液體折射率是重要的光學(xué)參數(shù),在物理、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域?qū)ζ溥M(jìn)行**地測量有著十分重要的意義。對折射率測量方法的研究一直受到科學(xué)工作者的關(guān)注。目前,測量液體折射率的方法主要有幾何光學(xué)法和光學(xué)干涉法兩種。幾何光學(xué)法有掠入射法和全反射法,光學(xué)干涉法有牛頓環(huán)法、邁克爾遜干涉法等。幾何光學(xué)法主要用于學(xué)生實驗,其測量精度不高。光學(xué)干涉法的測量精度雖然比幾何光學(xué)法高,但是,其測量結(jié)果很容易受外界干擾,其測量的精度(準(zhǔn)確性)一定程度上要依靠光學(xué)平臺的穩(wěn)定性。

紅外光譜在檢測中具有快速、簡單、無損、環(huán)保等特點,它不僅可以用來鑒定物質(zhì)成分,而且可以測量物質(zhì)的含量。紅外光譜在測定物質(zhì)含量時,其峰位、峰面積、半高寬等會隨物質(zhì)含量的不同而改變,而對于液體,其折射率與濃度之間有線性關(guān)系,如果能找到紅外光譜與折射率之間的關(guān)系就可以用紅外的方法測量液體折射率。通過紅外光譜儀獲得所測液體的紅外光譜,然后分析光譜與液體折射率的定量關(guān)系,從而得到折射率的計算關(guān)系式。

實驗過程

實驗樣品為實驗室配置的12份純蔗糖溶液,濃度從10%到65%,濃度間隔為5%。紅外光譜測量利用Bruker的70V型紅外光譜儀。首先測量去離子水紅外光譜,保存所測數(shù)據(jù)作為背底;再用紅外光譜儀對不同濃度的蔗糖溶液進(jìn)行測量,在每次測量時,儀器會自動扣除水背底,獲得樣品的紅外光譜;接著重復(fù)以上步驟,得到所有樣品的紅外光譜,后用阿貝折射儀分別對不同濃度的蔗糖溶液進(jìn)行折射率測量,每個樣品重復(fù)測量三次,取平均值。

結(jié)果討論

蔗糖溶液紅外光譜與濃度的關(guān)系

對樣品進(jìn)行測量后,通過處理數(shù)據(jù)獲得不同濃度蔗糖溶液的紅外光譜圖。光譜中2941cm^-1處吸收峰為蔗糖分子CH₂不對稱伸縮振動模式特征峰,1125cm^-1～1037cm^-1頻率范圍內(nèi)為蔗糖分子C-O伸縮振動模式,908cm^-1頻率處的吸收峰為糖類Ⅰ型吸收帶,849cm^-1頻率處為糖類Ⅱ型吸收帶,732cm^-1頻率附近為糖類Ⅲ型吸收帶。從圖1可以看出,這些吸收峰隨濃度的增加,峰位向低波數(shù)移動。這說明紅外光譜可以反映蔗糖濃度的變化。為了分析紅外光譜與濃度的關(guān)系,對峰位進(jìn)行擬合后選取蔗糖的1051cm^-1特征峰為研究對象。

紅外光譜的強度、頻移、線寬、峰面積等與分子的振動能態(tài)、轉(zhuǎn)動能態(tài)等特性有密切的聯(lián)系。對樣品紅外光譜的1051cm^-1特征峰進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合,得到吸收峰的峰值、半高寬和峰面積隨著樣品中蔗糖含量變化的數(shù)據(jù),具體擬合數(shù)據(jù)結(jié)果。

分別作出峰位、半高寬和峰面積隨濃度變化的散點圖,并進(jìn)行擬合。對比分析發(fā)現(xiàn),峰面積隨濃度變化的線性關(guān)系相對好,線性擬合獲得其線性相關(guān)系數(shù)為0.9919。

蔗糖溶液折射率與濃度的關(guān)系

用阿貝折射儀對不同濃度的蔗糖溶液的折射率進(jìn)行測量,每個樣品測量三次,取平均值。為了分析蔗糖溶液濃度與折射率的關(guān)系,做出折射率與蔗糖濃度變化的關(guān)系圖,并對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。由圖3可知,蔗糖溶液的折射率隨濃度線性變化。對蔗糖溶液折射率與蔗糖溶液濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合,得到其線性相關(guān)系數(shù)為0.9958。

蔗糖溶液折射率測量方法

蔗糖溶液折射率隨其濃度變化呈線性關(guān)系,蔗糖溶液紅外峰面積與其濃度也有很好的線性關(guān)系。為分析糖溶液折射率與其紅外光譜之間的關(guān)系,選取濃度為10%到55%的第十個蔗糖溶液樣品的紅外光譜峰面積和折射率數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。分析圖4并對其進(jìn)行線性擬合,可得蔗糖溶液的折射率與其紅外光譜的峰面積具有線性關(guān)系,其線性相關(guān)系數(shù)為0.9958,建立數(shù)學(xué)方程Y=0.0095X+1.3386,其中,Y代表折射率,X代表峰面積。

由此,線性關(guān)系可以設(shè)計一個測量蔗糖溶液濃度的方法:通過紅外光譜儀測量未知溶液折射率的紅外光譜,在獲得其特征峰的峰面積數(shù)值后,就可以通過公式計算出該溶液的折射率。為驗證該線性方程的準(zhǔn)確性及該方法的可行性,將剩余濃度為60%和65%的兩個蔗糖溶液樣品的紅外特征峰峰面積值代入方程中,求得樣品的折射率,對計算值和測量值進(jìn)行誤差分析。通過分析可知,兩個濃度的樣品通過該模型方法的計算值和阿貝折射儀測量值百分偏差均為0.4%。    

結(jié)論

利用紅外光譜儀對樣品進(jìn)行測量,獲得12種不同濃度的蔗糖溶液的紅外光譜數(shù)據(jù),然后用阿貝折射儀對該12種溶液的折射率進(jìn)行測量,通過數(shù)據(jù)處理發(fā)現(xiàn),溶液折射率與紅外光譜特征峰峰面積具有線性關(guān)系,其相關(guān)系數(shù)為0.9958。對蔗糖濃度為10%到55%的第十組數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到溶液折射率與特征峰峰面積的線性方程,*后用剩余的兩組數(shù)據(jù)對線性方程進(jìn)行驗證,發(fā)現(xiàn)兩種濃度溶液的折射率計算值和測量值百分偏差為0。4%,這說明該線性方程可以用作測量折射率的理論依據(jù)。