5.1　偏振光和旋光性

5.1.1　偏振光和物质的旋光性

我们通常见到的光为自然光，也称普通光。光是一种电磁波，它可在垂直于其前进方向上的任何平面上振动。如果将普通光通过一块特制的尼科尔棱镜，因为此棱镜只允许与其晶轴平行振动的光通过，其他各个方向的光都被挡住，所以普通光通过此棱镜后只在一个平面上振动，形成平面偏振光，简称偏振光，偏振光振动的平面叫偏振面。凡能使偏振光的偏振面旋转的性质称为旋光性。具有旋光性的物质称为旋光性物质或光学活性物质，如乳酸、葡萄糖、甘油醛等；否则，称非旋光性物质，如水、乙醇、丙酮等。平面偏振光的产生见图5-1。

图5-1　平面偏振光的产生

自然界中有许多物质具有使偏振光的偏振面发生改变的这种旋光现象，这样的物质具有旋光性或光学活性。例如，在两个晶轴相互平行的尼科尔棱镜之间放入乙醇、丙酮等物质时，通过第二个尼科尔棱镜观察仍能见到最大强度的光，视场光强不变，说明它们不具有旋光性；但在两个尼科尔棱镜之间放入葡萄糖、果糖、乳糖等物质的溶液时，通过第二个尼科尔棱镜观察，视场光强减弱，只有将第二个尼科尔棱镜向左或向右旋转一定角度后，又能恢复原来最大强度的光，即葡萄糖、果糖或乳糖将偏振光的偏振面旋转了一定的角度，说明它们具有旋光性。光学活性物质旋转偏振见图5-2。

图5-2　光学活性物质旋转偏振

5.1.2　旋光仪

偏振光的偏振面被旋光性物质所旋转的角度称为旋光度，用α表示。测定物质旋光度的仪器称为旋光仪，旋光仪的结构和组成见图5-3。旋光仪主要由1个单色光源、2个尼科尔棱镜、1个盛放样品的盛液管和1个能旋转的刻度盘组成。其中第1个棱镜是固定的，称为起偏镜，第2个棱镜可以旋转，称为检偏镜。

图5-3　旋光仪结构和组成示意

测定时，把两个尼科尔棱镜的晶轴相互平行时作为零点，视野明亮；当加入非旋光性物质时，偏振光通过样品管后仍可完全通过检偏镜，视野明亮，刻度仍为零点；而当加入光学活性物质时，偏振光振动平面发生向左或向右的转动，这时只有向左或向右旋转检偏镜才能使光线完全通过，此时，刻度盘上的读数即为该物质的旋光度，用α表示。如果从面对光线射入的方向观察，能使偏振光的偏振面按顺时针方向旋转的旋光性物质称为右旋体，用符号“＋”或“d”表示；反之，则称为左旋体，用符号“－”或“l”表示。

5.1.3　旋光度和比旋光度

物质的旋光性除了与物质本身的特性有关外，还与测定时所用溶液的浓度、盛液管的长度、测定时的温度、光的波长以及所用溶剂等因素有关。对于某一物质来说，用旋光仪测得的旋光度并不是固定不变的，所以说旋光度不是物质固有的物理常数。因此，为了能比较物质的旋光性能的大小，消除这些不可比因素的影响，通常采用比旋光度[α]来描述物质的旋光性。比旋光度[α]是物质固有的物理常数，可以作为鉴定旋光性物质的重要依据。比旋光度定义为：在一定的温度下，盛液管长度为1dm，待测物质的浓度为1g·mL^－1，光源波长为589nm（即钠光灯的黄线）时所测的旋光度。旋光度与比旋光度之间的关系可用下式表示：

式中，t为测定时的温度（一般是室温）, ℃；λ为光源波长，常用钠光（D）作为光源，波长为589nm；α为实验所测得的旋光度，（°）；c为待测溶液的浓度（液体化合物可用密度），g·mL^－1；l为盛液管长度，dm。

当所测物质为溶液时，所用溶剂不同也会影响物质的旋光度。因此使用非水溶剂时，需注明溶剂的名称，例如，右旋酒石酸在乙醇中，浓度为5%时，其比旋光度为：

[α]＝＋3.79°　（乙醇，5%）

比旋光度和物质的熔点、沸点、密度等一样，是重要的物理常数，有关数据可在文献或手册中查到。通过旋光度的测定，可以计算出物质的比旋光度。利用比旋光度可以进行旋光性物质的定性鉴定及含量和纯度的分析。制糖工业中，常用旋光度来控制糖液的浓度。