CN105241819A - 一种利用腐蚀光纤测量旋光溶液浓度与旋光性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用腐蚀光纤测量旋光溶液浓度与旋光性的方法，首先塑料量具未加溶液时测出干涉基准波形，然后依次加入不同浓度的旋光溶液，观察并记录对应浓度的旋光溶液光谱仪显示的光干涉曲线，对多组不同浓度下干涉曲线进行比较分析，以基准波形固定波谷为参考点，记录不同浓度下所选干涉波谷所对应的干涉偏移量大小，绘制偏移量与浓度的关系曲线从而实现待测旋光溶液浓度的测量，然后调用已知旋光溶液浓度与旋光角的关系曲线从而实现待测旋光溶液对应浓度下旋光角的测量。本发明系统结构简单、体积小巧，灵敏度高，能够实现对多种旋光溶液浓度与旋光角的测量，测量过程简化，方便迅速，有效克服了传统旋光溶液测量方法中存在的繁琐流程。

Description

一种利用腐蚀光纤测量旋光溶液浓度与旋光性的方法

技术领域

本发明属于旋光溶液旋光度测量装置技术领域，具体涉及一种利用腐蚀光纤测量旋光溶液浓度与旋光性的方法。

背景技术

目前常利用旋光法对不同的旋光物质进行浓度测量，但低浓度旋光溶液的精确测量问题一直处在不断改进阶段。由于旋光物质的旋光率受光的波长、温度和溶液的浓度等影响，将导致测量的误差；且微小旋光计、旋光仪和便携式旋光仪等测量工具虽不断优化，但测量精度与体积仍难以匹配，其中有些仪器只适用于物理性实验方面，而相对精密且应用广泛的仪器不仅对测量系统部件精度要求高，且价格十分昂贵。

发明内容

本发明为解决基于旋光法对旋光溶液溶度测量的灵敏度低、分辨率差和成品高等问题而提供了一种利用腐蚀光纤测量旋光溶液浓度与旋光性的方法，该方法通过分析研究光信号通过在旋光溶液中的腐蚀光纤所输出的干涉波长的偏移来实现。

本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种利用腐蚀光纤测量旋光溶液浓度与旋光性的方法，其特征在于：沿光线传输方向依次设有通过光纤相连的650nm激光器、塑料量具和光谱仪，光纤固定于塑料量具的侧壁上，塑料量具内部的光纤剥去1cm的光纤包皮，裸露的纤芯由质量浓度为40％的氢氟酸溶液均匀腐蚀形成腐蚀光纤，在腐蚀时光纤断面与氢氟酸溶液接触，利用腐蚀液微循环的作用，用步进电机带动塑料量具同度旋转，直到在断面处形成均匀的上下敞口凹槽结构，具体测量过程为：首先塑料量具未加溶液时测出干涉基准波形，然后依次加入不同浓度的旋光溶液，观察并记录对应浓度的旋光溶液光谱仪显示的光干涉曲线，对多组不同浓度下干涉曲线进行比较分析，以基准波形固定波谷为参考点，记录不同浓度下所选干涉波谷所对应的干涉偏移量大小，绘制偏移量与浓度的关系曲线从而实现待测旋光溶液浓度的测量，然后调用已知旋光溶液浓度与旋光角的关系曲线从而实现待测旋光溶液对应浓度下旋光角的测量。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：(1)处理芯片事先存储标准旋光溶液浓度和旋光角对应关系，减小了由测量环境引起的误差；(2)系统结构简单、体积小巧，灵敏度高，可以实现对多种旋光溶液浓度与旋光角的测量；(3)测量过程简化，方便迅速，有效克服了传统溶液测量方法中存在的繁琐流程。

附图说明

图1是本发明的光路原理图，图2是本发明中塑料量具的局部放大图。

图面说明：1、650nm激光器，2、塑料量具，3、光谱仪，4、光纤，5、纤芯。

具体实施方式

结合附图详细描述本发明的具体内容。一种利用腐蚀光纤测量旋光溶液浓度与旋光性的方法，沿光线传输方向依次设有通过光纤4相连的650nm激光器1、塑料量具2和光谱仪3，光纤4固定于塑料量具2的侧壁上，塑料量具2内部的光纤4剥去1cm的光纤包皮，裸露的纤芯5由质量浓度为40％的氢氟酸溶液均匀腐蚀形成腐蚀光纤。

通过腐蚀光纤表面并基于Mach-Zehnder干涉原理测量旋光溶液浓度的原理如图1所示。

(1)光纤断面处理

用光纤专用钳截取一段光纤，在光纤中部用钳子剥去1cm的光纤包层，裸露纤芯，再用酒精棉花球反复擦拭管线断面与表面，晾干待用。

(2)光纤腐蚀处理

首先，用细针横穿塑料量具，再将待用光纤穿过塑料量具，用胶固的同时定封闭针孔，接着将质量浓度为40％的30mL氢氟酸溶液缓慢倒入塑料量具中足以覆盖光纤断面，再用塑料膜将其封闭，氢氟酸溶液开始腐蚀光纤断面，但不会与光纤包层反应。在腐蚀时光纤断面与氢氟酸溶液接触，利用腐蚀液微循环的作用，用步进电机带动容器同度旋转，直到在断面处形成均匀的上下敞口凹槽结构。记录腐蚀时间、腐蚀液温度、浓度及环境湿度，如图2所示。

