CN116297225A - 测量手性物质比旋光度和圆二色谱的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测量手性物质比旋光度和圆二色谱的装置及方法，装置包括沿光传播方向依次设置的窄线宽激光器、单模光纤、1/4波片、半波片、偏振分束器、凸透镜组、环形腔、光电探测器和计算模块，测量时待测手性物质位于环形腔内，激光依次通过单模光纤、1/4波片、半波片、偏振分束器、凸透镜组、环形腔进入光电探测器内，所述计算模块根据光电探测器探测到的光信号拟合得到环形腔的自由光谱范围FSR、左旋和右旋偏振光共振峰的频率差以及线宽，从而计算出待测手性物质的比旋光度和圆二色谱。本发明简单快速准确。
Description
技术领域
本发明涉及光学精密测量领域，尤其涉及一种测量手性物质比旋光度和圆二色谱的装置及方法。
背景技术
手性在日常生活中扮演着重要的角色，许多基本的生物分子，如氨基酸、核酸、酶以及碳水化合物都可能具有两种互为镜像的对映异构体，它们可能会表现出两种不同甚至相反的生物化学性质和功能，因此对手性分子绝对构型的分析在食品、医疗以及药物开发等领域具有重要意义。物质的光学手性通常可以用旋光度和圆二色谱来表征。旋光仪是测定物质旋光度的仪器，它可以用于工业生产中的糖分测定，或者用于制药业的产物分析以及生命科学的核糖核酸研究。圆二色谱是研究对映异构体结构的最广泛的光学工具，它反映了手性分子对左圆偏振光和右圆偏振光的吸收之差。圆二色谱已经被广泛应用于各种手性分子绝对构型的确定之中，如手性亚砜、螺环化合物、昆虫信息素、生物碱以及多糖和蛋白质等。一般的旋光仪是由光学、机械和电子检测等部分组成，该类仪器存在机械磨损带来测量误差变化大的因素，同时测量过程中需要通过人眼观察来判别亮度一致的视场，因此精度很低。好的圆二色谱仪在市场上也很稀缺，造价十分昂贵，一台要200多万元人民币。因此，如何简单快速准确地测量旋光度和圆二色谱非常重要，可以解决医药、食品、化工工业、科研等许多领域中的问题。
也有研究者提出采用腔增强手性偏振测定的方法测量比旋光度(参见[Nature514,76-79(2014)，Sci.Adv.8,eabm3749(2022)])，该方案成本低廉，使用一个环形腔来放大微弱的手性信号，其探测比旋光度的灵敏度比偏振测量仪高几个数量级，但是该方案需要记录多次信号，且测量过程中需要额外的调制，测量过程较为复杂。
发明内容
发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供一种简单快速误差小的测量手性物质比旋光度和圆二色谱的装置及方法。
技术方案：本发明所述的测量手性物质比旋光度和圆二色谱的装置，包括沿光传播方向依次设置的窄线宽激光器、单模光纤、1/4波片、半波片、偏振分束器、凸透镜组、环形腔、光电探测器和计算模块，测量时待测手性物质位于环形腔内，激光依次通过单模光纤、1/4波片、半波片、偏振分束器、凸透镜组、环形腔进入光电探测器内，所述计算模块用于根据光电探测器探测到的光信号拟合得到环形腔的自由光谱范围FSR、左旋和右旋偏振光共振峰的频率差以及线宽，从而计算出待测手性物质的比旋光度和圆二色谱。
进一步的，所述计算模块具体包括：
拟合单元，用于对光电探测器接收的光信号的共振峰进行拟合，得到腔透射谱，然后根据腔透射谱得到环形腔的自由光谱范围FSR、左旋和右旋偏振光共振峰的频率差以及线宽；
