RU2147741C1

RU2147741C1 - Process determining optical activity of substance

Info

Publication number: RU2147741C1
Application number: RU98115598A
Authority: RU
Inventors: А.К. Никитин
Original assignee: Российский Университет Дружбы Народов
Priority date: 1998-08-11
Filing date: 1998-08-11
Publication date: 2000-04-20

Abstract

FIELD: chemical, biochemical, physical and other studies. SUBSTANCE: invention is related to processes measuring optical activity of substance in transmitted light. It refers specifically to saccharimetry. Process determining optical activity of substance includes transmission of p-polarized monochromatic light through sample, interaction of light transmitted through sample with standard reflecting structure, achievement of " total suppression " of beam reflected by structure followed by turn of analyzer and computation of angle α of turn of polarization plane caused by sample by formula

, where r_p, r_s are energy reflection factors of structure for p- and s-components at given angle of light incidence; Ao is azimuth of analyzer under " total suppression " of beam before installation of sample; A is azimuth of analyzer under " total suppression " of beam after installation of sample. Light transmitted through sample excites p-polarized surface electromagnetic waves in structure and compensates for phase shift emerging between p- and s-components of reflected beam as result of interaction of light with structure. EFFECT: enhanced sensitivity and measurement precision. 2 dwg

Description

Изобретение касается способов измерения оптической активности веществ в проходящем свете и может применяться в химических, биохимических, физических и других исследованиях, в частности в сахариметрии. The invention relates to methods for measuring the optical activity of substances in transmitted light and can be used in chemical, biochemical, physical and other studies, in particular in saccharimetry.

Известны способы определения оптической активности вещества, основанные на пропускании через образец линейно-поляризованного света и измерении угла поворота его плоскости поляризации [1]. Общими недостатками известных способов является невысокая точность и ограниченный диапазон измерений. Known methods for determining the optical activity of a substance based on the transmission of linearly polarized light through a sample and measuring the angle of rotation of its plane of polarization [1]. General disadvantages of the known methods is the low accuracy and limited measurement range.

Известен способ определения оптической активности вещества, в котором исследуемый объект помещают между двумя скрещенными поляризаторами [2]. Основной недостаток способа - недостаточно высокая точность измерений. A known method for determining the optical activity of a substance in which the studied object is placed between two crossed polarizers [2]. The main disadvantage of this method is the insufficiently high accuracy of the measurements.

Наиболее близким к заявляемому является способ измерения оптической активности вещества, состоящий в том, что луч p-поляризованного монохроматического света пропускают через образец, прошедший через образец свет направляют на диэлектрическую плоскопараллельную пластинку под углом Брюстера ±0,5-3^o, отраженное пластинкой излучение пропускают через анализатор, поворачивая анализатор, добиваются "полного гашения" луча и рассчитывают угол поворота плоскости поляризации α, обусловленный взаимодействием света с оптически активным веществом, по формуле [3]

где r_p, r_s - энергетические коэффициенты отражения структуры для p- и s-составляющих при данном угле падения света, A_о - азимут анализатора при "полном гашении" луча до установки образца, A - азимут анализатора при "полном гашении" луча после установки образца. Основной недостаток известного способа - невысокие точность и чувствительность измерений.Closest to the claimed is a method of measuring the optical activity of a substance, consisting in the fact that a beam of p-polarized monochromatic light is passed through a sample, the light transmitted through the sample is sent to a dielectric plane-parallel plate at a Brewster angle of ± 0.5-3 ^o , the radiation reflected from the plate is transmitted turning the analyzer through the analyzer, they achieve "complete damping" of the beam and calculate the angle of rotation of the plane of polarization α, due to the interaction of light with an optically active substance m, according to the formula [3]

where r _p , r _s are the energy reflection coefficients of the structure for p- and s-components at a given angle of incidence of light, A _о is the azimuth of the analyzer with the beam “completely damped” before the installation of the sample, A is the azimuth of the analyzer with the “beam completely damped” after sample setup. The main disadvantage of this method is the low accuracy and sensitivity of the measurements.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе определения оптической активности вещества, включающем пропускание p-поляризованного монохроматического света через образец, взаимодействие света, прошедшего через образец, со стандартной отражающей структурой, достижение "полного гашения", отраженного структурой луча, сопровождаемое поворотом анализатора, и расчет угла поворота плоскости поляризации α, обусловленного образцом, по формуле

