一種利用腐蝕光纖測(cè)量旋光溶液濃度與旋光性的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于旋光溶液旋光度測(cè)量裝置技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種利用腐蝕光纖測(cè)量 旋光溶液濃度與旋光性的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前常利用旋光法對(duì)不同的旋光物質(zhì)進(jìn)行濃度測(cè)量，但低濃度旋光溶液的精確測(cè) 量問題一直處在不斷改進(jìn)階段。由于旋光物質(zhì)的旋光率受光的波長(zhǎng)、溫度和溶液的濃度等 影響，將導(dǎo)致測(cè)量的誤差；且微小旋光計(jì)、旋光儀和便攜式旋光儀等測(cè)量工具雖不斷優(yōu)化， 但測(cè)量精度與體積仍難以匹配，其中有些儀器只適用于物理性實(shí)驗(yàn)方面，而相對(duì)精密且應(yīng) 用廣泛的儀器不僅對(duì)測(cè)量系統(tǒng)部件精度要求高，且價(jià)格十分昂貴。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明為解決基于旋光法對(duì)旋光溶液溶度測(cè)量的靈敏度低、分辨率差和成品高等 問題而提供了一種利用腐蝕光纖測(cè)量旋光溶液濃度與旋光性的方法，該方法通過分析研究 光信號(hào)通過在旋光溶液中的腐蝕光纖所輸出的干涉波長(zhǎng)的偏移來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0004] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案，一種利用腐蝕光纖測(cè)量旋光溶液 濃度與旋光性的方法，其特征在于：沿光線傳輸方向依次設(shè)有通過光纖相連的650nm激光 器、塑料量具和光譜儀，光纖固定于塑料量具的側(cè)壁上，塑料量具內(nèi)部的光纖剝?nèi)cm的光 纖包皮，裸露的纖芯由質(zhì)量濃度為40%的氫氟酸溶液均勾腐蝕形成腐蝕光纖，在腐蝕時(shí)光 纖斷面與氫氟酸溶液接觸，利用腐蝕液微循環(huán)的作用，用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)塑料量具同度旋轉(zhuǎn)， 直到在斷面處形成均勻的上下敞口凹槽結(jié)構(gòu)，具體測(cè)量過程為：首先塑料量具未加溶液時(shí) 測(cè)出干涉基準(zhǔn)波形，然后依次加入不同濃度的旋光溶液，觀察并記錄對(duì)應(yīng)濃度的旋光溶液 光譜儀顯示的光干涉曲線，對(duì)多組不同濃度下干涉曲線進(jìn)行比較分析，以基準(zhǔn)波形固定波 谷為參考點(diǎn)，記錄不同濃度下所選干涉波谷所對(duì)應(yīng)的干涉偏移量大小，繪制偏移量與濃度 的關(guān)系曲線從而實(shí)現(xiàn)待測(cè)旋光溶液濃度的測(cè)量，然后調(diào)用已知旋光溶液濃度與旋光角的關(guān) 系曲線從而實(shí)現(xiàn)待測(cè)旋光溶液對(duì)應(yīng)濃度下旋光角的測(cè)量。
[0005] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果：（1)處理芯片事先存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)旋光溶液 濃度和旋光角對(duì)應(yīng)關(guān)系，減小了由測(cè)量環(huán)境引起的誤差；（2)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小巧，靈 敏度高，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多種旋光溶液濃度與旋光角的測(cè)量；（3)測(cè)量過程簡(jiǎn)化，方便迅速，有 效克服了傳統(tǒng)溶液測(cè)量方法中存在的繁瑣流程。
【附圖說(shuō)明】
[0006] 圖1是本發(fā)明的光路原理圖，圖2是本發(fā)明中塑料量具的局部放大圖。
[0007] 圖面說(shuō)明：l、650nm激光器，2、塑料量具，3、光譜儀，4、光纖，5、纖芯。
