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糖是具有旋光活性的化合物，旋光分析（简称旋光法）是利用直线偏振光，通过含有光学活性化合物的液体或溶液时引起旋光现象，使通过的偏振光平面向左或向右旋转，因此，在一定条件下，检测偏振光旋转的方向和度数，可以区别某些化合物的旋光性，或检测化合物的杂质、纯度和含量。用于测量旋光度的仪器，也就称为旋光仪或偏振仪。旋光仪多用于糖类的含量测定，故也有称作糖量计。严格的区别是旋光仪的读数，多以旋光度表示；而糖量计的读数，则以国际糖度表示。 糖厂生产过程的中间产品(在制品)及部分深颜色成品，用旋光法测定其转光度（糖度）时，均需使用醋酸铅作澄清剂进行样品处理。由于铅对人体健康和环境的影响，引起了各国环境卫生组织的极大关注，国际上已禁止使用铅试剂。研究铅澄清的替代方法已为当务之急。为解决这一难题，人们对几种替代的方法作了评估，发现近红外旋光法更具有实用性，并做了广泛的研究。应用近红外技术，因其工作波长远远超过糖色素的吸光范围，因此可避免使用有毒的铅试剂除色预处理，直接进行测试。国际糖品统一分析方法委员会（icumsa）第22届会议（1998年）和国际甘蔗糖学会（issct）第23届会议（1999年），均决定和公布“近红外旋光法”成为一种新的法定方法。法定分析方法更替的关键在近红外旋光仪。“近红外旋光仪”的研制，是基于对人体健康和环境的保护、与国际标准的接轨、国家的经济利益和需要。本项目目的是研制出带有近红外波长，能直接测量深色糖液旋光度的近红外旋光仪。 |
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物质的旋光度大小与下列因素有关：一是物质的旋光度与温度有关。有的物质随着温度升高旋光度增加，如石英等，有的物质随着温度升高而旋光度减少，如蔗糖等，因此在测试时，必须准确掌握温度，然后进行修正。二是物质的旋光度与平面偏振光的波长λ有关，波长不同，旋光度也不一样。三是物质的旋光度与旋光物质有关，不同的旋光物质有不同的旋光度。 旋光质的旋光度α（即旋光质将光波振动平面旋转的角度）与旋光质溶液体积百分比浓度c及偏振光所通过的溶液厚度1成正比。即： α = kc1 或 (α /cl) = k 当旋光质的溶液c为g/100ml,l为mm时，测得的旋光度称为比旋度（用[α]表示）。比旋度与光的波长及测定时的温度等有关。通常规定用黄光（λ=589.4400nm）在20℃时测定，在这些条件下，比旋度用[α]20d 表示。 比旋度的大小表示旋光性的强弱。一定的旋光质，其[α]20d 为一定值。蔗糖的[α]20d =66.536º。 目前旋光法是测定蔗糖分最简便、最快速的一种方法。 国际糖度（ºz）尺是国际通用的。规定量为26.000g(在大气中用黄铜法码称重)的纯蔗糖,在20℃时配成100ml,并在同温下用200mm的观测管,在钠黄光,λ=589.4400nm测得的旋光度为: α 20℃589nm = 34.626º ±0.001º 以此值作为100ºz的基础。即： z20℃589nm = α20℃589nm× 2.88800 在1974年icumsa（国际糖品统一分析方法委员会）第十六届会议上，提出以λ=546.2271nm的198hg(汞的同位素)汞光作为光源，把在规定条件下测得的旋光度作为国际糖度 100ºz的基础。此时 α 20℃546nm = 40.777º ±0.001º 即： z20℃546nm = α20℃546nm × 2.45236 近红外波长880nm的α20℃880nm 根据icumsa22届年会（1998年）规定，石英片的[α]值，在波长546～900nm范围内的公式是： [α] = -0.1963657+（7.262667 / λ2 ）+（ 0.1171867 /λ4）+（0.0019554 /λ6 ） α:角旋光度 º/mm石英片 λ:波长单位是μm。 