旋光法

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利用物質的旋光性質測定溶液濃度的方法。

原理  許多物質具有旋光性(又稱光學活性),如含有手征性碳原子的有機化合物。當平面偏振光通過這些物質(液體或溶液)時,偏振光的振動平面向左或向右旋轉,這種現象稱為旋光。偏振光旋轉的角度稱為旋光度,旋轉的方向與時針轉動方向相同時稱為右旋,以「+」號表示;如與之相反,則稱為左旋,以「-」號表示。這些旋光性質為化合物的特性,可以用於鑒別和定量測定。為便於比較,通常將旋光度換算成比旋光度(又稱旋光率),其定義為在一定溫度下,一定波長的偏振光透過每毫升中含有1克旋光性物質的溶液1分米長時所旋轉的角度,通常表示為:

式中【α】為比旋光度,t 為溫度,為測量用的波長(如用鈉光的黃線,則用D表示),α為測得的旋光度,l為測量管長度(分米數),d為液體的相對密度,c為每100毫升溶液中含有的溶質克數。

有時也用摩爾旋光度【φ】掹表示,其定義為:

式中Μ為旋光物質的分子量。

儀器  測定旋光的儀器稱為旋光計,它由單色光源、偏光鏡、測量管、分析鏡和檢測裝置所組成。由光源發出的單色光經過偏光鏡(常用尼科爾稜鏡)產生面偏振光,然後通過測量管,照到分析鏡上。分析鏡為另一偏光鏡,可在軸心方向轉動。當測量管內不含樣品時,通過分析鏡的光強度由偏光鏡與分析鏡偏振面的交角而定。交角為零度時則全部通過,而當二者成90°角時,則無光線通過,在分析鏡上的檢測裝置視野中將為全暗。此時,如果在測量管中裝上光學活性物質的溶液時,由於偏振光被旋轉,從測量管透過的光與分析鏡偏振面的交角不再為90°,因此有部分光線通過,在檢測器視野中將看到光亮。將分析鏡旋轉,又可使視野中變為全暗,此時偏振光與分析鏡的偏振面又為直角相交。分析鏡旋轉的角度可由刻度盤上讀出,此讀數即樣品的旋光度。為了便於觀察,儀器中常裝有半蔭器,將視野分為兩個半圓,測量時將分析鏡調節至兩個半圓內的光亮度相等時作為終點。新式的儀器則使用光電管或其他裝置,將光強度轉為電信號後測量,或自動顯示出旋光度讀數,消除了人為的誤差,提高了準確度。

影響比旋光度的因素  濃度 大多數光學活性物質的比旋光度都或多或少地受濃度的影響,二者的關係通常可符合下列三種關係式(畢奧方程)中的一種:

式中ABC為常數,q為溶液中溶劑的百分數。可見其關係可為線性或非線性,可增加也可減少,隨物質而異。

溶劑 溶劑對比旋光度的影響差別很大,和溶劑分子與溶質分子之間的作用有關。因此在報導比旋光度時,均需註明所用的溶劑和濃度,如「c=1,CHCl3」表明系在氯仿中配成1%濃度的溶液進行測量的。

溫度 溫度與比旋光度通常有下列關係:

式中n溫度係數,隨旋光物質而不同,變化也很大。故進行測量時應保持在恆定溫度並標明之。

波長 比旋光度與波長的關係用德魯德方程表示:

式中為測量用波長,k1、k2、k3和1、2、3等均為常數。在簡單的旋光色散情況下,上式變為:

所以測量時必須固定波長,常用鈉光譜的D線(589.3奈米),有時也用汞的綠線(546.1奈米)。以比旋光度或旋光度對波長作圖,稱為旋光譜,英文縮寫為ORD。

應用  旋光法可用於各種光學活性物質的定量測定或純度檢驗。將樣品在指定的溶劑中配成一定濃度的溶液,由測得的旋光度算出比旋光度,與標準比較,或以不同濃度溶液制出標準曲線,求出含量。在旋光計的基礎上還發展了一種糖量計,專門用於測量蔗糖含量。用白光為光源,以石英楔抵消蔗糖溶液對不同波長光的色散,並將石英楔校正,標以蔗糖的百分含量,即可直接測出濃度,簡便迅速,常用於製糖工業。

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