【具體實(shí)施方式】
[0008] 結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的具體內(nèi)容。一種利用腐蝕光纖測(cè)量旋光溶液濃度與旋 光性的方法，沿光線傳輸方向依次設(shè)有通過光纖4相連的650nm激光器1、塑料量具2和光 譜儀3,光纖4固定于塑料量具2的側(cè)壁上，塑料量具2內(nèi)部的光纖4剝?nèi)cm的光纖包皮， 裸露的纖芯5由質(zhì)量濃度為40%的氫氟酸溶液均勻腐蝕形成腐蝕光纖。
[0009] 通過腐蝕光纖表面并基于Mach-Zehnder干涉原理測(cè)量旋光溶液濃度的原理如圖 1所示。
[0010] (1)光纖斷面處理
[0011] 用光纖專用鉗截取一段光纖，在光纖中部用鉗子剝?nèi)cm的光纖包層，裸露纖芯， 再用酒精棉花球反復(fù)擦拭管線斷面與表面，晾干待用。
[0012] (2)光纖腐蝕處理
[0013] 首先，用細(xì)針橫穿塑料量具，再將待用光纖穿過塑料量具，用膠固的同時(shí)定封閉針 孔，接著將質(zhì)量濃度為40%的30mL氫氟酸溶液緩慢倒入塑料量具中足以覆蓋光纖斷面，再 用塑料膜將其封閉，氫氟酸溶液開始腐蝕光纖斷面，但不會(huì)與光纖包層反應(yīng)。在腐蝕時(shí)光纖 斷面與氫氟酸溶液接觸，利用腐蝕液微循環(huán)的作用，用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)容器同度旋轉(zhuǎn)，直到在 斷面處形成均勻的上下敞口凹槽結(jié)構(gòu)。記錄腐蝕時(shí)間、腐蝕液溫度、濃度及環(huán)境濕度，如圖 2所示。
[0014] (3)旋光溶液濃度與旋光角的測(cè)量
[0015] 由650nm激光器、腐蝕光纖、光譜儀和單模光纖等構(gòu)成測(cè)量系統(tǒng)。首先塑料量具未 加溶液時(shí)測(cè)出干涉基準(zhǔn)波形，然后依次加入不同濃度的旋光溶液，觀察并記錄對(duì)應(yīng)濃度旋 光溶液光譜儀顯示的光干涉曲線，對(duì)多組干涉曲線進(jìn)行比較分析，以基準(zhǔn)波形固定波谷為 參考點(diǎn)，記錄不同濃度下所選干涉波谷所對(duì)應(yīng)的干涉偏移量大小，繪制偏移量與濃度的關(guān) 系曲線從而實(shí)現(xiàn)待測(cè)旋光溶液濃度的測(cè)量，然后調(diào)用已知旋光溶液與旋光角的關(guān)系曲線從 而實(shí)現(xiàn)待測(cè)旋光溶液對(duì)應(yīng)濃度下旋光角的測(cè)量，最后計(jì)算并得到系統(tǒng)靈敏度。
[0016] 根據(jù)光束干涉理論，MZI的輸出光強(qiáng)表不為：
[0017]
[0018] 其中I為輸出光強(qiáng)，UFP .分別纖芯與旋光溶液中m階的光強(qiáng)，旋光溶液 折射率的變化引起的變化，進(jìn)而導(dǎo)致光強(qiáng)I的變化。因此，通過檢測(cè)光強(qiáng)I的變化，可以解 調(diào)出旋光溶液的折射率。纖芯與旋光溶液干涉光之間的相位差為：
[0019]
[0020] 其中和m分別為纖芯模的有效折射率和第m階旋光溶液的有效折 射率，λ為光在空氣中的波長(zhǎng)，L腐蝕光纖光在旋光溶液中傳播的距離。
[0021] 當(dāng)相位差（其中m= 0, 1，2,…）時(shí)，兩者會(huì)產(chǎn)生干涉，且干涉極小值點(diǎn)的波長(zhǎng)可以 表示為：
[0023] 根據(jù)上述公式（3)可知腐蝕光纖結(jié)構(gòu)和溫度一定時(shí)，即L一定，隨著外界旋光溶 液折射率增加而纖芯模的有效折射率不變，因此透射光譜中的干涉極小值點(diǎn)向短波方向偏 移。偏移量與折射率近似成線性關(guān)系。
[0024] 另外，根據(jù)洛倫茲電子論、朗伯定律和比爾定律可得到溶液的折射率和濃度的關(guān) 系：
[0026] 當(dāng)入射光頻率一定時(shí)，由（4)式可得：
[0027] c=an+b(5)
[0028] 其中a和b為兩個(gè)常數(shù)，η為旋光溶液折射率，c為旋光溶液濃度。由此可得出旋 光溶液濃度與折射率也近似成線性關(guān)系。
[0029] 當(dāng)線性偏振光通過旋光溶液時(shí)，偏振面會(huì)發(fā)生一定的旋轉(zhuǎn)，把旋轉(zhuǎn)的角度定義為 旋光角.