由于: [α]589 = -0.1963657 +（7.262667 / 0.5892）+（0.1171867 / 0.5894）+（0.0019554 / 0.5896） =21.75879061 [α]880 = -0.1963657 +（7.262667 / 0.8802）+（0.1171867 / 0.8804）+（0.0019554 / 0.8806） =9.38169937 （[α]589/[α]880）=（21.75879061/9.38169937） 所以:在近红外波长λ=880nm时 z20℃546nm = α20℃880nm × 6.83527 在规定条件下,国际糖度100ºz时 [α]20℃880nm =14.930º 如图一,近红外波长880nm,远远超出了糖色素的吸光范围。
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2.1结构与原理 本旋光仪主要由光源(卤素钨灯)、聚光镜，起偏器、法拉第磁光调制器、样品室、检偏器、干涉滤光片(589nm和880nm)、光阑和光电倍增管及讯号电路组成。 卤素钨灯发出的光，经聚光镜、小孔光阑、场镜、起偏器、法拉第磁光调制器、准直镜，形成一束推动平面随法拉第线圈中交变电压而变化的准直的平面偏振光，经过装有待测溶液的观测管后射入检偏器，再经过接受物镜、干涉滤光片（根据待测样液的需要，选择589nm或 880nm）、小孔光阑进入光电倍增管，光电倍增管将光强信号转换成电信号，并经前置放大器放大。
本自动数字显示旋光仪的测量原理是基于光学零位原理，即自然光依次经过起偏和检偏器的通光方向正交时作为零位，检偏器偏离正交位置的角度α与入射检偏器的光强i之间的关系按马吕斯定律为: i=kψs2α。 起偏器和检偏器是同样的偏振器，起偏器在试样室前，将光源射来的平行自然光形成偏振光(偏振光的振动方向与传播方向构成的平面称为偏振面)，检偏器在试样室后，当二块偏振器的偏振面相一致时，通过的偏振光最强，亮度最亮，当二块偏振器的偏振面垂直时，(正交90º)检偏器对第一块起偏器形成的偏振光几乎完全被消除掉，如图三。
aaˊ为起偏镜的偏振面，bbˊ为检偏器的偏振面，从检偏器后观察可知，两个偏振面相互垂直时，通过的光亮度最小(接近全黑)。当向左或向右转动起偏器，使之离开与检偏器的偏振面垂直位置，亮度都会增大，在90º范围内，偏离垂直位置的角度越大，亮度也越大，偏离的角度相等，亮度也相等，如图3中a1a1ˊ与a2a2ˊ。 本仪器于装校中已把起偏器和检偏器的偏振面放置在垂直的位置上，即平衡位置（也即上述所提的零位光学原理），不管什么原因，使起偏器和检偏器的偏振面不是垂直位置，电气控制部分自动的使电机带动蜗轮使检偏器恢复到原来相互垂直的平衡位置上。此时如显示部分不是全零，可通过置零按扭使电路全部置零，作为测试前的准备工作。 在放入不同(有旋光性)试样后，试样会使起偏器形成的偏振光的偏振面旋转不同的角度，经过检偏器变成不同的亮度，但直接测量亮度的精度不高，误差大，而且还无法判断左旋或右旋，为此还必须用法拉第调制器对偏振光进行调制。法拉第线圈两端通过电容接在电源 220v／50hz的交流电器，在线圈的轴孔里放有磁旋玻璃棒，随着通电线圈磁场的变化，通过玻璃棒的偏振光的偏振面也随着变化，50hz交流电每秒变化正负50次，偏振面也相应左右摆动50次，摆动的最大位置为±0.5º，在平衡位置时，如图四，每摆动一次先从aaˊ位置摆动到a1a1ˊ，再摆动到aaˊ，又摆动到a2a2ˊ位置，最后再回到aaˊ位置。