比旋光度计算单元，用于根据FSR、左旋和右旋偏振光共振峰的频率差以及待测手性物质的长度和浓度，按照下式计算得到该激光波长下待测手性物质的比旋光度：
式中，α为比旋光度，(νR-νL)为左旋偏振光共振峰频率νL和右旋偏振光共振峰频率νR的差，FSR为环形腔的自由光谱范围，l为待测手性物质的长度，M为待测手性物质的浓度；
圆二色谱计算单元，用于根据FSR、左旋和右旋偏振光共振峰的线宽以及待测手性物质的长度和浓度，按照下式计算得到该激光波长下待测手性物质的圆二色谱：
式中，Δε为圆二色谱，(δL-δR)为左旋偏振光共振峰线宽δL和右旋偏振光共振峰线宽δR的差。
进一步的，所述1/4波片和半波片安装于旋转架子上，旋转架子主轴角度可调节。
进一步的，所述环形腔由第一凹面镜、第二凹面镜、第一平面镜和第二平面镜构成，光从第一凹面腔镜入射进环形腔，光按照第一凹面镜、第二凹面镜、第一平面镜、第二平面镜、第一凹面镜的方向传播，并从第二凹面腔镜输出，光场与环形腔形成共振。
进一步的，所述凸透镜组包括按照光传播方向依次设置的第一凸透镜和第二凸透镜。所述第一凸透镜焦距为100mm，所述第二凸透镜焦距为150mm。
本发明所述的测量手性物质比旋光度和圆二色谱的方法，基于上述装置实现，该方法包括：
(1)将待测手性物质放置于环形腔内；
(2)打开窄线宽激光器，调节1/4波片和半波片，通过旋转1/4波片和半波片的角度，使得光束经过偏振分束器获得最大光强；
(3)扫描窄线宽激光的频率，使得环形腔有稳定的腔模式输出；
(4)光电探测器接收环形腔输出的光信号；
(5)计算模块对光电探测器接收的光信号进行拟合，得到腔透射谱，然后根据腔透射谱得到环形腔的自由光谱范围FSR、左旋和右旋偏振光共振峰的频率差以及线宽，从而计算出待测手性物质的比旋光度和圆二色谱。
进一步的，改变窄线宽激光器发出的激光波长，并重复(3)-(5)，从而得到不同波长下待测手性物质的比旋光度和圆二色谱。
进一步的，步骤(1)具体包括：
(1-1)若待测手性物质为晶体，则将其插入环形腔的第一凹面腔镜和第二凹面镜之间，待测手性物质两侧镀增透膜；
(1-2)若待测手性物质为溶液，则溶液置于T型管中，并将T型管插入第一凹面腔镜和第二凹面镜之间，T型管两侧设有单面镀膜的窗口片，靠空气的一侧镀有宽带增透膜。
进一步的，步骤(5)具体包括：
(5-1)计算模块对光电探测器接收的光信号的共振峰进行拟合，得到腔透射谱，然后根据腔透射谱得到环形腔的自由光谱范围FSR、左旋和右旋偏振光共振峰的频率差以及线宽；
(5-2)根据FSR、左旋和右旋偏振光共振峰的频率差以及待测手性物质的长度和浓度，按照下式计算得到该激光波长下待测手性物质的比旋光度：
式中，α为比旋光度，(νR-νL)为左旋偏振光共振峰频率νL和右旋偏振光共振峰频率νR的差，FSR为环形腔的自由光谱范围，l为待测手性物质的长度，M为待测手性物质的浓度；
(5-3)根据FSR、左旋和右旋偏振光共振峰的线宽以及待测手性物质的长度和浓度，按照下式计算得到该激光波长下待测手性物质的圆二色谱：
式中，Δε为圆二色谱，(δL-δR)为左旋偏振光共振峰线宽δL和右旋偏振光共振峰线宽δR的差。
有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：本发明装置简单、成本低，测量时只需要记录一次线偏振光从环形腔出射的腔透射谱信号，并且测量过程中无需进行额外的调制，测量简单快速准确，精度高，适用广泛，此外，本发明是首次提出基于腔增强的方法同时测量手性物质比旋光度和圆二色谱。
