CN105372179A - 手性液体对映体过量测量系统、其制备方法和测量方法 - Google Patents

手性液体对映体过量测量系统、其制备方法和测量方法 Download PDF

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王贤平
李思婷
周华清
桑明煌
袁文
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    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/21—Polarisation-affecting properties
    • G01N21/23—Bi-refringence

Abstract

本发明公开了一种手性液体对映体过量测量系统、其制备方法和测量方法。通过将入射光的偏振态在LCP与RCP之间转变，并利用反射光的古斯汉欣位移对样品腔中手性液体折射率变化灵敏的特性，来精确测量手性液体对映体过量值。该系统是由倍角转台、光波导和光电发射与信号探测装置三部分组成，光波导垂直固定于倍角转台的内转台上；倍角转台的外转台装有一调节支架以固定光电二极管或位置灵敏探测器，其与光学小孔II关于光波导的中心轴对称，光电发射与信号探测装置发射的激光经光波导反射后垂直入射到光电二极管或位置灵敏探测器的中心。

Description

手性液体对映体过量测量系统、其制备方法和测量方法
技术领域
本发明涉及一种测量系统，具体涉及一种手性液体对映体过量测量系统、其制备方法和测量方法。属于精密分析与测量仪器技术领域。
背景技术
手性物体是指：一个通过平移和旋转等任意空间操作都不能与其镜像重合的物体。该物体与镜像之间互称为对映体。研究显示：具有重要生理意义的有机化合物绝大多数为手性分子，并仅以一种对映体存在。因此许多药物中的两种对映体会表现出不同的药动学。多数情况下，只有一种对映体有显著的药理活性，另一种活性较低，甚至导致毒副反应。为此有必要发明一种装置及方法来快速、灵敏地测量手性液体中两种对映体所占比例的差值，即对映体过量值。
与化学测量方法相比，基于物理的手性液体对映体过量测量装置及方法更为简单，基本原理为手性液体对左旋圆偏振光(LeftcircularlypolarizedlightLCP)和右旋圆偏振光(RightcircularlypolarizedlightRCP)的折射率存在微小差异(～10-6)。Preston等人在《AppliedPhysicsLetters》Vol.89PP25309上发表“Simpleliquid-corewaveguidepolarimetry”(简单的液芯波导偏振仪，应用物理快报，Vol.89PP25309)一文，利用细长的空心光纤替代传统旋光测量方法中的液柱，一束线偏振光射入手性液体时分解成LCP和RCP，透过手性液体后两圆偏振光的相位延迟大小不同，所以透射光的偏振态存在一小角度旋转。在空心光纤测量装置及方法中，手性液体用量大为减少，但器件不适宜小型化。
Ghosh等人分别在《Physicalreviewletters》Vol.97PP173002上发表“Chiralmoleculessplitlight：reflectionandrefractioninchiralliquid”(光在手性分子中分裂：手性液体中的光反射和折射，物理评论快报，Vol.97PP173002)和《Opticsletters》Vol.32(13)PP1836-1838上发表“Circulardifferentialdoublediffractioninchiralmedia”(手性媒介中的圆微分双衍射，光学快报，Vol.32(13)PP1836-1838)两文，指出在非手性介质与手性液体的界面上，由于LCP和RCP的折射率不同，两圆偏振光的反射角、折射角、衍射角都存在微小差异，LCP和RCP会在远场处分离。反射、折射、衍射现象都发生在界面处，现有的这些对映体过量测量方法手性液体耗量小，且装置适合小型化，但仍然存在缺陷：即测量精度不高，因为角度改变非常小(～10-7rad)，在单次反射、折射或衍射过程中无法有效分离LCP和RCP。如在衍射方法中，最佳结果只能测定柠檬油精(limonene)手性液体1％的对映体过量值。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种手性液体对映体过量测量系统、其制备方法和测量方法。通过将入射光的偏振态在LCP与RCP之间转变，并利用反射光的古斯汉欣位移对样品腔中手性液体折射率变化灵敏的特性，来精确测量手性液体对映体过量值。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
