专利名称：一种紫外可见近红外旋光率的测量装置及其测量方法
技术领域：
本发明涉及一种紫外可见近红外(190nm 2500nm)旋光率的测量装置及其测量 方法，属于光谱式旋光率测量领域。可用于非接触方式测量旋光物质(溶液、晶体等)在各 个入射波长下的旋光角，进而得到该物质的旋光率及旋光率色散曲线。
背景技术：
在现实生活中，很多物质具有旋光性。如一些晶体、药物及一些液体物质。因此， 旋光特性被广泛应用于物质的识别、浓度的判断和纯度的检验当中，也可以用于一些具体 的装置(如单通光闸)的设计当中。一般的旋光测量装置是采用单一波长入射，在样品两 侧设置起偏器和检偏器，在检偏器后用光电探测器对透过来的光进行测量，调整检偏器使 检偏器的透射方向在垂直于光的传播方向的平面内旋转，通过对光电探测器输出信号的分 析，分别测出有旋光物质的消光点和没有旋光性物质的消光点，就可计算出旋光角，进而得 到旋光率。2004年12月29日公开的200410016007. 9号中国发明专利申请中公布的一种 高精度的旋光角测量装置和测量方法。通过双光路的方式，参考光路和物光路测量信号被 输入除法器后输入锁相放大器，利用计算机拟合的方法测得信号的消光点，只要测出未放 待测样品前和放入待测样品后的消光点所对应的角度值就能够计算得到样品的旋光角。然 而，该测量方法在测量过程中存在一些缺点或者不足。例如(1)测量之前需要事先辨别出 样品是左旋还是右旋；(2)旋光角只能在0 180°的范围内变化，因此对样品的厚度就会 有限制；(3)对旋光角度较小的样品的精确测量较为困难(4)只能测量某个特定波长下的 旋光角；(5)难以得到物质的旋光率色散曲线。在本发明专利申请当中，我们将光谱式测量 引入到实验过程当中，从而有效的解决了上述问题。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本发明提出了 一种紫外可见近红外 (190nm 2500nm)旋光率的测量装置(如图1所示)及测量方法。该方法可以实现紫外 可见光区的双光束式的测量以及近红外光区的单光束式测量。并且该装置受外部环境影响 小，重复性好，测量灵敏度和测量精度高。本发明是由如下技术方案实现的一种紫外可见近红外旋光率的测量装置，包括稳压电源、光源、准直分光部分与检 测系统，其特征在于光源后面放置准直分光部分，准直分光部分后面连接检测系统；其中紫 外可见光区的双光束式的测量中准直分光部分依次排列为准直镜1、狭缝1、准直镜2、准 直镜3、狭缝2、准直镜4、准直镜5、分光光栅、准直镜6、准直镜7和斩光器1，经过斩光器1 后面光路分为参考光和物光光路，参考光光路中依次放置准直镜8、参比池、准直镜10和光 电探测器；物光光路中依次放置准直镜9、起偏器、样品池、检偏器、准直镜11、准直镜12和 光电探测器；近红外光区的单光束式测量中准直分光部分依次排列为准直镜1、狭缝1、准 直镜2、准直镜3、狭缝2、准直镜4、斩光器2、准直镜13、分光光栅、准直镜14、滤光片轮、准
