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)行精確地測(cè)量有著十分重要的意義。對(duì)折射率測(cè)量方法的研究一直受到科學(xué)工作者的關(guān)注。目前,測(cè)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(shí)驗(yàn),其測(cè)量精度不高。光學(xué)干涉法的測(cè)量精度雖然比幾何光學(xué)法高,但是,其測(cè)量結(jié)果很容易受外界干擾,其測(cè)量的精度(準(zhǔn)確性)一定程度上要依靠光學(xué)平臺(tái)的穩(wěn)定性。

眾所周知,紅外光譜在檢測(cè)中具有快速、簡(jiǎn)單、無(wú)損、環(huán)保等特點(diǎn),它不僅可以用來(lái)鑒定物質(zhì)成分,而且可以測(cè)量物質(zhì)的含量。紅外光譜在測(cè)定物質(zhì)含量時(shí),其峰位、峰面積、半高寬等會(huì)隨物質(zhì)含量的不同而改變,而對(duì)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(cè)量液體折射率。通過(guò)紅外光譜儀獲得所測(cè)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(jì)算關(guān)系式。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)樣品為實(shí)驗(yàn)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(cè)量利用Bruker的70V型紅外光譜儀。首先測(cè)量去離子水紅外光譜,保存所測(cè)數(shù)據(jù)作為背底;再用紅外光譜儀對(duì)不同濃度的蔗糖溶液進(jìn)行測(cè)量,在每次測(cè)量時(shí),儀器會(huì)自動(dòng)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(duì)不同濃度的蔗糖溶液進(jìn)行折射率測(cè)量,每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)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(duì)樣品進(jìn)行測(cè)量后,通過(guò)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(duì)稱伸縮振動(dòng)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(dòng)模式,908cm^-1頻率處的吸收峰為糖類(lèi)Ⅰ型吸收帶,849cm^-1頻率處為糖類(lèi)Ⅱ型吸收帶,732cm^-1頻率附近為糖類(lèi)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(dòng)。這說(shuō)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(duì)峰位進(jìn)行擬合后選取蔗糖的1051cm^-1特征峰為研究對(duì)象。

紅外光譜的強(qiáng)度、頻移、線寬、峰面積等與分子的振動(dòng)能態(tài)、轉(zhuǎn)動(dòng)能態(tài)等特性有密切的聯(lián)系。對(duì)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(diǎn)圖,并進(jìn)行擬合。對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),峰面積隨濃度變化的線性關(guān)系**,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(duì)不同濃度的蔗糖溶液的折射率進(jìn)行測(cè)量,每個(gè)樣品測(cè)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(duì)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(duì)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(cè)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***個(gè)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(duì)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**折射率,X**峰面積。

由此,線性關(guān)系可以設(shè)計(jì)一個(gè)測(cè)量蔗糖溶液濃度的方法:通過(guò)紅外光譜儀測(cè)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(guò)公式計(jì)算出該溶液的折射率。為驗(yàn)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(gè)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(duì)計(jì)算值和測(cè)量值進(jìn)行誤差分析。通過(guò)分析可知,兩個(gè)濃度的樣品通過(guò)該模型方法的計(jì)算值和阿貝折射儀測(cè)量值百分偏差均為0.4%。    

結(jié)論

利用紅外光譜儀對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)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(duì)該12種溶液的折射率進(jìn)行測(cè)量,通過(guò)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(duì)蔗糖濃度為10%到55%的***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,**用剩余的兩組數(shù)據(jù)對(duì)線性方程進(jìn)行驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)兩種濃度溶液的折射率計(jì)算值和測(cè)量值百分偏差為0。4%,這說(shuō)明該線性方程可以用作測(cè)量折射率的理論依據(jù)。