从检偏器后观察，在亮度变化上，在位置aaˊ最暗，在a1a1ˊ与a2a2ˊ时最亮，出现亮暗二次变化即每秒变化l00次。即法拉第线圈两端加以频度为f的正强交变电压μ=usin2πft时，按照法拉第磁光效应，通过平面偏振光振动平面将迭加一个附加转动。α=β·sin2πft。也就是亮度变化频率为100hz，l00hz就是平衡信号。 若放进一个旋光度+10º的试样，试样使偏振面从a0a0ˊ到aaˊ,旋转+10º如图五。这时法拉第调制器调制偏振面由aaˊ，摆动到 a1a1ˊ,再摆到a2a2ˊ回到aaˊ，从检偏镜观察，它的亮度变化在a2a2ˊ时较暗，在a1a1ˊ时较亮，即偏振面每摆动一次，也就是每秒钟亮度变化一次，也即亮度变化频率是50hz，50hz是电机的动作信号，伺服电机带动检偏器旋转，使偏振面回到a0a0ˊ位置，这时亮度每秒摆动100次，即100hz平衡信号，电机停止转动，这时转过的角度从显示器上显示+10º，因此有了调制器，大大提高测试精度。
若有一个右旋10º和一个左旋10º的物质分别放入试样室，它们使偏振面旋转+10º和-10º，如图六。
如果调制器使偏振面的摆动都是从aaˊ到a1a1ˊ再到a2a2ˊ，它们在同一时间里亮度的变化正好是相反的，即相位差是180º，一种是和电源同相的，一种是和电源反相的，这两种正反相亮度变化信号，控制了电机的正反转，从而指示出左旋或右旋光度。 由前面的图一可知近红外光远远超出糖色素的吸光范围，要避免使用有毒的铅试剂作为深颜色糖液的除色剂，直接测量深颜色糖液的旋光度，就必须应用近红外旋光仪。现有国产自动旋光仪仅有 589nm波长或546nm的可见光工作波长。本研究项目就是在可见光工作波长(589nm)的基础上增加一个近红外光(880 nm)的工作波长。看似简单，实际上多了一个近红外工作波长，近红外是不可见光区，由此，从光源、光学器件、检偏器等及光电信号转换系统——光电倍增管、模数转换系统等，原理虽一样，但性能和配件材料差异较大。 为选择合适的近红外光源，对激光器、近红外半导体发射二极管，及各种特种光源等做了大量比较实验，并参考“近红外傅立叶分光仪”，及图七，某些连续光源的典型功率输出，确定以卤素钨灯加干涉滤光片(一片为589nm波长，一片为880nm波长)作为钠光589nm工作波长和近红外光880nm工作波长。
2.2.2 法拉第磁光调制器 根据法拉第磁光效应 ψ = ρlh 式中：ρ——物质特有的并决定于波长及温度的费尔德常数； l——物质中的光程度； h——磁场强度。 在本仪器中所采用的法拉第磁光调制器中光程长l是一定值，磁旋玻璃的t％扫描谱图，如图八，②、③及④，从550nm～900nm有良好均衡的透光性，适合于可见光及近红外区作法拉第磁光调制。
2.2.3 起、检偏器 起、检偏器即偏振器，是整台仪器中最为重要的光学器件，现有流行的自动旋光仪(尤其是国产的)的偏振器，多数是采用聚乙烯醇薄膜。聚乙烯醇类的偏振器，在可见光区，起、检偏器处于0º状态时，其偏振光透过率t％约15％～20％，90º状态时仍有约4％的透过率，在840～900nm处0º与90º状态的透过率几乎相等，即不起偏，故不适合作近红外波段旋光仪的起、检偏器。
经实验筛选，尼科尔棱镜作起、检偏器，在正交状态90°时，于可见光及近红外光区，几近完全屏蔽，0º状态时，于可见光及近红外光区，均能起偏，尼科尔棱镜的起、检偏器其光学性能优于聚乙烯醇材料的起、检偏器。由此选择尼科尔棱镜作为本研究项目的起、检偏器。以提高样机的检测精度。 本仪器光电信号转换器件、最关键是光电倍增管。国产自动旋光仪具有钠光工作波长，其选用的光电倍增管多为gdb一142型，光谱响应曲线是r35b，截止波长是700nm，无法用于近红外光区工作。经反复试验筛选出性能、价格较为合适的光电倍增管，其波长适应范围为450～900nm，光谱响应曲线较为合适。加上对电路的改造，使样机的测量精度和准确度均优于研究项目技术指标要求。 在模数转换系统中，以单板机作为计数控制，实现589nm和880nm测量时的计数转换。并为今后仪器的人机界面的改造和完善提供了必要的软、硬件支持。