4直镜15、准直镜9、起偏器、样品池、检偏器、准直镜11、准直镜12和光电探测器；检测系统 包括光电探测器、锁相放大器、PC机及斩光器控制器，其中光电探测器输出端连接到锁相放 大器，锁相放大器和PC机相连接；斩光器控制器分别连接到斩光器2和锁相放大器上，以控 制斩光器2的频率并把频率信号提供给锁相放大器；稳压电源连接到光源、光电探测器、锁 相放大器、PC机、斩光器控制器及斩光器为其供电。所述的光源是由氘灯、钨灯和碳硅棒组成，提供紫外、可见和近红外的连续光谱 (190nm 2500nm)。所述的光电探测器是硅光电池和硫化铅光敏电阻，其光谱分别对应于紫外、可见 光区的光谱范围190nm IlOOnm和近红外光区的光谱范围800nm 2900nm。本发明测量装置为了实现多波长条件下测量物质的旋光率，采用了一套包括稳压 电源、光源、准直分光、样品池与检测系统五大部分组成。由稳压电源给光源供电，光源部分 由氘灯、钨灯、碳硅棒组成，可以提供紫外可见近红外连续光谱(190nm 2500nm)，经过狭 缝准直镜准直。其中双光束式经过光栅分光获得纯单色光，再经过斩波器1分成物光与参 考光两束光进入样品池，其中在样品池的物光光路上，在样品前后分别有一个精度高的起 偏器与检偏器，物光经过起偏器、样品、检偏器后与参考光交替被光电探测器探测，然后进 入锁相放大器及信号处理电路，最终光谱在PC机上由相应软件输出；而单光束式经过准直 后，依次经过斩波器2、光栅分光、滤光片轮后进入到样品池中，最后被探测器探测后进入锁 相放大器，经过信号处理后在PC机上显示。其中斩波器1的主要功能是将入射光按一定频 率分为物光跟参考光，经过样品池后交替被探测器探测到；斩波器2主要应用于近红外的 测试当中，主要功能是提供一特定频率的交变信号，并输送给锁相放大器，而锁相放大器可 以有效排除外界噪声干扰，实现对微弱信号的检测。本发明测量装置中所使用的锁相放大器是通用的锁相放大器，由Stanford ResearchSystems 生产，型号为0DEL SR830 DSP LOCK-IN Amplifier。本发明测量装置中所使用的斩光器控制器是通用的斩光器控制器，由 StanfordResearch Systems 生产，型号为M0DEL SR450 CHOPPER CONTROLLER。一种利用上述装置进行旋光率测量的方法，步骤如下①打开稳压电源，调至220V，预热两分钟；②待电压稳定后分别接通PC机、光源、光电探测器、锁相放大器的电源；③确认样品池无遮挡，调节起偏器P1、检偏器P2，使其透振方向相互平行，即Pl// P2 ；④紫外可见光区测量时，在没加入样品的前提下测量做基准，以此时的物光与参 考光的比值为100% ；近红外测量时，以无样品测量结果为基准；⑤将待测样品放入样品池，用样品夹固定好；⑥在P1//P2条件下，经过光栅分光后按照波长由小到大依次扫描，其中双光路式 通过测量物光与参考光的比值得到样品在紫外可见光区的透射光谱，单光路式以加入样品 测得光谱曲线与没加样品时测得光谱曲线二者做除即可得到近红外的透射光谱；由上述透 射率曲线当中能够得出至少4组极大值与极小值的组合，此时(旋光角度较大的样品情况) 即能够对数据进行处理，进行下一步的拟合运算，当上述透射率曲线当中得出的极大值与 极小值的组合少于4组时(旋光角度较小的样品情况)，先判定样品是左旋还是右旋，再通过旋转检偏器寻找透射率曲线当中的极大值(或极小值)的方法来测量样品的旋光率，得 到至少8组旋光率与波长一一对应的数据；⑦通过PC机记录保存相应的实验数据，经过origin计算拟合后即能够得到样品 旋光率色散曲线；⑧实验结束后，与开机顺序相反方向依次关闭锁相放大器的电源、光电探测器、光 源、PC机及稳压电源。本发明测量方法的理论依据如下当线偏振光经过透明的旋光物质后，其振动面将以光的传播方向为轴旋转一定的 角度，此旋光角可由下式给出旋光角炉=￥( _ )(D