附图说明
图1是本发明提供的测量手性物质比旋光度和圆二色谱的装置的一个实施例的结构图；
图2是测量石英晶体时拟合得到的腔透射谱(a)、比旋光度(b)和(d)以及圆二色性(c)和(e)；
图3是测量蔗糖溶液时拟合得到的腔透射谱(a)、比旋光度(b)和(d)以及圆二色性(c)和(e)。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供了一种测量手性物质比旋光度和圆二色谱的装置，如图1所示，包括可调谐的窄线宽激光器1、单模光纤2、1/4波片3、半波片4、偏振分束器5、凸透镜组(由第一凸透镜6-1和第二凸透镜6-2组成)、高品质环形腔7(由第一凹面镜7-1、第二凹面镜7-2、第一平面镜7-3、第二平面镜7-4组成)、光电探测器9和计算模块(图未示)。其中，窄线宽光源1为中心波长790nm的窄线宽光源，线宽小于100KHz，功率90mW，波长调谐范围760-810nm，出射的光为线偏振光。单模光纤2将窄线宽光源1发出的线偏振光整形为单模的圆偏振光，单模光纤2长度为两米。1/4波片3将单模光纤2出射的圆偏振光转换为线偏振光，半波片4将转换后的线偏振光的偏振方向旋转为水平方向，偏振分束器5进一步纯化激光的偏振态(水平线偏振)，1/4波片3和半波片4安装于旋转架子上，旋转架子主轴角度可调节，通过旋转1/4波片3和半波片4的角度，使得光束经过偏振分束器5获得最大光强。从偏振分束器5出射的水平线偏振光可视为由两个振幅相等的圆偏振光(左旋和右旋圆偏振)构成，它们经过第一凸透镜6-1和第二凸透镜6-2耦合到高品质环形腔7中，第一凸透镜焦距为100mm，所述第二凸透镜焦距为150mm。线偏振光从第一凹面镜7-1进入，依次经过第二凹面镜7-2、第一平面镜7-3、第二平面镜7-4和第一凹面镜7-1反射，从第二凹面镜7-2出射，光光场与环形腔形成共振，第一凹面腔镜的入射平面镀透过率99.9％的增透膜，另一面镀反射率97％的反射膜，第二凹面腔镜的出射平面镀透过率99.9％的增透膜，环形腔内一面镀反射率97％的反射膜，第一平面腔镜和第二平面镜为全反镜。待测手性物质8置于第一凹面镜7-1和第二凹面镜7-2之间，可以是晶体、溶液等。光电探测器9为硅基放大光电探测器，响应范围400-1000nm，用于探测接收高品质环形腔7输出的光。计算模块用于根据光电探测器探测到的光信号拟合得到环形腔的自由光谱范围FSR、左旋和右旋偏振光共振峰的频率差以及线宽，从而计算出待测手性物质的比旋光度和圆二色谱，
计算模块具体包括拟合单元、比旋光度计算单元和圆二色谱计算单元，拟合单元用于对光电探测器接收的光信号的共振峰进行拟合，得到腔透射谱，然后根据腔透射谱得到环形腔的自由光谱范围FSR、左旋和右旋偏振光共振峰的频率差以及线宽；比旋光度计算单元用于根据FSR、左旋和右旋偏振光共振峰的频率差以及待测手性物质的长度和浓度，按照下式计算得到该激光波长下待测手性物质的比旋光度：
式中，α为比旋光度，(νR-νL)为左旋偏振光共振峰频率νL和右旋偏振光共振峰频率νR的差，FSR为环形腔的自由光谱范围，l为待测手性物质的长度，M为待测手性物质的浓度；圆二色谱计算单元用于根据FSR、左旋和右旋偏振光共振峰的线宽以及待测手性物质的长度和浓度，按照下式计算得到该激光波长下待测手性物质的圆二色谱：
