CN111896486B - 一种手性物质光学活性测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种手性物质光学活性测量装置，包括窄线宽光源、第一分束器、第一可调波片、第二可调波片、第一反射镜、第二反射镜、液晶盒、第二分束器、第一光电探测器、第二光电探测器和计算模块，第一分束器将窄线宽光源发出的线偏振光分为两束光束，第一可调波片、待测手性物质、第二可调波片和第一反射镜依次位于分出来的第一束光束的光路上，第一反射镜将第一束光束反射至第二分束器，第二反射镜将第二束光束透过液晶盒后反射至第二分束器，第二分束器合束并进行干涉，光电探测器探测接收干涉光，计算模块根据光电探测器探测到的光干涉相位和强度，计算出待测手性物质的旋光度和圆二色谱。本发明装置简单，可快速准确测量手性物质光学活性。

Description

一种手性物质光学活性测量装置及方法

技术领域

本发明涉及光学精密测量领域，尤其涉及一种手性物质光学活性测量装置及方法。

背景技术

自然界中的大多数与生命相关的物质和大有机分子都具有光学手性。这类手性物质对左旋和右旋圆偏振光具有不同的折射率和吸收率。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。目前旋光仪被广泛应用于制药、药检、制糖、食品、香料、味精以及化工、石油等工业生产，科研、教学部门，用于化验分析或过程质量控制。例如在医院临床中测定尿中含糖量及蛋白质，在制糖工业中检验生产过程中糖溶液的浓度等。圆二色谱是用于推断非对称分子的构型和构象的一种旋光光谱，是应用最为广泛的测定蛋白质二级结构的方法。一般的旋光仪需要人眼观察来判别亮度一致的视场，不是很准确而且使用不方便，测量精度很低。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。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。

发明内容

发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供一种可以简单、快速、准确地测量旋光度和圆二色谱的手性物质光学活性测量装置及方法。

技术方案：本发明所述的手性物质光学活性测量装置包括窄线宽光源、第一分束器、第一可调波片、第二可调波片、第一反射镜、第二反射镜、液晶盒、第二分束器、第一光电探测器、第二光电探测器和计算模块，其中，所述第一分束器将窄线宽光源发出的线偏振光分为两束光束，所述第一可调波片、待测手性物质、第二可调波片和第一反射镜依次位于第一分束器分出来的第一束光束的光路上，所述第一反射镜将接收到的第一束光束反射至第二分束器，所述第二反射镜将第一分束器分出来的第二束光束透过液晶盒后反射至第二分束器，所述第二分束器将接收的两束光合束并进行干涉，所述第一光电探测器和第二光电探测器探测接收第二分束器输出的干涉光，所述计算模块根据第一光电探测器和第二光电探测器探测到的光干涉相位和强度，计算出待测手性物质的旋光度和圆二色谱。

进一步的，所述液晶盒内侧设有并列的第一玻璃片和第二玻璃片，第一玻璃片和第二玻璃片上都镀有氧化铟锡导电层和聚酰亚胺取向层，液晶盒内灌有向列相液晶分子。

进一步的，所述第一可调波片和所述第二可调波片具体为可调1/4波片。

本发明所述的测量方法包括：

(1)将待测手性物质放置于第一可调波片和第二可调波片之间；

(2)调节第一可调波片，先使第一可调波片快轴与窄线宽光源发出的线偏振光方向一致，再逆时针将第一可调波片旋转45度，使得线偏振光经过第一可调波片后变成左旋圆偏振光；将第二可调波片调节为与第一可调波片的快轴正交放置，使得左旋圆偏振光经过第二可调波片后还原；

(3)对液晶盒的交流电压信号进行连续电压强度调制，从而连续改变测量装置两臂的相位差达到4π以上；

(4)第一光电探测器和第二光电探测器探测接收经第二分束器干涉后的光信号，并作为第一干涉光信号进行存储；

(5)将第一可调波片顺时针旋转90度，使得线偏振光经过第一可调波片后变成右旋圆偏振光；将第二可调波片再次调节为与第一可调波片的快轴正交放置，使得右旋圆偏振光经过第二可调波片后还原；