Λ旋光率Z7 = "^ = ^"( 一 )(2)并且旋光率满足波尔兹曼色散方程ρ = +(3)
A A上面三个公式中，d为样品厚度，λ ^为线偏振光在真空当中的波长，λ为测量光 波的波长，A2为波尔兹曼系数；^、nE分别为左旋、右旋圆偏振光的折射率。由上面公式(1)得出，当炉μ) = ^ (m= 1,2,3,4,…)时，可得在此位置上
光强应该为极小值；当炉= (m = 1,2,3,4,…)时，可得在此位置上光强应该为极大 值。相应的极小值、极大值依次对应于透射率曲线上由近红外到紫外的极小值、极大值。由 此可以得到波长与旋光率的一一对应关系。再通过波尔兹曼色散方程拟合得到相应的旋光 率色散曲线。进而得到整个波段的旋光率。上述测量方法中在光谱范围内透射率曲线当中得出的极大值与极小值的组合少 于4组时，通过旋转检偏器的方法来测量样品的在光谱范围内的旋光率(此方法同样适用 于光谱范围内测得透射率曲线中的极大值与极小值的组合等于或大于4组的样品)，具体 步骤如下i)判定样品是左旋还是右旋迎着光的方向看，将检偏器顺时针转动，透射率曲 线移向短波；逆时针转动检偏器，透射率曲线移向长波方向，此时样品为右旋体；迎着光的 方向看，将检偏器顺时针转动，透射率曲线移向长波，逆时针转动检偏器，透射率曲线将移 向短波，则样品为左旋体；ii)迎着光的方向看，使检偏器P2由平行于起偏器Pl的状态，即P1//P2开始，对 于右旋体样品，向右旋转，测量透射率光谱得到相应于旋转角θ的透射光谱曲线中的极大 值，以及相对应的波长(本步也可以通过向左旋转寻找极小值的方法实现)；对于左旋体样 品，检偏器向左旋转，测量透射率光谱得到相应于旋转角θ的透射光谱曲线中的极大值， 以及相对应的波长(本步也可以通过向右旋转寻找极小值的方法实现)；iii)增加旋转角θ的角度，重复步骤ii)，能够得到新的一组波长与旋光角的数 据，进而得到样品旋光率，旋光率色散满足波尔兹曼方程，通过计算机拟合能够得到整个波 段的旋光率色散曲线。本发明的特点如下
(1)可以实现在紫外可见近红外范围内(190nm 2500nm)物质旋光角(旋光率) 的测量，通过拟合计算可以得到旋光率色散满足的波尔兹曼方程及波尔兹曼系数。(2)调整检偏器与起偏器的夹角，通过透射曲线的极大值(极小值)测量不同旋光 角所对应的波长值，可以实现旋光角较小的样品的旋光率的精确测量。(3)在较大的波长范围内(190nm 2500·)测量物质的旋光率可以有效减小个别 点测量误差对整个旋光率色散曲线的影响，由旋光率色散曲线得到的旋光率、旋光角更加 精确。(4)通过旋转检偏器(或起偏器)根据透射光谱曲线的偏移方向能够实现样品是 左旋物质还是右旋物质的判定。(5)旋光角度不再受到局限，可以测得大于0°任意旋光角。(6)由于引入了锁相放大器以及部分处理电路使得测量精度高，重复性好，测量灵 敏度高，并且能够有效地避免外界环境的干扰。(7)另外，通过对样品池的改造，该方法同样可用在紫外可见近红外分光光度计当 中，可以将改造后的样品池作为分光光度计的附件使用。
