生物参数检测与控制教案e.doc

西华大学教案章节名称第四章 物理分析第二节 折光法 第三节 旋光法教学时数2授课方式多媒体教学目的及要求1掌握折光法、阿贝折光仪的基本原理及测定样品的原理2掌握旋光法、旋光仪的基本原理及测定样品的原理。3了解仪器的结构教学重点与难点阿贝折光仪、圆盘旋光仪的基本原理及测定样品的原理。讨论练习作业1 阿贝折光仪、圆盘旋光仪的基本原理及测定样品的原理。教学手段讲授参考资料分析化学具体内容第二节 折光法一、折光率光线由光疏介质进入光密介质时，折射线恒偏近于法线，入射角恒大于折射角（图45（a）。反之，光线由光密介质进入光疏介质时，折射线恒偏离于法线，入射角恒小于折射角。但无论如何，入射角正弦与折射角正弦之比恒为定值，此比值称为折光率（或折光系数），是物质的特征常数之一。任何物质对真实（实际上是对空气，因为空气折光率以黄色光为光源时，其n100027，即几乎等于1）的折光率叫做绝对折光率。物质的折光率与入射光的波长、温度有关，一般在折光率n的右下角注明波长，右上角注明温度，如n20D，其中D表示用钠灯为光源，20表示测定时温度为20。二、全反射当光线从折光率n1的介质进人折光率n2的介质时，可得如下关系式:也就是说，两物质的相对折光率等于它们的绝对折光率之比。根据上述原理，当光线由光密介质（如棱镜）射入光疏介质（如被测溶液）时，使人射角逐渐增大，则终必会到达一点，其折射线与法线成直角，此时折射线不再透入光疏介质里，而是沿着两种物质的界面平行射出，这种现象称为全反射，发生全反射时的入射角称为临界角。图45（b）中，当光线由光密介质U处射入光疏介质，其入M角1为临界角时，则折射光将从两介质的界面OS射出，反射线OU显得格外明亮。反则光线从SO位置逆向射入，则OT的右方就会完全黑暗，而左方仍然明亮（最亮的地方是OU处），形成黑白明显的分界。这种情况很容易从折光计中旋转棱镜的角度来达到；于是入射角2为90，即：折光计就是根据这个原理制成的，其中n1是棱镜的绝对折光率，为已知数，1可从棱镜的旋转角度读出，则被测试液的绝对折光率n2便可以求知。三、几种折光计介绍折光计的形式和种类很多，一般是刻有折光率读数，但也有直接到有糖溶液体积百分浓度或重量百分浓度。由于折光率不受溶液表面张力、粘度等的影响，所见折光法测糖锤度较比重法更为准确。（）阿贝（Abbe）折光计阿贝折光计是最常用的普通折光计，用于测定溶液的折光率。1原理与结构阿贝折光计的主要部件是南个互相倒造而紧贴着的棱镜（见图4-7） EDF及ABC，其折光率为1.75。角C与角D均为90，角B与角E均为60，棱镜之间放一薄层试液ABEF，其厚度约为0.15毫米。光线L通过下面的棱镜 1点射入A B液面时，由于试液的拆光率不同，有一部分反射或全反射。当折光计的棱镜被旋至入射角IOh而达到临界角时，则光线受试液的折光作用，其斜度较IO为小者（即所有IO临界线左方的光线）可折射入试液内，然后通过上面棱镜（如图47中的S、S、S”及U、U、U”等）投射到望远镜的物镜而汇集于视野xy,呈现光亮。其平行于IO者则沿着BA面折射出。其外度较IO为大者（即IO右方光线）则从试液面上发生全反射，不再通过上面的棱镜而呈黑暗。两棱镜由金属套包着，套内有保温装置，并附有温度计，测定时规定温度为20。整个仪器连结在一个可见旋转的臂上，附有放大镜，只使观测读数。望远镜简内除接物镜与接目镜之外，还有斜交的十字线，以作为全反射临界线的交点。阿贝折光计没有色散补偿器，装配在望远镜筒的延伸部分，位于物镜和双棱镜之间。它由两组棱镜（称Amici棱镜），类似直视分光镜，对光谱中的黄色D线（5893纳米）不产生色散。此两组棱镜通过补偿旋钮调节，两者转动方向相反，如图48所示。