(6)第一光电探测器和第二光电探测器探测接收经第二分束器干涉后的光信号，并作为第二干涉光信号进行存储；

(7)计算模块将第一干涉光信号和第二干涉光信号的干涉强度分布进行正弦曲线拟合，得到两条拟合干涉曲线；根据两条拟合干涉曲线的相位差计算得到待测手性物质的旋光度；根据两个拟合曲线的峰-峰值计算待测手性物质的圆二色谱。

进一步的，所述根据两个拟合干涉曲线的相位差计算得到待测手性物质的旋光度，具体包括：

若待测手性物质为晶体，则采用下式计算旋光度：

若待测手性物质为溶液，则采用下式计算旋光度：

式中，α为旋光度，

为两条拟合干涉曲线的相位差，L为待测手性物质的长度，c为待测手性物质摩尔浓度。

进一步的，所述根据两个拟合曲线的峰-峰值计算待测手性物质的圆二色谱，具体包括：

若待测手性物质为晶体，则采用下式计算圆二色谱：

若待测手性物质为溶液，则采用下式计算圆二色谱：

式中，Δε为圆二色谱，ΔI_L、ΔI_R分别为根据第一干涉光信号、第二干涉光信号拟合得到的干涉拟合曲线的峰-峰值，L为待测手性物质的长度，c为待测手性物质摩尔浓度。

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，测量快速准确，精度高，适用广泛，且有望扩展到低浓度手性分子检测，甚至纳米手性材料检测，为未来分子医药和分子生物学服务。

附图说明

图1是本发明提供的手性物质光学活性测量装置的一个实施例的结构图；

图2是拟合干涉曲线图。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供了一种手性物质光学活性测量装置，如图1所示，包括窄线宽光源1、第一分束器2-1、第一可调波片3-1、第二可调波片3-2、第一反射镜5-1、第二反射镜5-2、液晶盒6、第二分束器2-2、第一光电探测器7-1、第二光电探测器7-2和计算模块(图未示)。其中，窄线宽光源1为中心波长780nm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。第一分束器2-1将窄线宽光源1发出的线偏振光分为两束光束，第二分束器2-2将接收的两束光合束并进行干涉，第一分束器2-1和第二分束器2-2都是偏振无关立方分束器，分光比50:50。第一可调波片3-1、待测手性物质4、第二可调波片3-2和第一反射镜5-1依次位于第一分束器2-1分出来的第一束光束的光路上，第一反射镜5-1将接收到的第一束光束反射至第二分束器2-2，第二反射镜5-2将第一分束器2-1分出来的第二束光束透过液晶盒6后反射至第二分束器2-2。第一可调波片3-1和第二可调波片3-2具体为可调1/4波片，第一可调波片3-1将线偏振光变为左旋或右旋圆偏振光，第二可调波片3-2将圆偏振光变回与入射光相同的线偏振光。待测物体4放置在第一可调波片3-1和第二可调波片3-2之间，可以是晶体、溶液、分子薄膜等。液晶盒6内侧设有并列的第一玻璃片6-1和第二玻璃片6-2，第一玻璃片6-1和第二玻璃片6-2上都镀有氧化铟锡导电层和聚酰亚胺取向层，液晶盒6内灌有向列相液晶分子，液晶盒6作为相位可变延迟器使用，盒厚15um，液晶盒6上通过加不同电压的交流电来改变相位，当线偏振入射光的偏振轴对准液晶盒的光轴时，液晶盒只影响入射光束的相位而不改变偏振，随着电压的增大，光束的相位偏移减小。第一光电探测器7-1和第二光电探测器7-2为硅基放大光电探测器，响应范围400-1000nm，用于探测接收第二分束器2-2输出的干涉光。计算模块根据第一光电探测器7-1和第二光电探测器7-2探测到的光干涉相位和强度，计算出待测手性物质的旋光度和圆二色谱。