где r_p, r_s - энергетические коэффициенты отражения структуры для p- и s-составляющих при данном угле падения света, A_о - азимут анализатора при "полном гашении" луча до установки образца, A - азимут анализатора при "полном гашении" луча после установки образца, стандартную структуру выбирают волноведущей, светом, прошедшим через образец, возбуждают в структуре p-поляризованные поверхностные электромагнитные волны (ПЭВ) и компенсируют фазовый сдвиг, возникающий между p- и s-составляющими отраженного луча в результате взаимодействия света со структурой.The essence of the invention lies in the fact that in a method for determining the optical activity of a substance, including transmitting p-polarized monochromatic light through a sample, the interaction of light passing through the sample with a standard reflective structure, achieving "complete damping" reflected by the beam structure, accompanied by rotation of the analyzer, and calculating the angle of rotation of the plane of polarization α, due to the sample, according to the formula

where r _p , r _s are the energy reflection coefficients of the structure for p- and s-components at a given angle of incidence of light, A _о is the azimuth of the analyzer with the beam “completely damped” before the installation of the sample, A is the azimuth of the analyzer with the “beam completely damped” after the sample setup, the standard structure is chosen by the waveguide, the light passing through the sample excites p-polarized surface electromagnetic waves (SEWs) in the structure and compensate for the phase shift arising between the p- and s-components of the reflected beam as a result of the interaction of light with the beam ktury.

Базовой идеей способа-прототипа является повышение точности измерений за счет изменения отношения интенсивностей (а значит, и энергетических коэффициентов отражения) составляющих прошедшего через образец света в результате его отражения от диэлектрической плоскопараллельной пластинки при падении на нее под углом, близким к углу Брюстера. Изменение этого отношения вследствие различия r_s и r_p приводит к пропорциональному α дополнительному повороту плоскости поляризации света, что позволяет существенно уменьшить относительную ошибку определения α, т.е. повысить точность измерений.The basic idea of the prototype method is to increase the accuracy of measurements by changing the intensity ratio (and hence the energy reflection coefficients) of the components of the light transmitted through the sample as a result of reflection from a dielectric plane-parallel plate when incident on it at an angle close to the Brewster angle. A change in this ratio due to the difference between r _s and r _p leads to an additional rotation of the plane of polarization of light proportional to α, which can significantly reduce the relative error in determining α, i.e. improve measurement accuracy.

Повышение чувствительности и точности измерений оптической активности вещества заявляемым способом достигается за счет того, что при возбуждении в стандартной структуре ПЭВ методом нарушенного полного внутреннего отражения (ПВО) интенсивность p-составляющей отраженного излучения значительно уменьшается, в то время как интенсивность s-составляющей остается равной интенсивности соответствующей составляющей падающего излучения (т.е. коэффициент отражения для s-составляющей равен единице) [4,5]. В способе же, взятом в качестве прототипа, отражение света, падающего на стандартную структуру под углом, близким к углу Брюстера, сопровождается уменьшением интенсивностей обеих составляющих света (для p-составляющей это уменьшение больше, для s-составляющей - меньше). Поэтому при любом выбранном значении r_p отношение г_s/r_p в заявляемом способе всегда больше значения этого отношения в способе-прототипе. Следовательно, согласно формуле (1) в заявляемом способе и дополнительный поворот плоскости поляризации (при выбранном значении r_p) всегда больше, чем в способе-прототипе. Этим и объясняется превышение чувствительности и точности измерений (при одинаковом приборном оснащении) заявляемым способом над чувствительностью и точностью измерений способом-прототипом.The increase in the sensitivity and accuracy of measurements of the optical activity of the substance of the claimed method is achieved due to the fact that when the standard structure of the SEW is excited by the method of impaired total internal reflection (IR), the intensity of the p-component of the reflected radiation is significantly reduced, while the intensity of the s-component remains equal to the intensity the corresponding component of the incident radiation (ie, the reflection coefficient for the s-component is equal to unity) [4,5]. In the method, taken as a prototype, the reflection of light incident on the standard structure at an angle close to the Brewster angle is accompanied by a decrease in the intensities of both light components (for the p-component, this decrease is greater, for the s-component - less). Therefore, for any selected value of r _{p, the} ratio r _s / r _p in the claimed method is always greater than the value of this ratio in the prototype method. Therefore, according to the formula (1) in the claimed method, and the additional rotation of the plane of polarization (at the selected value of r _p ) is always greater than in the prototype method. This explains the excess of sensitivity and measurement accuracy (with the same instrumentation) of the claimed method over the sensitivity and measurement accuracy of the prototype method.