手性液体对映体过量测量系统，是由倍角转台、光波导和光电发射与信号探测装置三部分组成，光波导垂直固定于倍角转台的内转台上；从远离光波导的一侧起，光电发射与信号探测装置依次包括同轴等高的可调谐激光器、光学小孔I、偏振片、光弹调制器以及光学小孔II五个部件，这五个部件的光轴与倍角转台内转台的上表面平行；倍角转台的外转台上装有一调节支架以固定光电二极管或位置灵敏探测器，其与光学小孔II关于光波导的中心轴对称，光电发射与信号探测装置发射的激光经光波导反射后垂直入射到光电二极管或位置灵敏探测器的中心。
从靠近光电发射与信号探测装置的一侧起，光波导依次包括上层玻璃薄片、一对玻璃片和下层玻璃衬底，上层玻璃薄片和下层玻璃衬底的上表面分别沉积有上层金属膜和下层金属膜，所述的一对玻璃片间隔放置，玻璃片的内侧边为半圆形凹陷，所述的两个半圆形凹陷构成样品腔，样品腔的两侧分别为进样通道和出样通道；其中，上层金属膜与倍角转台的中心轴处在同一平面上。
所述的上层金属膜为金膜或银膜，厚度为20～40nm，上层玻璃薄片的厚度为0.05～0.25mm，玻璃片的厚度为0.2～3mm，下层金属膜为金膜或银膜，厚度为200～400m，下层玻璃衬底厚度为0.5～5mm。
所述玻璃片的上、下表面分别与上层玻璃薄片和下层金属膜通过光胶技术粘合。
所述进样通道和出样通道的宽度相同，为0.02～0.25mm，所述样品腔的半径为0.1～1mm。
上述系统的制备方法，具体步骤是：
(1)分别在抛光后的上层玻璃薄片和下层玻璃衬底的上表面沉积上层金属膜和下层金属膜，将抛光后的一对玻璃片间隔放置，以形成进样通道、出样通道和样品腔，将已放置好的一对玻璃片的上、下两表面分别与上层玻璃薄片和下层金属膜通过光胶技术粘合，即得光波导；
(2)将光波导固定于倍角转台的内转台上，并使得上层金属膜与倍角转台的中心轴处在同一平面上，将光电二极管固定在倍角转台外转台的调节支架上，使光电发射与信号探测装置的光轴与倍角转台上转台的上表面平行，并且使经光波导反射后的激光垂直入射到光电二极管的中心。
上述系统对应的手性液体对映体过量值测量方法，包括步骤：
(1)调节可调谐激光器所发出入射光的波长，入射光经光学小孔I准直后通过偏振片和光弹调制器，再由光学小孔II进一步准直入射到光波导上；
(2)将待测手性液体通过进样通道进入样品腔，通过旋转倍角转台改变入射角，由光电二极管记录反射光强，以获取超高阶导模的反射谱；
(3)固定入射角，将调节支架上的光电二极管更换为位置灵敏探测器，调节加载在光弹调制器上的电压使入射光的偏振态在左旋圆偏振光(LCP)和右旋圆偏振光(RCP)两者之间转换，利用位置灵敏探测器测量不同圆偏振下反射光古斯汉欣位移的差值；
(4)根据不同圆偏振下反射光古斯汉欣位移的差值反向推算出手性液体对左旋圆偏振光(LCP)与右旋圆偏振光(RCP)的折射率差异，再由待测手性液体的性质得知其对映体过量值大小。
所述入射角θ固定在3°～10°之间任一吸收峰上升沿或下降沿的中心位置。
所述入射光波长为858nm～863nm，光弹调制器的中心波长为860nm。
本发明的工作原理：
当相位匹配时，入射光被耦合进样品腔，反射光相位相对于入射光产生急剧变化，从而大大增强反射光的古斯汉欣位移(即反射光点相对于入射光点有一侧向位移)。利用反射光的古斯汉欣位移大小对手性液体折射率变化极其灵敏及手性液体对LCP与RCP的折射率存在微小差异，当入射光的偏振态在LCP与RCP之间转换时，通过位置灵敏探测器测量反射光古斯汉欣位移的变化可精确得知手性液体中对映体过量值。
本发明的有益效果：
本发明用金属膜作为光波导的包覆层，样品腔中的手性液体折射率范围将不受限制，且入射光可通过自由空间耦合技术耦合进样品腔内，无须棱镜或光栅结构，发明装置简单，适于小型化、规模化生产；由于样品腔厚度为毫米尺度，能容纳导模阶数大于1000的超高阶导模，此种导模对TM、TE偏振光不灵敏，半高全宽极小，对样品腔中的折射率变化极其灵敏，且测量的古斯汉欣位移信号不受入射光强涨落影响。本发明方法可有效提高手性液体对映体过量值的测量精度。
