組成的。旋光性是在有手性樣品和沒有手性樣品的分析儀(yi) 上零位的角差。簡單旋光式旋光計已用於(yu) 製糖工業(ye) 近兩(liang) 個(ge) 世紀。在現代的偏振計中，偏振調製器，如Hinds Instruments生產(chan) 的光彈性調製器(PEM)，被用來提供高的測量靈敏度。
圖1顯示了一個(ge) 使用PEM測量光學旋轉的簡單設置。
圖1.光學旋轉測量的光學台架設置
如果光源是激光，光學設置就特別簡單，因為(wei) 不需要準直和聚焦透鏡。光源後的第①偏光器應安裝在精密旋轉器中，以允許與(yu) PEM延遲軸精確對齊。對於(yu) 這種配置(沒有樣品到位)，在檢測器上沒有交流信號，但有直流信號。當插入一個(ge) 樣品並發生旋轉時，一個(ge) 電源頻率(2f)兩(liang) 倍的信號將出現在檢測器上。這個(ge) 信號用來測量樣品的旋光性。
從(cong) 理論上講，到達探測器的信號可以用穆勒微積分推導出來。旋光量為(wei) (弧度或度)的樣品的穆勒矩陣為(wei) :
利用穆勒微積分，我們(men) 推導出探測器處的信號為(wei) :
公式1
當用貝塞爾函數表示PEM的時變延遲 ∆t = Acos(2πft) 時，我們(men) 將探測器信號重寫(xie) 為(wei) :
公式2
其中A = PEM峰值延遲弧度，f = PEM頻率，
和
是PEM峰值延遲A。
方括號中的前兩(liang) 項是“直流”項，第三項是“交流”項，在2f處，是PEM頻率的兩(liang) 倍。
或DC項由下方程給出：
公式3
，交流信號在2f處的幅值(不是均方根值)由下方程給出：
公式4
對於(yu) 較佳設置，PEM延遲被選擇為(wei) A = 0.383波= 2.405弧度。對於(yu) 這種延遲，
，直流項與(yu) 光學旋轉無關(guan) 。
在實驗上，信號調節器從(cong) 檢測器輸出中分離出交流信號和直流信號。鎖相放大器測量
的有效值，許多鎖相放大器也可以測量
。計算機通過帶有鎖定的RS232接口讀取兩(liang) 個(ge) 值。
在以下方程中可見，測量的交直流信號比與(yu) 旋光有關(guan) 。
公式5
在鎖定有效值電壓和峰值電壓之間轉換。
對光源的波動、光傳(chuan) 輸的變化等不敏感。
旋光量α見以下方程：
公式6
當A = 2.405弧度，J2= 0.4318，aα≤15°時，代入數值並轉換為(wei) 角度，α的實用公式如下所示：
公式7
在公式7中用於(yu) 計算旋光度的小角度近似在0°到15°範圍內(nei) 的精確度在1%左右。可以使用式6進行更精確的計算。
Z後，對於(yu) 手性材料的旋光性有一個(ge) 很好的符號約定。在製作一個(ge) 旋光計時，應該使用一個(ge) 已知的樣品來校準旋光計的符號和精度。測量的旋光符號取決(jue) 於(yu) 鎖定相位設置、PEM相位特性、偏光器方向(0°vs 90°、45°vs 135°)和其他參數。所有這些因素都被Hinds Instruments解決(jue) 並納入到係統設計和配置中。然而，當用元件製作一個(ge) 旋光計時，作為(wei) 儀(yi) 器校準的一部分，研究人員必須特別注意這些因素。
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