式中，Δε为圆二色谱，(δL-δR)为左旋偏振光共振峰线宽δL和右旋偏振光共振峰线宽δR的差。
实施例2
本实施例提供了一种测量手性物质比旋光度和圆二色谱的方法，该方法基于实施例1的装置，待测物质为石英晶体，长度6mm，具体测量方法为：
(1)将待测手性物质插入环形腔的第一凹面腔镜和第二凹面镜之间，待测手性物质两侧镀透过率99.9％的增透膜；
(2)打开窄线宽激光器，调节1/4波片和半波片，通过旋转1/4波片和半波片的角度，使得光束经过偏振分束器获得最大光强；
(3)扫描窄线宽激光的频率，使得环形腔有稳定的腔模式输出；本实施例中，扫描的频率为790nm附近；
(4)光电探测器接收环形腔输出的光信号；
(5)计算模块对光电探测器接收的光信号进行拟合，得到环形腔的自由光谱范围FSR、左旋和右旋偏振光共振峰的频率差以及线宽，从而计算出待测手性物质的比旋光度和圆二色谱；具体包括：
(5-1)计算模块对光电探测器接收的光信号的共振峰进行拟合，得到腔透射谱，然后根据腔透射谱得到环形腔的自由光谱范围FSR、左旋和右旋偏振光共振峰的频率差以及线宽；
(5-2)根据FSR、左旋和右旋偏振光共振峰的频率差以及待测手性物质的长度和浓度，按照下式计算得到该激光波长下待测手性物质的比旋光度(如图2(b)所示)：
式中，α为比旋光度，(νR-νL)为左旋偏振光共振峰频率νL和右旋偏振光共振峰频率νR的差，FSR为环形腔的自由光谱范围，l为待测手性物质的长度；
(5-3)根据FSR、左旋和右旋偏振光共振峰的线宽以及待测手性物质的长度和浓度，按照下式计算得到该激光波长下待测手性物质的圆二色谱(如图2(c)所示)：
式中，Δε为圆二色谱，(δL-δR)为左旋偏振光共振峰线宽δL和右旋偏振光共振峰线宽δR的差。
(6)改变窄线宽激光器发出的激光波长，并重复(3)-(5)，从而得到不同波长下待测手性物质的比旋光度和圆二色谱，如图2(d)和(e)所示。
本实施例最终计算得到波长为790nm下的石英晶体的比旋光度为-11.737±0.086deg.mm-1，圆二色性为0.004±0.0014dm-1，如图2(b)和(c)所示。
实施例3
本实施例提供了另一种测量手性物质比旋光度和圆二色谱的方法，待测物质为蔗糖溶液，本方法与实施例2其他部分一致，区别为：测量时将蔗糖溶液放入T型管，T型管两侧设有单面镀膜的窗口片，其靠空气的一侧镀有宽带增透膜，蔗糖溶液的比旋光度和圆二色谱的计算公式分别为：
式中，α为比旋光度，Δε为圆二色性，(νR-νL)为左旋和右旋偏振光共振峰的频率差，(δL-δR)为左旋偏振光共振峰线宽δL和右旋偏振光共振峰线宽δR的差，FSR为环形腔的自由光谱范围，l为待测手性物质的长度，M为待测手性物质的浓度。
本实施例拟合得到的腔透射谱如图3(a)所示，比旋光度和圆二色谱的分别如图3(b)和(c)所示，改变窄线宽激光的波长，得到的不同波长下物质的比旋光度和圆二色谱如图3(d)和(e)所示。
本实施例最终计算得到的波长为790nm下的蔗糖溶液的比旋光度为-32.2±0.16deg.dm-1g-1ml，圆二色性为0.012±0.00025dm-1g-1ml。
实施例4
本实施例提供了一种测量手性物质比旋光度和圆二色谱的方法，待测物质为蛋白质分子或者核酸分子，本方法与实施例3其他部分一致，区别为：测量时将蛋白质分子或者核酸分子溶于溶剂中后放入T型管。该实施示例可以广泛用于食品和药品中蛋白质或者核酸的检测和分析。