附图说明
图1为本发明装置结构示意图；
图2为本发明光波导结构示意图；
图3为本发明光波导中玻璃片、样品腔的俯视图。
其中，1为倍角转台，2为光波导，3为光电发射与信号探测装置，4为内转台，5为外转台，6为调节支架，7为可调谐激光器，8为光学小孔I，9为偏振片，10为光弹调制器，11为光学小孔II，12为光电二极管，13为位置灵敏探测器，14为上层金属膜，15为上层玻璃薄片，16为玻璃片，17为下层金属膜，18为下层玻璃衬底，19为样品腔，20为进样通道，21为出样通道，θ为入射角，S为古斯汉欣位移。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的阐述，应该说明的是，下述说明仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。
实施例：
如图1和图2所示，本发明的手性液体对映体过量测量系统，是由倍角转台1、光波导2和光电发射与信号探测装置3三部分组成，光波导2垂直固定于倍角转台1的内转台4上；从远离光波导2的一侧起，光电发射与信号探测装置3依次包括同轴等高的可调谐激光器7、光学小孔I8、偏振片9、光弹调制器10以及光学小孔II11五个部件，这五个部件的光轴与光倍角转台1的内转台的上表面平行；倍角转台1的外转台上5装有一调节支架6以固定光电二极管12或位置灵敏探测器13，其与光学小孔II11关于光波导2的中心轴对称，光电发射与信号探测装置3发射的激光经光波导2反射后垂直入射到光电二极管12或位置灵敏探测器13的中心。
从靠近光电发射与信号探测装置3的一侧起，光波导2依次包括上层玻璃薄片15、一对玻璃片16和下层玻璃衬底18，上层玻璃薄片15和下层玻璃衬底18的上表面分别沉积有上层金属膜14和下层金属膜17。如图3所示，一对玻璃片16间隔放置，玻璃片16的内侧边为半圆形凹陷，所述的两个半圆形凹陷构成样品腔19，样品腔19的两侧分别为进样通道20和出样通道21；其中，上层金属膜14与倍角转台1的中心轴处在同一平面上。上层金属膜14为银膜，厚度为31nm，上层玻璃薄片15的厚度为0.2mm，玻璃片16的厚度为0.7mm，下层金属膜17为金膜，厚度为300nm，下层玻璃衬底18厚度为3mm。玻璃折射率为1.50，对于860.0nm的光而言，银膜的介电系数为-34.2+i1.2，金膜的介电系数为-28+i1.8，其中i为虚数单位。玻璃片16的上、下表面分别与上层玻璃薄片15和下层金属膜17通过光胶技术粘合。进样通道20和出样通道21的宽度相同，为0.04mm，所述样品腔19的半径为0.5mm。
上述系统的制备方法，具体步骤是：
(1)分别在抛光后的上层玻璃薄片15和下层玻璃衬底18的上表面沉积上层金属膜14和下层金属膜17，将抛光后的一对玻璃片16间隔放置，以形成进样通道20和出样通道21和样品腔19，将已放置好的一对玻璃片16的上、下两表面分别与上层玻璃薄15片和下层金属膜17通过光胶技术粘合，即得光波导2；
(2)将光波导2固定于倍角转台1的内转台4上，并使得上层金属膜14与倍角转台1的中心轴处在同一平面上，将光电二极管12固定在倍角转台1外转台5的调节支架6上，使光电发射与信号探测装置3的光轴与倍角转台1的内转台4的上表面平行，并且使经光波导2反射后的激光垂直入射到光电二极管12的中心。
上述系统对应的手性液体对映体过量值测量方法，包括步骤：
(1)调节可调谐激光器7所发出入射光的波长，设置为860nm，入射光经光学小孔I8准直后通过偏振片9和光弹调制器10(中心波长为860nm)，再由光学小孔II11进一步准直入射到光波导2上；
(2)将等对映体的柠檬油精(limonene)手性液体注入光波导2的样品腔19中，激光的入射角θ固定为4.14°，此时入射角θ处于吸收峰下降沿的中点；
(3)将调节支架6上的光电二极管12更换为位置灵敏探测器13，调节加载在光弹调制器10上的电压使入射光的偏振态在LCP和RCP两者之间转换，利用位置灵敏探测器13测量不同圆偏振下反射光古斯汉欣位移S的差值；在其它条件不变的情况下，依次注入一系列对映体过量值不同的柠檬油精(limonene)手性液体到样品腔19中，测量LCP与RCP下反射光古斯汉欣位移S的差值；
(4)根据不同圆偏振下反射光古斯汉欣位移S的差值反向推算出手性液体对左旋圆偏振光(LCP)与右旋圆偏振光(RCP)的折射率差异，再由待测手性液体的性质得知其对映体过量值大小。