[0030] 旋光溶液的濃度c與旋光角Ψ的關(guān)系為：
[0031]
[0032] 其中c為溶液濃度，I表示透過旋光溶液的厚度，表示旋光率。
[0033] 由（5)和（6)式可得
[0034]
[0035] 整理上式可得
[0039] 上式變形為φ=_ .+Β.
[0040] 由（7)式最終可得出，當(dāng)溶液濃度一定時(shí)，折射率和旋光度應(yīng)該成線性關(guān)系。所 以，通過比較實(shí)驗(yàn)中干涉光譜的偏移量來(lái)檢測(cè)出對(duì)應(yīng)旋光溶液的折射率、濃度與旋光角。本 發(fā)明通過腐蝕光纖結(jié)構(gòu)，光信號(hào)經(jīng)過光纖包層面腐蝕結(jié)構(gòu)干涉，然后利用光經(jīng)過纖芯和溶 液后產(chǎn)生的相位干涉來(lái)測(cè)量不同旋光溶液的濃度與旋光角，該結(jié)構(gòu)小巧簡(jiǎn)單，靈敏度高。 [0041] 以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理，主要特征和優(yōu)點(diǎn)，在不脫離本發(fā)明精神和 范圍的前提下，本發(fā)明還有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明的 范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種利用腐蝕光纖測(cè)量旋光溶液濃度與旋光性的方法，其特征在于：沿光線傳輸方 向依次設(shè)有通過光纖相連的650nm激光器、塑料量具和光譜儀，光纖固定于塑料量具的側(cè) 壁上，塑料量具內(nèi)部的光纖剝?nèi)cm的光纖包皮，裸露的纖芯由質(zhì)量濃度為40%的氫氟酸溶 液均勻腐蝕形成腐蝕光纖，在腐蝕時(shí)光纖斷面與氫氟酸溶液接觸，利用腐蝕液微循環(huán)的作 用，用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)塑料量具同度旋轉(zhuǎn)，直到在斷面處形成均勻的上下敞口凹槽結(jié)構(gòu)，具體 測(cè)量過程為：首先塑料量具未加溶液時(shí)測(cè)出干涉基準(zhǔn)波形，然后依次加入不同濃度的旋光 溶液，觀察并記錄對(duì)應(yīng)濃度的旋光溶液光譜儀顯示的光干涉曲線，對(duì)多組不同濃度下干涉 曲線進(jìn)行比較分析，以基準(zhǔn)波形固定波谷為參考點(diǎn)，記錄不同濃度下所選干涉波谷所對(duì)應(yīng) 的干涉偏移量大小，繪制偏移量與濃度的關(guān)系曲線從而實(shí)現(xiàn)待測(cè)旋光溶液濃度的測(cè)量，然 后調(diào)用已知旋光溶液濃度與旋光角的關(guān)系曲線從而實(shí)現(xiàn)待測(cè)旋光溶液對(duì)應(yīng)濃度下旋光角 的測(cè)量。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用腐蝕光纖測(cè)量旋光溶液濃度與旋光性的方法，首先塑料量具未加溶液時(shí)測(cè)出干涉基準(zhǔn)波形，然后依次加入不同濃度的旋光溶液，觀察并記錄對(duì)應(yīng)濃度的旋光溶液光譜儀顯示的光干涉曲線，對(duì)多組不同濃度下干涉曲線進(jìn)行比較分析，以基準(zhǔn)波形固定波谷為參考點(diǎn)，記錄不同濃度下所選干涉波谷所對(duì)應(yīng)的干涉偏移量大小，繪制偏移量與濃度的關(guān)系曲線從而實(shí)現(xiàn)待測(cè)旋光溶液濃度的測(cè)量，然后調(diào)用已知旋光溶液濃度與旋光角的關(guān)系曲線從而實(shí)現(xiàn)待測(cè)旋光溶液對(duì)應(yīng)濃度下旋光角的測(cè)量。本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小巧，靈敏度高，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多種旋光溶液濃度與旋光角的測(cè)量，測(cè)量過程簡(jiǎn)化，方便迅速，有效克服了傳統(tǒng)旋光溶液測(cè)量方法中存在的繁瑣流程。
【IPC分類】G01N21/21
【公開號(hào)】CN105241819
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510553110
【發(fā)明人】王芳, 朱晗, 王旭, 李云鵬, 趙會(huì)會(huì), 劉玉芳
【申請(qǐng)人】河南師范大學(xué)
【公開日】2016年1月13日
【申請(qǐng)日】2015年9月2日