图1是本发明装置的结构示意图其中1、光源1 ；2、光源2 ；3、准直镜1 ；4、狭缝1 ；5、准直镜2 ；6、准直镜3 ；7、狭缝 2 ；8、准直镜4(可调)；9、准直镜5 ;10、分光光栅；11、准直镜6 ;12、准直镜7 ;13、斩光器1 ； 14、准直镜8 ；15、准直镜9 ；16、起偏器；17、样品池；18、检偏器；19、参比池；20准直镜10 ； 21、准直镜11 ；22、准直镜12 ；23、光电探测器；24，锁相放大器；25、PC机；26、斩光器2 ;27、 准直镜13 ；28、准直镜14 ；29、滤光片轮；30、准直镜15 ；31、斩光器控制器。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不限于此。实施例1 本发明实施例1如图1所示，包括稳压电源、光源1、2、准直分光部分与检测系统， 其特征在于光源1、2、后面放置准直分光部分，准直分光部分后面连接检测系统；其中紫外 可见光区的双光束式的测量中准直分光部分依次排列为(准直镜1)3、(狭缝1)4、(准直 镜2)5、(准直镜3)6、(狭缝2)7、(准直镜4)8、(准直镜5) 9、分光光栅10、(准直镜6) 11、 (准直镜7) 12和(斩光器1) 13，经过(斩光器1) 13后面光路分为参考光和物光光路，参考 光光路中依次放置(准直镜8) 14、参比池19、(准直镜10) 20和光电探测器23 ；物光光路中 依次放置(准直镜9) 15、起偏器16、样品池17、检偏器18、(准直镜11)21、(准直镜12)22 和光电探测器23 ；近红外光区的单光束式测量中准直分光部分依次排列为(准直镜1)3、 (狭缝1) 4、(准直镜2) 5、(准直镜3) 6、(狭缝2) 7、(准直镜4) 8、(斩光器2) 26、(准直镜 13) 27、分光光栅10、(准直镜14) 28、滤光片轮29、(准直镜15)30、(准直镜9) 15、起偏器 16、样品池17、检偏器18、(准直镜11)21、(准直镜12)22和光电探测器23 ；检测系统包括 光电探测器23、锁相放大器24、PC机25及斩光器控制器31，其中光电探测器23输出端连 接到锁相放大器24，锁相放大器24和PC机25相连接；斩光器控制器31分别连接到(斩
7光器2) 26和锁相放大器24上，以控制(斩光器2) 26并把频率信号提供给锁相放大器24 ； 稳压电源连接到光源1、2、光电探测器23、锁相放大器24、PC机25、斩光器控制器31及斩 光器13、26为其供电。斩光器控制器31分别连接到(斩光器2) 26和锁相放大器24上，具体连接方式 如下(斩光器2) 26连到(斩光器控制器)31的CHOPPER HEAD CABLE端口，(斩光器控制 器)31连接到(锁相放大器)24的REF INPUT端口。所述的光源1是由氘灯、钨灯和碳硅棒组成，提供紫外、可见和近红外的连续光谱 (190nm 2500nm)。所述的光电探测器23是硅光电池和硫化铅光敏电阻，其光谱分别对应于紫外、可 见光区的光谱范围190nm IlOOnm和近红外光区的光谱范围800nm 2900nm。实施例2 一种利用上述装置进行旋光率测量的方法，步骤如下①打开稳压电源，调至220V，预热两分钟；②待电压稳定后分别接通PC机、光源、光电探测器、锁相放大器的电源；③确认样品池无遮挡，调节起偏器P1、检偏器P2，使其透振方向相互平行，即Pl// P2 ；④紫外可见光区测量时，在没加入样品的前提下测量做基准，以此时的物光与参 考光的比值为100% ；近红外测量时，以无样品测量结果为基准；⑤将待测样品放入样品池，用样品夹固定好；⑥在P1//P2条件下，经过光栅分光后按照波长由小到大依次扫描，其中双光路式 通过测量物光与参考光的比值得到样品在紫外可见光区的透射光谱，单光路式以加入样品 