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3.1 旋光仪的校正 3.1.1 旋光标准石英管：采用经中国计量科学研究院测试、校准的旋光标准石英管（证书编号：cdtd2000-0064）来校准近红外旋光仪。 旋光标准石英管：λvac=589.44nm；测试温度：20℃； 编号616：旋光度：17.324°；糖度：50.03ºz 编号615：旋光度：34.665°；糖度：100.11ºz 3.1.2 将旋光标准石英管置放于近红外旋光仪的测试室中。根据测试室温度，由标准石英管的温度校正公式，求出在该温度下，标准石英管应有的数值，使近红外旋光仪在波长为589nm和880nm时的显示读数与标准管在该温度下应有的数值一致。如不一致，可通过调节干涉滤光片使其一致。 3.1.3 在一定的温度条件下校准近红外旋光仪。 测试温度16.5℃，湿度55％，读数为糖度单位ºz 。
3.2 室内试验比较 3.2.1 仪器：岛律uv一260紫外—可见分光光度计。（用于检测透光率t％值） 3.2.2 样品：取最终糖蜜任意量稀释作为样品。用快速滤纸过滤。 3.2.3 观测管：观察管长度100mm。用观测管装样液，直接用于观测透光率t％值和转光度。 3.2.4 波长：工作波长取880nm的近红外波长，观测透光率tk及转光度： 试验结果如下表：
在t%=0.24～0.08之间稀释过量，无法细分，但本近红外旋光仪，在880nm工作波长测量样品的透光率t%值定为≥0.50％是留有余地的。 所采用的最终糖蜜色值，按常规方法分析，波长在560nm、比色皿长度1.0cm，a560nm=0.893，观测锤度(bx)1.67，样品温度是14℃，经计算更正锤度(bx)1.43；浓度为：1.43×1.00278/100=0.01434g/ml以国际色值单位表示： 色值560
= 0.893×1000 / 0.01434 ＝ 62273（iu） 3.3.1 近红外旋光仪开机后，测量样品前均以旋光标准石英管校正。 3.3.2 在甘蔗糖厂生产过程中，取混合汁和澄清汁样，在炼糖期取回溶糖浆。 分别采用加铅盐澄清过滤，用波长589nm测转光度；不加铅盐澄清，只用滤纸过滤，用波长880nm测转光度，观测管均为100mm。
3.4 结论 本项目经过对光源、起、检偏器、法拉第磁光调制器及光电转换系统的试验筛选,应用cpu作为模数转换及电路优化,将近红外新技术应用于旋光检测,研制出光、机、电一体化的，带有可见光（589nm）和近红外光（880nm）的双波长的近红外旋光仪，填补了国内近红外旋光仪的空白。本近红外旋光仪在880nm波长处，精度0.05ºz的前提下，可测样品的透光率t％达到0.25％；在589nm波长处精度达到0.02ºz的前提下，可测样品的透光率t%达到0.01％。本近红外旋光仪于二零零三年一月已取得国家专利（专利号：01255794.3），并已通过由国家轻工业局组织的专家组鉴定，达到国内领先水平。解决了深颜色糖液无需使用铅试剂作为澄清剂而直接测量的难题，可避免受铅的毒害及污染，有利于人体健康及环境保护。近红外旋光仪在甘蔗糖厂的实际应用将另文介绍。
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