旋光现象最早是由科学家Arago发现的, 随后Biot发现石英能使偏振光的偏振面发生旋转, 其偏转的角度为旋光角^[1]。旋光色散是光学活性物质的旋光角随波长变化的一种色散效应^[2]。最早研究物质光学活性的仪器是旋光仪, 主要用于测定光学活性物质的纯度^[3], 但是这类单一波长旋光值的仪器能提供的信息量太少, 无法研究分子的立体结构, 因此Rudolph利用单色器与旋光仪连用的方法, 研制了世界上第一台光电分光旋光仪^[4], 之后的旋光色散测量系统往往是基于Rudolph的方法。Kliger等以氙灯为光源, 阵列探测器为探测元件的系统, 并利用Keston算法, 能测量纳秒级的旋光色散变化^[5]; Dressler等成功地将近场光学扫描显微镜用于手性物质偏振态的测量, 并申请了相关专利^[6]; 韩志刚等利用三步移相算法计算糖溶液的透射光谱来测量相应旋光色散, 该算法有效地减小了实验中的系统误差^[7]。但是, 他们的方法有着相同的不足之处-测量装置结构复杂, 实验数据处理繁琐。本文提出了一种光路简单, 数据处理快速精确的旋光色散测量方法。

测量系统的原理框图如图 1所示。系统由光路部分和光电转换部分组成:光路部分主要包括白光LED、准直透镜、起偏棱镜、旋光管、检偏棱镜、光栅; 光电转换部分为线阵CCD传感器。

图 1

Figure 1

图 1 系统原理框图 Figure 1 System diagram

当接通电源后, 白光LED发出一束含可见光波段的复合光, 该光通过准直透镜准直后, 经过起偏棱镜变为线偏振光, 然后经过旋光管中的旋光物质后, 其偏振面旋转, 并且由于不同波长的光比旋度不同, 因此各波长的线偏振光通过旋光管后, 其偏振面的旋转角度也不同。最后, 这束光经过检偏棱镜和光栅后, 由光栅使复合偏振光发生色散, 将白光分解形成光谱, 不同波长的线偏振光照射在线阵CCD传感器不同位置的像元上, 线阵CCD传感器将光信号转变为电信号, 由不同的像元记录不同波长的电信号。

在接通光源的同时, 由步进电机带动检偏器转动。步进电机每转动一步, 由于光信号的偏振角度与检偏器的角度发生变化, 导致经过检偏器的光信号的幅值大小发生变化, 并被CCD所采集。步进电机每转动一步, CCD就实时采集一次, 并由计算机进行保存。对于CCD所采集的数据, 做如下记录:

当步进电机转动第一步时, 记录CCD上像元1的输出幅值记为V11, 像元2上的输出幅值记为V21, 像元3上的输出幅值记为V31…以此类推, 像元n上的输出幅值记为Vn1;当步进电机转动第二步时, 记录像元1的输出幅值为V12, 像元2上的输出幅值记为V22, 像元3上的输出幅值记为V32…像元n上的输出幅值为Vn2;步进电机每转动一步记录方法也以此类推, 当步进电机转动第m步时(假定步进电机转动m步时, 步进电机转完一圈), 记录像元1的输出幅值为V1m, 像元2上的输出幅值记为V2m, 像元3上的输出幅值记为V3m…像元n上的输出幅值为Vnm。此时数据记录如表 1所示。

表 1 (Table 1)

表 1 CCD采集记录的数据 Table 1 The captured data of CCD pixels 像元 第1步 第2步 第3步 第4步 第5步 … 第m步 1 V11 V12 V13 V14 V15 … V1m 2 V21 V22 V23 V24 V25 … V2m 3 V31 V32 V33 V34 V35 … V3m 4 V41 V42 V43 V44 V45 … V4m 5 V51 V52 V53 V54 V55 … V5m         n Vn1 Vn2 Vn3 Vn4 Vn5 … Vnm

表 1 CCD采集记录的数据 Table 1 The captured data of CCD pixels

对于表 1中的第一列而言, 每个像元均对应的是复合线偏振光经过光栅分光后的波长。而对于表 1中的每一行, 它测量的是像元对应波长的线偏振光随检偏器转动而产生的光强幅值变化, 根据马吕斯定律:I=I₀cos²α, 实际测得的图形理论上应为一条马吕斯曲线。因此, 将实际得到的曲线与已知理论曲线进行对比, 对实际曲线进行拟合, 并计算出拟合曲线上的最低点所对应步进电机转过的角度值, 该角度便是物质在该像元上测得的旋光角^[8]。依次对每一行的数据做拟合, 就得到不同波长的光所对应的旋光角度。最后以波长为横坐标, 测得的旋光角为纵坐标, 所得的曲线即为旋光色散光谱图。

实验采用波长范围为410~710 nm的白光LED, 起偏器和检偏器均采用Glan-Taylor棱镜, 光栅采用刻槽密度为每毫米300条缝, 闪耀波长为460 nm的闪耀光栅, 线阵CCD采用的型号为DALSA Spyder 2, 对5.165°(钠光D线)的石英标准管进行测量。驱动步进电机转动, 调节LED光强大小使线阵CCD探测器的灵敏度在合理的范围内对数据进行采集。

对单个像元所采集到的数据进行拟合处理, 其试验数据如图 2中点画线所示, 通过拟合后如图 2中实线所示。其图形理论上应为一条马吕斯曲线, 找出该曲线最低点所对应的步进电机步数, 即为该像元所对应波长的旋光角度。再以各个像元所对应的像元号为横坐标, 求得的旋光角度为纵坐标, 其图像如图 3所示, 并进行曲线拟合如图 4所示, 该结果即是5.165°的石英标准管测得的旋光色散结果。

图 2

Figure 2

图 2 CCD单个像元数据 Figure 2 Data of single CCD pixel

图 3

Figure 3

图 3 5.165°旋光管的旋光色散原始曲线 Figure 3 Original optical rotatory dispersion curve

图 4

Figure 4

图 4 5.165°旋光管的旋光色散拟合曲线 Figure 4 Fitting optical rotatory dispersion curve of 5.165° standard quartz tube

根据ICUMSA22届年会(1998年)规定, 5.165°的石英标准管的理论旋光色散谱与本实验结果所示的旋光色散曲线基本吻合。

本文详细介绍了一种新型测量旋光色散的方法, 搭建了一套结构简单的光路测量系统, 在数据处理中引用拟合算法, 并通过实验验证了该测量方法的可行性。但目前该方法存在一定缺陷, 无法做到精确定标, 实验中波长由对应的像元号代替, 这也是我们下一步有待改进的地方。