测得光谱曲线与没加样品时测得光谱曲线二者做除即可得到近红外的透射光谱；由上述透 射率曲线当中能够得出至少4组极大值与极小值的组合，此时即能够对数据进行处理，进 行下一步的拟合运算，当上述透射率曲线当中得出的极大值与极小值的组合少于4组时， 先判定样品是左旋还是右旋，再通过旋转检偏器寻找透射率曲线当中的极大值(或极小 值)的方法来测量样品的旋光率，得到至少8组旋光率与波长一一对应的数据；⑦通过PC机记录保存相应的实验数据，经过origin计算拟合后即能够得到样品 旋光率色散曲线；⑧实验结束后，与开机顺序相反方向依次关闭锁相放大器的电源、光电探测器、光 源、PC机及稳压电源。上述测量方法中在光谱范围内透射率曲线当中得出的极大值与极小值的组合少 于4组时，通过旋转检偏器的方法来测量样品的在光谱范围内的旋光率(此方法同样适用 于光谱范围内测得透射率曲线中的极大值与极小值的组合等于或大于4组的样品)，具体 步骤如下i)判定样品是左旋还是右旋迎着光的方向看，将检偏器顺时针转动，透射率曲 线移向短波；逆时针转动检偏器，透射率曲线移向长波方向，此时样品为右旋体；迎着光的 方向看，将检偏器顺时针转动，透射率曲线移向长波，逆时针转动检偏器，透射率曲线将移 向短波，则样品为左旋体；ii)迎着光的方向看，使检偏器P2由平行于起偏器Pl的状态，即P1//P2开始，对于右旋体样品，向右旋转，测量透射率光谱得到相应于旋转角θ的透射光谱曲线中的极大 值，以及相对应的波长(本步也可以通过向左旋转寻找极小值的方法实现)；对于左旋体样 品，检偏器向左旋转，测量透射率光谱得到相应于旋转角θ的透射光谱曲线中的极大值， 以及相对应的波长(本步也可以通过向右旋转寻找极小值的方法实现)；
iii)增加旋转角θ的角度，重复步骤ii)，能够得到新的一组波长与旋光角的数 据，进而得到样品旋光率，旋光率色散满足波尔兹曼方程，通过计算机拟合就能够得到整个 波段的旋光率色散曲线。
权利要求
一种紫外可见近红外旋光率的测量装置，包括稳压电源、光源、准直分光部分与检测系统，其特征在于光源后面放置准直分光部分，准直分光部分后面连接检测系统；其中紫外可见光区的双光束式的测量中准直分光部分依次排列为准直镜1、狭缝1、准直镜2、准直镜3、狭缝2、准直镜4、准直镜5、分光光栅、准直镜6、准直镜7和斩光器1，经过斩光器1后面光路分为参考光和物光光路，参考光光路中依次放置准直镜8、参比池、准直镜10和光电探测器；物光光路中依次放置准直镜9、起偏器、样品池、检偏器、准直镜11、准直镜12和光电探测器；近红外光区的单光束式测量中准直分光部分依次排列为准直镜1、狭缝1、准直镜2、准直镜3、狭缝2、准直镜4、斩光器2、准直镜13、分光光栅、准直镜14、滤光片轮、准直镜15、准直镜9、起偏器、样品池、检偏器、准直镜11、准直镜12和光电探测器；检测系统包括光电探测器、锁相放大器、PC机及斩光器控制器，其中光电探测器输出端连接到锁相放大器，锁相放大器和PC机相连接；斩光器控制器分别连接到斩光器2和锁相放大器上，以控制斩光器2的频率并把频率信号提供给锁相放大器；稳压电源连接到光源、光电探测器、锁相放大器、PC机、斩光器控制器及斩光器为其供电。
2.如权利要求1所述的一种紫外可见近红外旋光率的测量装置，其特征在于所述的光 源是由氘灯、钨灯和碳硅棒组成。
3.如权利要求1所述的一种紫外可见近红外旋光率的测量装置，其特征在于所述的光 电探测器是硅光电池和硫化铅光敏电阻。