На фиг. 1 приведена схема устройства, реализующего заявляемый способ, где цифрами обозначены: 1 - источник p-поляризованного монохроматического света, 2 - контейнер, снабженный на торцах прозрачными окнами для размещения образца, 3 - призма, изготовленная из материала с показателем, превышающeм показатель преломления окружающей среды, 4 - металлическая пленка, направляющая ПЭВ, 5 - регулируемый компенсатор, 6 - анализатор, снабженный лимбом и имеющий ось вращения, совпадающую с направлением отраженного луча, 7 - фотоприемное устройство (ФПУ), 8 - измерительный прибор. In FIG. 1 shows a diagram of a device that implements the claimed method, where the numbers denote: 1 - a source of p-polarized monochromatic light, 2 - a container equipped with transparent windows at the ends to accommodate a sample, 3 - a prism made of a material with an index exceeding the refractive index of the environment 4 - a metal film guiding the SEW, 5 - an adjustable compensator, 6 - an analyzer equipped with a dial and having an axis of rotation coinciding with the direction of the reflected beam, 7 - photodetector (FPU), 8 - meter ny device.

Устройство функционирует и способ осуществляется следующим образом. Монохроматический p-поляризованный свет, излученный источником 1, направляют на входное окно контейнера 2. На первой стадии измерений контейнер 2 не содержит образца. Выходящий из контейнера 2 свет, пройдя через боковую грань призмы 3, падает на ее основание, содержащее пленку 4, под углом, большим критического угла. Экспоненциально затухающее в материале пленки 4 поле падающего света возбуждает на ее внешней поверхности p-поляризованные ПЭВ. В результате частичного преобразования энергии падающего света в энергию поля ПЭВ интенсивность отраженного света меньше интенсивности падающего света. Отраженный свет, пройдя через компенсатор 5 и анализатор 6, падает на ФПУ 7, вырабатывающее электрический сигнал, регистрируемый прибором 8. Вращая анализатор 6, добиваются "полного гашения" отраженного луча. Азимут А_о анализатора 6, находящегося в положении, соответствующем "полному гашению" луча, совпадает с угловым положением плоскости падения света.The device operates and the method is as follows. Monochromatic p-polarized light emitted from the source 1 is directed to the input window of the container 2. At the first measurement stage, the container 2 does not contain a sample. The light emerging from the container 2, passing through the side face of the prism 3, falls on its base, containing the film 4, at an angle greater than the critical angle. The field of incident light exponentially decaying in the film material 4 excites p-polarized SEWs on its outer surface. As a result of the partial conversion of the energy of the incident light into the energy of the SEW field, the intensity of the reflected light is less than the intensity of the incident light. The reflected light, passing through the compensator 5 and the analyzer 6, falls on the FPU 7, which generates an electrical signal recorded by the device 8. By rotating the analyzer 6, they achieve "complete damping" of the reflected beam. The azimuth A _{of the} analyzer 6, located in the position corresponding to the "complete blanking" of the beam, coincides with the angular position of the plane of incidence of light.

Затем в контейнер 2 вставляют образец длиной L. В результате взаимодействия света с образцом плоскость поляризации падающего света поворачивается на угол α, связанный с удельной способностью вещества вращать плоскость поляризации линейно-поляризованного света [α] (иначе, оптической активностью) соотношением
α = [α]•L•C, (2)
где C - концентрация исследуемого вещества в образце.Then a sample of length L is inserted into container 2. As a result of the interaction of light with the sample, the plane of polarization of the incident light is rotated through an angle α associated with the specific ability of the substance to rotate the plane of polarization of linearly polarized light [α] (otherwise, by optical activity) by the ratio
α = [α] • L • C, (2)
where C is the concentration of the test substance in the sample.