根据计算表明，在以上测量条件下，对柠檬油精(limonene)手性液体对映体过量值分辨率可达0.5％(反射光古斯汉欣位移S的变化约为1.5μm)，当柠檬油精(limonene)手性液体对映体过量值发生改变时，反射光古斯汉欣位移S的变化如表1所示。
表1.柠檬油酸的对映体过量值与左、右旋光古斯汉欣位移差的对应关系
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.手性液体对映体过量测量系统，其特征在于，是由倍角转台、光波导和光电发射与信号探测装置三部分组成，光波导垂直固定于倍角转台的内转台上；从远离光波导的一侧起，光电发射与信号探测装置依次包括同轴等高的可调谐激光器、光学小孔I、偏振片、光弹调制器以及光学小孔II五个部件，这五个部件的光轴与倍角转台的内转台的上表面平行；倍角转台的外转台上装有一调节支架以固定光电二极管或位置灵敏探测器，其与光学小孔II关于光波导的中心轴对称，光电发射与信号探测装置发射的激光经光波导反射后垂直入射到光电二极管或位置灵敏探测器的中心。
2.根据权利要求1所述的手性液体对映体过量测量系统，其特征在于，从靠近光电发射与信号探测装置的一侧起，光波导依次包括上层玻璃薄片、一对玻璃片和下层玻璃衬底，上层玻璃薄片和下层玻璃衬底的上表面分别沉积有上层金属膜和下层金属膜，所述的一对玻璃片间隔放置，玻璃片的内侧边为半圆形凹陷，所述的两个半圆形凹陷构成样品腔，样品腔的两侧分别为进样通道和出样通道；其中，上层金属膜与倍角转台的中心轴处在同一平面上。
3.根据权利要求1所述的手性液体对映体过量测量系统，其特征在于，所述的上层金属膜为金膜或银膜，厚度为20～40nm，上层玻璃薄片的厚度为0.05～0.25mm，玻璃片的厚度为0.2～3mm，下层金属膜为金膜或银膜，厚度为200～400nm，下层玻璃衬底厚度为0.5～5mm。
4.根据权利要求3所述的手性液体对映体过量测量系统，其特征在于，所述玻璃片的上、下表面分别与上层玻璃薄片和下层金属膜通过光胶技术粘合。
5.根据权利要求3所述的手性液体对映体过量测量系统，其特征在于，所述进样通道和出样通道的宽度相同，为0.02～0.25mm，所述样品腔的半径为0.1～1mm。
6.权利要求1～5中任一项所述系统的制备方法，其特征在于，具体步骤是：
(1)分别在抛光后的上层玻璃薄片和下层玻璃衬底的上表面沉积上层金属膜和下层金属膜，将抛光后的一对玻璃片间隔放置，以形成进样通道、出样通道和样品腔，将已放置好的一对玻璃片的上、下两表面分别与上层玻璃薄片和下层金属膜通过光胶技术粘合，即得光波导；
(2)将光波导垂直固定于倍角转台的内转台，并使得上层金属膜与倍角转台的中心轴处在同一平面上，将光电二极管固定在倍角转台外转台的调节支架上，使光电发射与信号探测装置的光轴与倍角转台的内转台上表面平行，并且使经光波导反射后的激光垂直入射到光电二极管的中心。
7.权利要求1～5中任一项所述系统对应的手性液体对映体过量值测量方法，其特征在于，包括步骤：
(1)调节可调谐激光器所发出入射光的波长，入射光经光学小孔I准直后通过偏振片和光弹调制器，再由光学小孔II进一步准直入射到光波导上；
(2)将待测手性液体通过进样通道注入样品腔，通过旋转倍角转台改变入射角，由光电二极管记录反射光强，以获取超高阶导模的反射谱；
(3)固定入射角，将调节支架上的光电二极管更换为位置灵敏探测器，调节加载在光弹调制器上的电压使入射光的偏振态在左旋圆偏振光和右旋圆偏振光两者之间转换，利用位置灵敏探测器测量不同圆偏振下反射光古斯汉欣位移的差值；
(4)根据不同圆偏振下反射光古斯汉欣位移的差值反向推算出手性液体对左旋圆偏振光与右旋圆偏振光的折射率差异，再由待测手性液体的性质得知其对映体过量值大小。
8.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于，所述入射角θ设置为3°～10°之间任一吸收峰上升沿或下降沿的中心位置。
9.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于，所述入射光波长为858nm～863nm，光弹调制器的中心波长为860nm。
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