4.一种利用权利要求1所述装置进行旋光率测量的方法，步骤如下①打开稳压电源，调至220V，预热两分钟；②待电压稳定后分别接通PC机、光源、光电探测器、锁相放大器的电源；③确认样品池无遮挡，调节起偏器P1、检偏器P2，使其透振方向相互平行，即P1//P2；④紫外可见光区测量时，在没加入样品的前提下测量做基准，以此时的物光与参考光 的比值为100% ；近红外测量时，以无样品测量结果为基准；⑤将待测样品放入样品池，用样品夹固定好；⑥在P1//P2条件下，经过光栅分光后按照波长由小到大依次扫描，其中双光路式通过 测量物光与参考光的比值得到样品在紫外可见光区的透射光谱，单光路式以加入样品测得 光谱曲线与没加样品时测得光谱曲线二者做除即可得到近红外的透射光谱；由上述透射率 曲线当中能够得出至少4组极大值与极小值的组合，此时即能够对数据进行处理，进行下 一步的拟合运算，当上述透射率曲线当中得出的极大值与极小值的组合少于4组时，先判 定样品是左旋还是右旋，再通过旋转检偏器寻找透射率曲线当中的极大值的方法来测量样 品的旋光率，得到至少8组旋光率与波长一一对应的数据；⑦通过PC机记录保存相应的实验数据，经过origin计算拟合后即能够得到样品旋光 率色散曲线；⑧实验结束后，与开机顺序相反方向依次关闭锁相放大器的电源、光电探测器、光源、 PC机及稳压电源。
5.如权利要求4所述的一种旋光率测量的方法，其中步骤⑥中在光谱范围内透射率曲 线当中得出的极大值与极小值的组合少于4组时，通过旋转检偏器的方法来测量样品的在 光谱范围内的旋光率，具体步骤如下i)判定样品是左旋还是右旋迎着光的方向看，将检偏器顺时针转动，透射率曲线移向短波，逆时针转动检偏器，透射率曲线移向长波方向，此时样品为右旋体；迎着光的方向 看，将检偏器顺时针转动，透射率曲线移向长波，逆时针转动检偏器，透射率曲线将移向短 波，则样品为左旋体； )迎着光的方向看，使检偏器P2由平行于起偏器Pl的状态，即P1//P2开始，对于右 旋体样品，向右旋转，测量透射率光谱得到相应于旋转角θ的透射光谱曲线中的极大值， 及其相对应的波长；对于左旋体样品，检偏器向左旋转，测量透射率光谱得到相应于旋转角 θ的透射光谱曲线中的极大值，及其相对应的波长；iii)增加旋转角θ的角度，重复步骤ii)，能够得到新的一组波长与旋光角的数据，进 而得到样品旋光率，旋光率色散满足波尔兹曼方程，通过计算机拟合就能够得到整个波段 的旋光率色散曲线。
全文摘要
一种紫外可见近红外旋光率的测量装置及其测量方法，属于光谱式旋光率测量领域，装置包括稳压电源、光源、准直分光部分与检测系统，其特征在于光源后面放置准直分光部分，准直分光部分后面连接检测系统；检测系统包括光电探测器、锁相放大器、PC机及斩光器控制器，其中光电探测器连接到锁相放大器，锁相放大器和PC机相连接；斩光器控制器分别连接到斩光器2和锁相放大器上；稳压电源连接到光源、光电探测器、锁相放大器、PC机、斩光器控制器及斩光器为其供电。该装置测量精度高，重复性好，测量灵敏度高，并且能够有效地避免外界环境的干扰，可实现紫外可见光区的双光束式的测量以及近红外光区的单光束式测量。
文档编号G01N21/59GK101957310SQ20101028521
公开日2011年1月26日 申请日期2010年9月17日 优先权日2010年9月17日
发明者吴仕梁, 宋平, 官文栎, 张华年, 王晓, 王英顺, 连洁, 马峥, 高尚 申请人:山东大学