В этом случае свет, падающий на пленку 4, имеет не только p-, но и s-составляющую. Однако в результате возбуждения светом ПЭВ уменьшается интенсивность только p-составляющей отраженного излучения. Более того, при взаимодействии света с пленкой 4 между s- и p-составляющими возникает фазовый сдвиг, обуславливающий превращение поляризации световой волны из линейной в эллиптическую. "Погасить" луч света с эллиптической поляризацией только путем вращения анализатора невозможно [6]. Необходимо устранить фазовый сдвиг и, таким образом, сделать свет линейно- поляризованным. Для ликвидации этого сдвига в схему устройства и введен компенсатор 5, который может быть размещен по ходу луча как до, так и после отражающей структуры. Путем поочередного вращения анализатора 6 и смещения компенсатора 5 минимизируют интенсивность падающего на ФПУ 7 света, добиваясь его "полного гашения" (методика гашения света с эллиптической поляризацией хорошо отработана в эллипсометрии и известна как "нулевая" [6]). После прохождения лучом образца плоскость поляризации света, характеризуемого интенсивностью I, поворачивается на угол α (и в примере, и в прототипе) (фиг.2). Этот поворот сопровождается появлением у света s-составляющей с интенсивностью I_s. В результате взаимодействия света с волноведущей отражающей структурой интенсивности его составляющих становятся равными I_p ^* = r_p•I_p и I_s ^* = r_s•I_s. Для волноведущей структуры r_s≈1, а для диэлектрической пластинки (в случае прототипа) г_s<1. Поэтому плоскость поляризации отраженного света в заявляемом способе при условии компенсации фазового сдвига между s- и p-составляющими света поворачивается на больший угол (характеризуемый азимутом А), по сравнению с углом поворота плоскости поляризации света, отраженного пластинкой (в прототипе), характеризуемым азимутом А^Бр. Считывают значение азимута А анализатора 6, соответствующее его ориентации при "полном гашении" отраженного луча, прошедшего через контейнер 2, с образцом. Используя известное значение отношения r_s/r_p для данной отражающей структуры, а также измеренные значения А_о и А, по формуле (1) рассчитывают величину α. Затем по известным значениям α, C и L с помощью формулы (2) определяют оптическую активность [α] исследуемого вещества в образце.In this case, the light incident on the film 4 has not only the p- but also the s-component. However, as a result of excitation by light of electromagnetic radiation, the intensity of only the p-component of the reflected radiation decreases. Moreover, when light interacts with film 4 between the s and p components, a phase shift occurs, which causes the transformation of the polarization of the light wave from linear to elliptical. It is impossible to “suppress” a light beam with elliptical polarization only by rotating the analyzer [6]. It is necessary to eliminate the phase shift and, thus, make the light linearly polarized. To eliminate this shift, a compensator 5 is introduced into the device circuitry, which can be placed along the beam both before and after the reflecting structure. By alternating rotation of the analyzer 6 and the offset of the compensator 5, the intensity of the light incident on the FPU 7 is minimized, achieving its “complete damping” (the damping technique with elliptical polarization is well established in ellipsometry and is known as “zero” [6]). After the beam passes through the sample, the plane of polarization of light, characterized by intensity I, is rotated through an angle α (both in the example and in the prototype) (Fig. 2). This rotation is accompanied by the appearance in the light of the s-component with intensity I _s . As a result of the interaction of light with a waveguide reflecting structure, the intensities of its components become equal to I _p ^* = r _p • I _p and I _s ^* = r _s • I _s . For the waveguide structure r _s ≈ 1, and for the dielectric plate (in the case of the prototype) g _s <1. Therefore, the plane of polarization of the reflected light in the claimed method, subject to compensation for the phase shift between the s- and p-components of the light, is rotated by a larger angle (characterized by the azimuth A), compared with the angle of rotation of the plane of polarization of the light reflected by the plate (in the prototype), characterized by the azimuth A ^Br Read the azimuth value A of the analyzer 6, corresponding to its orientation with the "complete extinction" of the reflected beam passing through the container 2, with the sample. Using the known value of the ratio r _s / r _p for a given reflective structure, as well as the measured values of A _about and A, α is calculated by the formula (1). Then, according to the known values of α, C and L, the optical activity [α] of the test substance in the sample is determined using formula (2).

Отметим, что в заявляемом способе можно использовать не только p-поляризованное, но и любое другое линейно-поляризованное излучение. Однако точность и чувствительность способа при этом понижаются, причем это понижение пропорционально величине угла между плоскостью поляризации падающего на образец света и плоскостью его падения. Это утверждение справедливо и для способа-прототипа. Note that in the inventive method, you can use not only p-polarized, but also any other linearly polarized radiation. However, the accuracy and sensitivity of the method are reduced, and this decrease is proportional to the angle between the plane of polarization of the light incident on the sample and the plane of its incidence. This statement is true for the prototype method.

