Способ определения оптической активности вещества

 

Изобретение касается способов измерения оптической активности вещества в проходящем свете и может применяться в химических, биохимических, физических и других исследованиях, в частности в сахариметрии. Сущность изобретения заключается в том, что в способе определения оптической активности вещества, включающем пропускание р-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 р- и s-составляющих при данном угле падения света, А_о - азимут анализатора при "полном гашении" луча до установки образца, А - азимут анализатора при "полном гашении" луча после установки образца, стандартную структуру выбирают волноведущей, светом, прошедшим через образец, возбуждают в структуре р-поляризованные поверхностные электромагнитные волны и компенсируют фазовый сдвиг, возникающий между р- и s-составляющими отраженного луча в результате взаимодействия света со структурой. Технический результат заключается в повышении чувствительности и точности измерений. 2 ил.

Изобретение касается способов измерения оптической активности веществ в проходящем свете и может применяться в химических, биохимических, физических и других исследованиях, в частности в сахариметрии.

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.

Известен способ определения оптической активности вещества, в котором исследуемый объект помещают между двумя скрещенными поляризаторами [2]. Основной недостаток способа - недостаточно высокая точность измерений.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

Таким образом, по сравнению с прототипом заявляемый способ позволяет повысить чувствительность и точность измерений не менее чем на порядок.

Источники информации 1. Бужинский А.Н., Лейкин М.В. Оптико-механическая промышленность, 1971, N 11, c.55-63.

2. Волкова Е.А. Поляризационные измерения.- М.: Изд-во стандартов, 1974, c.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).

4. Никитин А.К., Тищенко А.А. Поверхностные электромагнитные волны и их применения.- Зарубежная радиоэлектроника, 1983, N 3, с.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.

6. Основы эллипсометрии/Под ред. А.В.Ржанова.- Новосибирск, 1979. - 422 с.

7. Золотарев В. М. , Морозов В.Н., Смирнова Е.В. Оптические постоянные природных и технических сред.- Л.: Химия, 1984. -215 с.

Формула изобретения

Способ определения оптической активности вещества, включающий пропускание луча 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,
отличающийся тем, что стандартную структуру выбирают волноведущей, светом, прошедшим через образец, возбуждают в структуре p-поляризованные поверхностные электромагнитные волны и компенсируют фазовый сдвиг, возникающий между p- и s-составляющими отраженного луча в результате взаимодействия света со структурой.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2