实施例2

本实施例提供了一种手性物质光学活性测量方法，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)将石英晶体放置于第一可调波片和第二可调波片之间，保证激光垂直石英端面入射，石英晶体的主轴与入射光方向平行。

(2)调节第一可调波片，先使第一可调波片快轴与窄线宽光源发出的线偏振光方向一致，再逆时针将第一可调波片旋转45度，使得线偏振光经过第一可调波片后变成左旋圆偏振光；将第二可调波片调节为与第一可调波片的快轴正交放置，使得左旋圆偏振光经过第二可调波片后还原。

(3)对液晶盒的交流电压信号进行连续电压强度调制，从而连续改变测量装置两臂的相位差达到4π以上。本实施例中，在400Hz交流方波信号的基础上，加上1.5-4.5V的连续电压强度调制，总的调制时间4秒钟，可以连续改变相位大于4π。

(4)第一光电探测器和第二光电探测器探测接收经第二分束器干涉后的光信号，并作为第一干涉光信号进行存储。

(5)将第一可调波片顺时针旋转90度，使得线偏振光经过第一可调波片后变成右旋圆偏振光；将第二可调波片再次调节为与第一可调波片的快轴正交放置，使得右旋圆偏振光经过第二可调波片后还原。其中，本步骤可以和步骤(2)进行更换顺序，不影响本发明效果。最后得到两个干涉光信号即可。

(6)第一光电探测器和第二光电探测器探测接收经第二分束器干涉后的光信号，并作为第二干涉光信号进行存储。

(7)计算模块将第一干涉光信号和第二干涉光信号的干涉强度分布进行正弦曲线拟合，得到两条拟合干涉曲线，如图2所示。

之后根据两条拟合干涉曲线的相位差计算得到待测手性物质的旋光度：

式中，α为旋光度，

为两条拟合干涉曲线的相位差，L为待测手性物质的长度，c为待测手性物质摩尔浓度。

根据两个拟合曲线的峰-峰值计算待测手性物质的圆二色谱：

式中，Δε为圆二色谱，ΔI_L、ΔI_R分别为根据第一干涉光信号、第二干涉光信号拟合得到的干涉拟合曲线的峰-峰值，L为待测手性物质的长度。

本实施例最终计算得到两条干涉曲线的相位差为154.3度，旋光度为12.86度/毫米，圆二色谱Δε＝-0.2132/厘米。

实施例3

本实施例提供了另一种手性物质光学活性测量方法，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石英比色皿，以及旋光度和圆二色谱计算公式分别为：

式中，α为旋光度，

为两条拟合干涉曲线的相位差，L为待测手性物质的长度，c为待测手性物质摩尔浓度，Δε为圆二色谱，ΔI_L、ΔI_R分别为根据第一干涉光信号、第二干涉光信号拟合得到的干涉拟合曲线的峰-峰值。

实施例4

本实施例提供了一种手性物质光学活性测量方法，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石英比色皿.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：设入射光电场矢量为

经过分束器2-1后被分为两束。反射臂的电场矢量为

经过液晶盒后变为

T为液晶盒透过率，

为液晶盒6产生的相位。可以看出，经过液晶盒后相位和强度发生变化，偏振保持不变。透射臂的电场矢量为

经过-1/4波片后，变为左旋圆偏振光，经过待测物体发生相位移动和强度变化，手性物质对于左右旋圆偏振光的折射率和吸收不同，所以左右旋圆偏振光经过待测物体后相位和强度不一致，再经过+1/4波片还原为线偏振光，两臂的光束最终通过偏振无关分束器2-2合束，产生干涉。因此，可通过干涉曲线测出物体旋光度和圆二色谱。

相比于传统的旋光仪用人眼观察视场光强的变化或者偏振光实验仪测量光场强度的变化，可以自动完成不同相位下干涉信号强度的扫描测量和记录，将光强变化信息直接转化为相位的变化，准确率和精度高。通过对液晶盒上的交流方波信号加上连续强度调制以及对该信号进行触发，可以在5秒钟之内完成至少两个周期干涉信号强度的测量，测量快速且误差很小。并且本发明的装置为简单的Mach-Zehnder干涉仪，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。