В качестве примера реализации способа рассмотрим его применение для определения оптической активности 0,1%-ного свежеприготовленного водного раствора пищевого сахара (образец выбран таким же, как в прототипе). Стандартную волноведущую отражающую структуру выберем состоящей из стеклянной треугольной призмы с показателем преломления, равным 1,50, нанесенной на основание призмы золотой пленки толщиной 53,0 нм с показателем преломления и показателем поглощения, равными соответственно 0,14 и 3,30 [7], и окружающей среды - воздуха. Источник света - He-Ne лазер, генерирующий на длине волны 0,6328 мкм. Угол падения луча на основание призмы выберем обеспечивающим возбуждение ПЭВ и равным 44^o30', при этом величина r_p для структуры равна 4•10^-3 (значение r_p выбрано равным значению r_p в примере прототипа). Тогда для волноведущей структуры отношение r_s/r_p ≈ 1/0,004 = 250, а для кварцевой пластинки в прототипе r_s/r_p ≈ 0,1/0,004 = 25. Поэтому для рассматриваемого образца А≈10•А^Бр, обеспечивая соответствующее повышение чувствительности и точности измерений (при одинаковом приборном оснащении).As an example of the implementation of the method, we consider its use for determining the optical activity of a 0.1% freshly prepared aqueous solution of edible sugar (the sample is selected to be the same as in the prototype). A standard waveguide reflecting structure is chosen consisting of a glass triangular prism with a refractive index of 1.50 deposited on the base of the prism of a gold film 53.0 nm thick with a refractive index and absorption coefficient of 0.14 and 3.30, respectively [7], and the environment - air. The light source is a He-Ne laser, generating at a wavelength of 0.6328 microns. The angle of incidence of the beam on the base of the prism is chosen to ensure the SEW excitation and equal to 44 ^o 30 ', while the value of r _p for the structure is 4 • 10 ^-3 (the value of r _{p is} chosen equal to the value of r _p in the example of the prototype). Then, for the waveguide structure, the ratio r _s / r _p ≈ 1 / 0.004 = 250, and for the quartz plate in the prototype r _s / r _p ≈ 0.1 / 0.004 = 25. Therefore, for the sample under consideration, A≈10 • A ^Br , providing the corresponding increasing the sensitivity and accuracy of measurements (with the same instrumentation).

Таким образом, по сравнению с прототипом заявляемый способ позволяет повысить чувствительность и точность измерений не менее чем на порядок. Thus, in comparison with the prototype of the inventive method allows to increase the sensitivity and accuracy of measurements by at least an order of magnitude.

Источники информации
1. Бужинский А.Н., Лейкин М.В. Оптико-механическая промышленность, 1971, N 11, c.55-63.Sources of information
1. Buzhinsky A.N., Leikin M.V. Optical-mechanical industry, 1971, N 11, p. 55-63.

2. Волкова Е.А. Поляризационные измерения.- М.: Изд-во стандартов, 1974, c.76-108. 2. Volkova EA Polarization Measurements.- M.: Publishing House of Standards, 1974, p. 76-108.

3. Хасанов Т., Свиташев К.К. Способ измерения оптической активности. А. c. СССР N 868493. Бюл. N 36 от 30.09.1981 г. (прототип). 3. Khasanov T., Svitashev K.K. A method of measuring optical activity. A. c. USSR N 868493. Bull. N 36 from 09/30/1981 (prototype).

4. Никитин А.К., Тищенко А.А. Поверхностные электромагнитные волны и их применения.- Зарубежная радиоэлектроника, 1983, N 3, с.38-56. 4. Nikitin A.K., Tishchenko A.A. Surface electromagnetic waves and their applications. - Foreign Radio Electronics, 1983, N 3, p. 38-56.

5. Поверхностные поляритоны. Электромагнитные волны на поверхностях и границах раздела сред/Под ред. В.М.Аграновича и Д.Л.Миллса.- М., 1985.- 525 с. 5. Surface polaritons. Electromagnetic waves on surfaces and interfaces / Ed. V.M.Agranovich and D.L. Mills.- M., 1985.- 525 p.

6. Основы эллипсометрии/Под ред. А.В.Ржанова.- Новосибирск, 1979. - 422 с. 6. Fundamentals of ellipsometry / Ed. A.V. Rzhanova, Novosibirsk, 1979.- 422 p.

7. Золотарев В. М. , Морозов В.Н., Смирнова Е.В. Оптические постоянные природных и технических сред.- Л.: Химия, 1984. -215 с. 7. Zolotarev V. M., Morozov V. N., Smirnova E. V. Optical constants of natural and technical media.- L .: Chemistry, 1984. -215 p.

Claims

A method for determining the optical activity of a substance, including transmitting a beam of p-polarized monochromatic light through a sample, interacting the light transmitted through the sample with a standard reflective structure, achieving “complete damping” of the reflected beam structure, accompanied by rotation of the analyzer, and calculating the angle of rotation of the polarization plane α, due to the sample, according to the formula

where r _p , r _s are the energy reflection coefficients of the structure for p and s components at a given angle of incidence of light;
A _about - the azimuth of the analyzer with the "complete extinction" of the beam before installing the sample;
A - azimuth of the analyzer with the "complete extinction" of the beam after installation of the sample,
characterized in that the standard structure is chosen by the waveguide, the light passing through the sample excites p-polarized surface electromagnetic waves in the structure and compensates for the phase shift arising between the p- and s-components of the reflected beam as a result of the interaction of light with the structure.