(3)旋光溶液浓度与旋光角的测量

由650nm激光器、腐蚀光纤、光谱仪和单模光纤等构成测量系统。首先塑料量具未加溶液时测出干涉基准波形，然后依次加入不同浓度的旋光溶液，观察并记录对应浓度旋光溶液光谱仪显示的光干涉曲线，对多组干涉曲线进行比较分析，以基准波形固定波谷为参考点，记录不同浓度下所选干涉波谷所对应的干涉偏移量大小，绘制偏移量与浓度的关系曲线从而实现待测旋光溶液浓度的测量，然后调用已知旋光溶液与旋光角的关系曲线从而实现待测旋光溶液对应浓度下旋光角的测量，最后计算并得到系统灵敏度。

根据光束干涉理论，MZI的输出光强表示为：

其中I为输出光强，I_core和分别纤芯与旋光溶液中m阶的光强，旋光溶液折射率的变化引起的变化，进而导致光强I的变化。因此，通过检测光强I的变化，可以解调出旋光溶液的折射率。纤芯与旋光溶液干涉光之间的相位差为：

其中和分别为纤芯模的有效折射率和第m阶旋光溶液的有效折射率，λ为光在空气中的波长，L腐蚀光纤光在旋光溶液中传播的距离。

当相位差(其中m＝0,1,2,…)时，两者会产生干涉，且干涉极小值点的波长可以表示为：

${\mathrm{\λ}}_m=2(n_{eff}^{core}-n_{eff}^{liquor,m})L/(2m+1)---\left(3\right)$

根据上述公式(3)可知腐蚀光纤结构和温度一定时，即L一定，随着外界旋光溶液折射率增加而纤芯模的有效折射率不变，因此透射光谱中的干涉极小值点向短波方向偏移。偏移量与折射率近似成线性关系。

另外，根据洛伦兹电子论、朗伯定律和比尔定律可得到溶液的折射率和浓度的关系：

$c\≈\frac{4\mathrm{\π}\mathrm{\γ}\mathrm{\ω}}{\mathrm{\α}\mathrm{\λ}({\mathrm{\ω}}_0^2-{\mathrm{\ω}}^2)}n-\frac{4\mathrm{\π}\mathrm{\γ}\mathrm{\ω}}{\mathrm{\α}\mathrm{\λ}({\mathrm{\ω}}_0^2-{\mathrm{\ω}}^2)}+\frac{\mathrm{\π}\mathrm{\γ}\mathrm{\ω}}{2\mathrm{\α}\mathrm{\λ}({\mathrm{\ω}}_0^2-{\mathrm{\ω}}^2)}\frac{N^2{e}^4}{{\mathrm{\ϵ}}_0^2{m}^2}\frac{{({\mathrm{\ω}}_0^2-{\mathrm{\ω}}^2)}^2-{\mathrm{\γ}}^2{\mathrm{\ω}}^2}{{({\mathrm{\ω}}_0^2-{\mathrm{\ω}}^2+{\mathrm{\γ}}^2{\mathrm{\ω}}^2)}^2}---\left(4\right)$

当入射光频率一定时，由(4)式可得：

c＝an+b(5)

其中a和b为两个常数，n为旋光溶液折射率，c为旋光溶液浓度。由此可得出旋光溶液浓度与折射率也近似成线性关系。

当线性偏振光通过旋光溶液时，偏振面会发生一定的旋转，把旋转的角度定义为旋光角

旋光溶液的浓度c与旋光角的关系为：

其中c为溶液浓度，I表示透过旋光溶液的厚度，表示旋光率。

由(5)和(6)式可得

整理上式可得

(7)

令

上式变形为

由(7)式最终可得出，当溶液浓度一定时，折射率和旋光度应该成线性关系。所以，通过比较实验中干涉光谱的偏移量来检测出对应旋光溶液的折射率、浓度与旋光角。本发明通过腐蚀光纤结构,光信号经过光纤包层面腐蚀结构干涉，然后利用光经过纤芯和溶液后产生的相位干涉来测量不同旋光溶液的浓度与旋光角，该结构小巧简单，灵敏度高。

以上显示和描述了本发明的基本原理，主要特征和优点，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围。

Claims (1)

1.一种利用腐蚀光纤测量旋光溶液浓度与旋光性的方法，其特征在于：沿光线传输方向依次设有通过光纤相连的650nm激光器、塑料量具和光谱仪，光纤固定于塑料量具的侧壁上，塑料量具内部的光纤剥去1cm的光纤包皮，裸露的纤芯由质量浓度为40%的氢氟酸溶液均匀腐蚀形成腐蚀光纤，在腐蚀时光纤断面与氢氟酸溶液接触，利用腐蚀液微循环的作用，用步进电机带动塑料量具同度旋转，直到在断面处形成均匀的上下敞口凹槽结构，具体测量过程为：首先塑料量具未加溶液时测出干涉基准波形，然后依次加入不同浓度的旋光溶液，观察并记录对应浓度的旋光溶液光谱仪显示的光干涉曲线，对多组不同浓度下干涉曲线进行比较分析，以基准波形固定波谷为参考点，记录不同浓度下所选干涉波谷所对应的干涉偏移量大小，绘制偏移量与浓度的关系曲线从而实现待测旋光溶液浓度的测量，然后调用已知旋光溶液浓度与旋光角的关系曲线从而实现待测旋光溶液对应浓度下旋光角的测量。