Claims (6)

1.一种手性物质光学活性测量装置，其特征在于：包括窄线宽光源、第一分束器、第一可调波片、第二可调波片、第一反射镜、第二反射镜、液晶盒、第二分束器、第一光电探测器、第二光电探测器和计算模块，其中，所述第一分束器将窄线宽光源发出的线偏振光分为两束光束，第一可调波片、待测手性物质、第二可调波片和第一反射镜依次位于第一分束器分出来的第一束光束的光路上，所述第一反射镜将接收到的第一束光束反射至第二分束器，所述第二反射镜将第一分束器分出来的第二束光束透过液晶盒后反射至第二分束器，所述第二分束器将接收的两束光合束并进行干涉，所述第一光电探测器和第二光电探测器探测接收第二分束器输出的干涉光，所述计算模块根据第一光电探测器和第二光电探测器探测到的光干涉相位和强度，计算出待测手性物质的旋光度和圆二色谱。

2.根据权利要求1所述的手性物质光学活性测量装置，其特征在于：所述液晶盒内侧设有并列的第一玻璃片和第二玻璃片，第一玻璃片和第二玻璃片上都镀有氧化铟锡导电层和聚酰亚胺取向层，液晶盒内灌有向列相液晶分子。

3.根据权利要求1所述的手性物质光学活性测量装置，其特征在于：所述第一可调波片和所述第二可调波片具体为可调1/4波片。

4.一种基于权利要求1所述装置的测量方法，其特征在于包括：

(1)将待测手性物质放置于第一可调波片和第二可调波片之间；

(2)调节第一可调波片，先使第一可调波片快轴与窄线宽光源发出的线偏振光方向一致，再逆时针将第一可调波片旋转45度，使得线偏振光经过第一可调波片后变成左旋圆偏振光；将第二可调波片调节为与第一可调波片的快轴正交放置，使得左旋圆偏振光经过第二可调波片后还原；

(3)对液晶盒的交流电压信号进行连续电压强度调制，从而连续改变测量装置两臂的相位差达到4π以上；

(4)第一光电探测器和第二光电探测器探测接收经第二分束器干涉后的光信号，并作为第一干涉光信号进行存储；

(5)将第一可调波片顺时针旋转90度，使得线偏振光经过第一可调波片后变成右旋圆偏振光；将第二可调波片再次调节为与第一可调波片的快轴正交放置，使得右旋圆偏振光经过第二可调波片后还原；

(6)第一光电探测器和第二光电探测器探测接收经第二分束器干涉后的光信号，并作为第二干涉光信号进行存储；

(7)计算模块将第一干涉光信号和第二干涉光信号的干涉强度分布进行正弦曲线拟合，得到两条拟合干涉曲线；根据两条拟合干涉曲线的相位差计算得到待测手性物质的旋光度；根据两个拟合曲线的峰-峰值计算待测手性物质的圆二色谱。

5.根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于：所述根据两个拟合干涉曲线的相位差计算得到待测手性物质的旋光度，具体包括：

若待测手性物质为晶体，则采用下式计算旋光度：

若待测手性物质为溶液，则采用下式计算旋光度：

式中，α为旋光度，

为两条拟合干涉曲线的相位差，L为待测手性物质的长度，c为待测手性物质摩尔浓度。

6.根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于：所述根据两个拟合曲线的峰-峰值计算待测手性物质的圆二色谱，具体包括：

若待测手性物质为晶体，则采用下式计算圆二色谱：

若待测手性物质为溶液，则采用下式计算圆二色谱：

式中，Δε为圆二色谱，ΔI_L、ΔI_R分别为根据第一干涉光信号、第二干涉光信号拟合得到的干涉拟合曲线的峰-峰值，L为待测手性物质的长度，c为待测手性物质摩尔浓度。

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