每一组棱镜包括两个无铅玻璃（冕玻璃， Crown glass）棱镜和一个带直角的燧石玻璃（flint glass）棱镜，后者位于中间。当两组棱镜沿光轴各以相反方向旋转90（即与原来位置相差180），则借两倒置棱镜（BCD及BCD）之助，将通过折光棱镜所引起色激光复合而成白光，使视野黑白分明，不为色散所干扰。这种折光计还可以在反射光中使用，此时只用上面棱镜，下面棱镜只作为掩盖，其原理与透射光中一样，如图49所示。当棱镜旋至入射角LOL达临界角时，LO成为临界线，所有平行于LO者即上方的线全反射，下方的线则尽射入溶液中。由于这是应用反射光来测定液体的折光率，与前述应用透射光恰成两个正反面，放所得黑白两个界面也相反，但同样得到明暗的分界。2校正纯水在20的折光率为1.33299，可用以校正折光计刻度。 由于折光率随温度而变化，故校正温度不是20时，可查附表46纯水折光率温度校正表.折光计常配备有一定折光率的透明玻璃板，其折光率标记在磨口的一面，此板专供仪器刻度校正之用。校正时，如图4-10所示，掀开下面棱镜，把上面棱镜的表面调整至水平位置（仪器倒转），用一滴折光率很高（通常仪器自备）的液体一溴萘湿润上面的棱镜，借助于一溴萘的毛细作用，使试验板的光滑面与上面棱镜贴附。光源来自下面棱镜的金属盒内部光亮表面，按箭头方向折射至试验板P的下端。装妥之后，读取记录，并重复多次，取平均值。在每次重复贴附试验前，应将棱镜和试验板表面擦干净，再按同样手续装上。必须注意，因校正时仪器翻转，切勿将记录数值颠倒。如果所得平均数值与试验板上记录标准数不符，必须进行仪器调整。有些仪器是用一个固定销来调整扇形尺的指数，直至读数与试验板相同为止，注意视野中明暗分界线必须在十字形法交叉点上。另一种方法是调整十字形法线的位置，先将读数对准，使与试验板数值相符，然后用仪器自备的小螺丝10（见图4-6），使法线移动，直至十字形法线的交叉点与明暗分界线准确重叠为止。3使用方法仪器应放置在水平台上，取废四射入散光或普通灯泡光源均可，如有恒温系统装置，则应同时装好20恒温系统。光源对准反射镜，使提过目镜能在视野中看到虹彩和十字线，如看不清十字线，调整目镜至清晰为止。放开棱镜，用纯水数滴并用擦镜纸清洗棱镜面，然后滴l2滴纯水于棱镜上，合拢。旋转到度旋钮，使明暗线恰在十字线天又点上，如有虹彩，则调节补偿旋钮，消除包鼓干扰，此时即可记录刻度尺上读数，并对照附表46，如果表中水的折光率与实际不符，则按前述校正方法调整。经校正后的仪器，用按镜纸擦干，滴上12滴样品，合拢，调节到度旋锡和补偿旋钮，使明暗线清晰地在十字交叉点上，随即从刻度尺读出溶液折光率或百分浓度。每在操作完后，用水洗镜面并擦干。如果油质样品，则先用乙醚擦洗，再用水洗后擦干。凡强酸、强碱或具有腐蚀性物质，则切勿使用本仪器测定。第三节 旋光法一、偏振光光是一种电磁波，从光源发出的光，沿直线向各个方向传播，这就是普润的自然光，见图417（a）。如果光线在行进中，其中一部分光线被阻而不能通过，见图417（b）中虚线部分，而仅有在某一平面上的光线才能通过，这部分通过的光线称为偏振光，见图417（b）中的实线。二、偏振光的产生及物质的旋光性某些晶体如冰晶石（结晶碳酸钙），具有特殊的晶格结构，可经适当加工制成类似光栅性质的所谓“尼可尔”棱镜。当光线通过这种棱镜时，部分光线被折射（或反射）而散失，只有平行于晶格结构（类似光栅）平面的光线才能通过，即产生了偏振光。图418为尼可乐棱镜示意图。当光线L射入棱镜时，发生双折射，产生MO和MP两条折射线。MO在胶合面层处以7626的入射角发生全反射（OR），而MP则平行于界面BC穿过晶体而射出（MPQS），这就是偏振光。