本发明工作原理为：入射高品质环形腔的线偏振光可视为由两个振幅相等的圆偏振光(左旋和右旋圆偏振)构成，当其经过手性物质时具有不同的折射率和吸收系数，所以左圆偏振光和右圆偏振光在环形腔内的共振频率和线宽不同，通过拟合左圆偏振光和右圆偏振光的腔透射谱可以计算出待测手性物质的比旋光度和圆二色性。该系统的腔透射谱可表示为：
其中，等式左边的第一项和第二项分别表示的是左圆偏振光和右圆偏振光的的腔透射谱。νL和νR分别表示左旋和右旋偏振光共振峰的频率，δL＝(2κ1+κi+κL)和δR＝(2κ1+κi+κR)分别表示左旋和右旋偏振光共振峰的线宽。
本发明公开的装置通过环形腔增强比旋光度和圆二色性的测量，相比于传统的旋光仪和圆二色谱仪具有更高的精度。该装置可以自动拟合左圆偏振光和右圆偏振光的透射谱，直接计算出待测手性物质的比旋光度和圆二色性。并且本装置测量手性物质时，只需要记录腔透射信号，测量过程中无需进行额外的调制，测量简单快速且误差很小。本发明的装置为简单的蝶形腔，适用范围广泛，不受光源光谱波段的影响，只要有合适的光源，从紫外到红外范围都能测量。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (10)
1.一种测量手性物质比旋光度和圆二色谱的装置，其特征在于：包括沿光传播方向依次设置的窄线宽激光器、单模光纤、1/4波片、半波片、偏振分束器、凸透镜组、环形腔、光电探测器和计算模块，测量时待测手性物质位于环形腔内，激光依次通过单模光纤、1/4波片、半波片、偏振分束器、凸透镜组、环形腔进入光电探测器内，所述计算模块根据光电探测器探测到的光信号拟合得到环形腔的自由光谱范围FSR、左旋和右旋偏振光共振峰的频率差以及线宽，从而计算出待测手性物质的比旋光度和圆二色谱。
2.根据权利要求1所述的测量手性物质比旋光度和圆二色谱的装置，其特征在于：所述计算模块具体包括：
拟合单元，用于对光电探测器接收的光信号的共振峰进行拟合，得到腔透射谱，然后根据腔透射谱得到环形腔的自由光谱范围FSR、左旋和右旋偏振光共振峰的频率差以及线宽；
比旋光度计算单元，用于根据FSR、左旋和右旋偏振光共振峰的频率差以及待测手性物质的长度和浓度，按照下式计算得到该激光波长下待测手性物质的比旋光度：
式中，α为比旋光度，(vR-vL)为左旋偏振光共振峰频率vL和右旋偏振光共振峰频率vR的差，FSR为环形腔的自由光谱范围，l为待测手性物质的长度，M为待测手性物质的浓度；
圆二色谱计算单元，用于根据FSR、左旋和右旋偏振光共振峰的线宽以及待测手性物质的长度和浓度，按照下式计算得到该激光波长下待测手性物质的圆二色谱：
式中，Δε为圆二色谱，(δL-δR)为左旋偏振光共振峰线宽δL和右旋偏振光共振峰线宽δR的差。
3.根据权利要求1所述的测量手性物质比旋光度和圆二色谱的装置，其特征在于：所述1/4波片和半波片安装于旋转架子上，旋转架子主轴角度可调节。
4.根据权利要求1所述的测量手性物质比旋光度和圆二色谱的装置，其特征在于：所述环形腔由第一凹面镜、第二凹面镜、第一平面镜和第二平面镜构成，光从第一凹面腔镜入射进环形腔，光按照第一凹面镜、第二凹面镜、第一平面镜、第二平面镜、第一凹面镜的方向传播，并从第二凹面腔镜输出，光场与环形腔形成共振。
5.根据权利要求1所述的测量手性物质比旋光度和圆二色谱的装置，其特征在于：所述凸透镜组包括按照光传播方向依次设置的第一凸透镜和第二凸透镜。