有些物质如各种精（包括淀粉），大多数的氨基酸、羟基酸等，因其分子结构中存在不对称碳原子，能使偏振光的偏振面产生旋转作用，即所谓旋光现象，这些物质称为光学活性物质。光学活性物质对偏振光旋转的角度方向（左或右）及大小是该物质固有的特性。所谓旋光计，就是一种能产生偏振光的仪器，可用来测量光学活性物质对确振光旋转角度的方向和大小，从而进一步定性与定量。三、旋光计结构与原理最简单的旋光计如图419所示。起偏器尼可尔棱镜将入射光偏振化产生偏振光，检偏器和起偏器互成十字形，因此偏振光通不过。如果将光学活性物质如糖溶液置于两者之间的旋光管中，由于精对偏振光有旋转能力，使德振光旋转成某一角度，这就有可能使偏振光部分地或全部地通过检偏器，此时如果将检偏器旋转至某一角度，即与精溶液旋转的角度大小相等方向相反，光线将重新被阻，根据检确器旋转角度的方间和大小进行定性与定量。起偏器尼可尔棱镜将入射光偏振化产生偏振光，检偏器和起偏器互成十字形，因此偏振光通不过。如果将光学活性物质如糖溶液置于两者之间的旋光管中，由于糖对偏振光有旋转能力，使偏振光旋转成某一角度，这就有可能使偏振光部分地或全部地通过检偏器，此时如果将检偏器旋转至某一角度，即与糖溶液旋转的角度大小相等方向相反，光线将重新被阻，根据检确器旋转角度的方间和大小进行定性与定量。事实上，这种旅光计并无实用价值，因为要求将检偏器调整到将光线完全被阻，也就是视野全黑。这种操作不仅不便，也难于用目测判断黑暗程度的差别。若采用半影式的小棱镜装置，则视野中可出现两个半圆形光影，图420为半影式施光计示意图。光源L进入起偏器A产生偏振光，进入小棱镜B。B的位置消倾斜，使偏振光只有一半通过B，而另一半不通过B。通过B的光线产生了俪振面的旋转，使得整个偏振光分成强度不同的两半。这两部分光线继续通过检愿器C，在视野内出现了强度不同的两半圆光影。也就是说两个偏光面之间产生了一个角度。如果C的光轮与左半源光面成直角，则左半嫣振光被逮住，只有右半部分通过，视野中左边黑暗，右边较明，见视野（甲）。反则出现视野（丙）的现象。如果C的光轴与左右两半偏光面都成适当角度，使左右两半幅光线以同等强度通过，则视野中两半圆明暗程度相同，见视野（乙），在仪器结构上定这一点为零。操作时首先要进行零点检查，核对视野的零点与仪器刻度零点是否一致。然后将盛有试波的旋光管T放火光路BC之间，原来两半偏光面构成的，J角度又被旋光性物质旋转成另一角度。出现了明暗度不同的两个半影。再度转C，使两个半圆形明暗度再次相等，此时检偏器C旋转的角度即为试样的旋光度。较简单的旋光对使用纳光灯作光源，它发出的是单色黄光。因为混合波长的光线会产生各种角度的偏振光，结果造成旋光色散现象，若再添加石英调节器，则可直接使用普通灯泡为光源。旋光计的标尺刻度有多种，图421（a）是圆盘形刻度尺，用于测量族光角度，可记录至01 上部分为不能转动的主尺，下部分为能旋转的游标尺，游标尺每小格相当于0.1。图421（a）中，游标尺的0线指在2 和3 之间，而游标尺的05线与主尺中的刻度线对准，因此该尺的读数为25度线对准，因此该尺的读数为25度线对准，因此该尺的读数为25 。图421（b）是另一种刻度方法。右边游标尺的0.00位于标尺1350和1375之间，游标尺020的剽线正好和标尺划线对准，因此该尺的读数为1350 020 1370。旧式族光计划度分为60分，新式分为100分，旧式读数换算成新式读数应乘以100/60。专供检验蔗糖用的旋光计其刻度是以纯蔗糖为基准制订的，其他部件与一般旋光计基本相同。1932年国际统一精品分析法委员会第八次会议确定检糖计刻度都统一为蔗糖浓度2600克/100毫升，旋光管长度为2分米，旋光刻度定为100。因为旧式检糖计在刻制度数时所用蔗糖不纯，实际浓度为26.026克/100毫升，故应予以校正。四、旋光度a与比旋光度a物质的旋光度a与入射光波长、温度有关对于溶液而首，旋光度还与溶剂性质、溶液浓度和溶液厚度有关。对一定溶剂的物质旋光度可用下式表示：式中 L溶液厚度，即旋光管长度（分米） C溶液浓度（克/100毫升） t波长为、温度为t时物质的比旋光度，其定义：L为1分米、C为100克/100毫升时物质的旋光度因此：如果浓度单位用重量百分数P%表示，则C=pd (d为溶液的比重)，上式可改写为：比旋光度常用D20表示，它表示在20时对钠光D线（波长589.3纳米）的比旋光度，是由纯物质测出的一个常数，手册中可以查到。根据物质的比旋光度及实际测出的旋光度，按上述两式计算物质的浓度。若干常见物质的比旋光度如下：蔗糖D20=+66.5。（浓度在14%以下）果糖Dt=-101.22。0.5t。(t为溶液温度)麦芽糖D20=+138.3。(浓度在10%以下)纯大麦淀粉D20=+198。玉米淀粉D20=+201.5。五、圆盘旋光仪（一）用途及适应范围圆盘旋光仪适用于化学工业、医院、高等院落校和科研单位，用来测定含有旋光性的有机物，如糖溶液、松节油、樟脑等几千种活性物质，都可用旋光仪来测定它们的比重、纯度、浓度与含量。例如：用于食品工业：检验含糖量和测定食品调味品之淀粉含量；用于临床及医院：测定尿中含糖量及蛋白质；用于药物香料工业：测定药物香料油之旋光性；用于高等院校：教学实验。(二)工作原理旋光仪的工作原理是建立在偏振光的基础上，并用旋转偏振光偏振面的方法来达到测量目的。在零度位置时，AA垂直于中线OX。图3-1中，AA表示检偏镜振动方向，OP与OP表示视场两半偏振光的振动方向。当光束经过旋光物质后，偏振面被旋转了一个角度，如上图虚线所示，这时，两半的偏振光在AA上投影不等，而是右半亮，左半暗，如把检偏镜偏振面AA在相同方向转动角，则可重新可使视场照度相等。这时，检偏镜所转的角度，就是物质的旋光度。知道旋转铁（旋光度）、溶柱（试管）长度和浓度，就可根据下式求出物质的比旋光度（旋光本领或旋光率）：式中：Q在温度t时用光测得的旋转角(旋光度)；1:溶柱(试管)长度,用分米(dn)作单位；C：浓度。即100ml溶液中溶质的克数。由上式可知，旋转角Q与溶柱（试管）长度1及浓度C成正比。即：旋光度和温度也有关系。对大多数的物质，用=589.44nm(钠光)测定,当温度升高1C时,旋光度约减少0.3%.对于要求较高的测定工作,最好能在20C 2C的条件下进行。（三）仪器结构1. 仪器原理(见图3-2)光线从光源(1)投射到聚光镜(2)、滤色镜（3）、起偏镜（4）后，变成平面直线偏振光，再经半波片（5）分解成寻常与非常光后视场中出现了三分视界。旋光物质盛入试管（6）放入镜筒测定，由于溶液具有旋光性，故把平面偏振光旋转了一个角度，通过检偏镜（7）起分析作用，从目镜（9）观察，就能看到中间亮（或暗）左右暗（或亮）的照度不等三分视场（见图3-3a或b）,觅得视场照度(暗视场)相一致(见图2c)时为止.然后从放大镜中读出度盘旋转的角度(见图3-4)。2. 仪器结构为便于操作，仪器的光学系统以倾斜20光源采用20W钠光灯（波长=58944nm）。钠光灯的限流器安装在基座底部无需外接限流器。仪器的偏振器均为聚乙稀醇人造偏振片。三分视界是采用劳伦特石英板装置（半波片）。转动起偏镜可调整三分视场的影阴角（本仪器出厂时调整在3.5左右）。仪器采用双游标读数，以消除度盘偏听偏信心差。度盘分360格，每格1，游标分20格，等于度盘19格，用游标直接读数到0.05（如图3-4）。度盘和检偏镜固定一体，借手轮（12）能作粗、细转动。游标窗前方装有两块4倍的放大镜，供读数时用。（四）使用方法1. 准备工作（1）先把预测溶液配好，并