6.根据权利要求5所述的测量手性物质比旋光度和圆二色谱的装置，其特征在于：所述第一凸透镜焦距为100mm，所述第二凸透镜焦距为150mm。
7.一种测量手性物质比旋光度和圆二色谱的方法，其特征在于：该方法基于权利要求1所述的装置实现，该方法包括：
(1)将待测手性物质放置于环形腔内；
(2)打开窄线宽激光器，调节1/4波片和半波片，通过旋转1/4波片和半波片的角度，使得光束经过偏振分束器获得最大光强；
(3)扫描窄线宽激光的频率，使得环形腔有稳定的腔模式输出；
(4)光电探测器接收环形腔输出的光信号；
(5)计算模块对光电探测器接收的光信号进行拟合，得到腔透射谱，然后根据腔透射谱得到环形腔的自由光谱范围FSR、左旋和右旋偏振光共振峰的频率差以及线宽，从而计算出待测手性物质的比旋光度和圆二色谱。
8.根据权利要求7所述的测量手性物质比旋光度和圆二色谱的方法，其特征在于：改变窄线宽激光器发出的激光波长，并重复(3)-(5)，从而得到不同波长下待测手性物质的比旋光度和圆二色谱。
9.根据权利要求7所述的测量手性物质比旋光度和圆二色谱的方法，其特征在于：步骤(1)具体包括：
(1-1)若待测手性物质为晶体，则将其插入环形腔的第一凹面腔镜和第二凹面镜之间，待测手性物质两侧镀增透膜；
(1-2)若待测手性物质为溶液，则溶液置于T型管中，并将T型管插入第一凹面腔镜和第二凹面镜之间，T型管两侧设有单面镀膜的窗口片，靠空气的一侧镀有宽带增透膜。
10.根据权利要求7所述的测量手性物质比旋光度和圆二色谱的方法，其特征在于：步骤(5)具体包括：
(5-1)计算模块对光电探测器接收的光信号的共振峰进行拟合，得到腔透射谱，然后根据腔透射谱得到环形腔的自由光谱范围FSR、左旋和右旋偏振光共振峰的频率差以及线宽；
(5-2)根据FSR、左旋和右旋偏振光共振峰的频率差以及待测手性物质的长度和浓度，按照下式计算得到该激光波长下待测手性物质的比旋光度：
式中，α为比旋光度，(vR-vL)为左旋偏振光共振峰频率vL和右旋偏振光共振峰频率νR的差，FSR为环形腔的自由光谱范围，l为待测手性物质的长度，M为待测手性物质的浓度；
(5-3)根据FSR、左旋和右旋偏振光共振峰的线宽以及待测手性物质的长度和浓度，按照下式计算得到该激光波长下待测手性物质的圆二色谱：
式中，νε为圆二色谱，(δL-δR)为左旋偏振光共振峰线宽δL和右旋偏振光共振峰线宽δR的差。
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| CN116698759A (zh) * | 2023-08-03 | 2023-09-05 | 江西师范大学 | 基于圆偏振相关光学差分的物体手性识别方法及装置 |
| CN117330514A (zh) * | 2023-09-28 | 2024-01-02 | 成都信息工程大学 | 基于弱值放大药物手性多功能检测装置及方法 |
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2022
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| CN117330514B (zh) * | 2023-09-28 | 2024-05-03 | 成都信息工程大学 | 基于弱值放大药物手性多功能检测装置及方法 |
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