随着生物学和医学研究的不断深入,需要有更多的现代方法对高分子物质的分子结构和生物液体的组成成分进行分析。由于偏振仪可以同时获取被测物质的组成成分、分子结构和分子间相互作用力大小的信息,其在生物学和医学中的作用越来越大[1~3]。它主要用于实验室条件下生物流体偏振特性的测量,同样可用于检测含有旋光物质生物医学溶液的浓度、旋光介质分子结构的确定。例如,用于糖尿病的医学实验诊断。但由于大多数生物溶液在光的作用下特性不稳定,且偏振仪测量精度较低,测量速度慢,所以在生物医学中的实际应用受到了很大程度的限制。本文将介绍一种双光路偏振检测系统,它和传统的单光路偏振检测系统相比精度可以提高一倍,同时可以降低对光学元件所用材料的透光度的光学零件制造精度和安装精度的要求。
1 测量模型
偏振系统的测量模型如图1所示。检偏器的定位,应使它们的透光轴方向和起偏器的透光轴方向分别成F1,F2的夹角。测量时,将被测液体注入玻璃管内,由于旋光作用使两路偏振光的偏振面发生变化,两光路的输出电信号U1和U2的幅值相应改变。此时输出信号具有以下形式:
(1)
式中K1,K2为信号的总光电转换系数,主要指起偏器、被测液体和检偏器的透光率、光电接收器灵敏度以及电路放大器的放大倍率;θ为被测旋光物质所引起的偏振面方位角改变量。为使后续数据处理简单化,使起偏器和检偏器的放置位置满足以下条件:
并引入参数P:
(3)
把式(1)和(2)代入式(3),得:
测量前,预先调节电路中放大器的放大倍率,使|U1|=|U2|,式(3)可以简化为下列形式:
式中“±”号表示旋光介质引起的偏振面旋转方向,顺时针为正(后面将省略)。进一步简化公式,使F=45°,则:
对式(6)讨论,可以得出如下结论:①双光路偏振系统的测量灵敏度(dP/dθ)是单光路偏振系统(dU/dθ)的2倍;②双光路偏振系统的测量参数P和两光源的强度I1,I2无关,即和被测介质的透光度无关,这对于研究生物液体十分重要;③生物医学溶液引起的旋光角θ一般很小(不大于10°),这时测量参数P≈2θ,P和θ角呈线性关系。由公式(4)可知,通常情况下,测量参数P不仅和旋光角θ相关,和起偏器、检偏器的安装位置F也相关(图2)。当F=45°
时,P(θ)线性度最好,θ有最大的线性动态变化范围。图3表明系统灵敏度随着F角的增大而提高,且θ有不同值时,在曲线的顶点处对应有不同的F优化值F优使测量误差最小。图4是系统灵敏度和θ的关系曲线。当θ很小时用增大F值的方法可以减小测量误差。然而,F值的增加会使接收信号强度减弱,信号信噪比降低,这就要求系统偏振元器件的偏振度要很高。当F很大时,P(θ)是非线性的,测量的不等精度性使数据处理复杂化,测量范围减小。
2 精度分析
测量误差的方程式如下:
它主要取决于两个因素:由于光源光强和被测生物液体的光学特性不稳定,电路噪声而引起的接收信号幅值变化δU和检偏器安装位置误差δF。
实验表明:①当F=45°和θ<10°时,若系统能保证信号的相对变动量(δU/ U)不大于1%,它传递给θ的误差δθ≤0.1°;②当F=45°和dF=0.5°时,引起的系统误差δθ≤0.2°,而且它随着θ值的减小而降低,随着F值的增加而增大。例如:若F=80°,则δθ=1°。所以尽管F取值的增加会使系统灵敏度得到提高,但系统对光学零件的安装精度要求也相应急剧增加;③当F=45°时,只要检偏片的安装偏差δF不大于0.05°,系统基本上能消除它对测量精度的影响。此时,系统测量误差几乎全部取决于接收信号的偏差(δU/ U)。
综上所述,采用双光路并引入参数P、取F=45°的偏振测量系统具有以下优点:
①灵敏度比单光路系统的偏振仪提高了1倍;
②P参数的引入可以消除或至少可以减小旋光物质透光度对旋光特性测量的影响;
③在生物学和医学测量测量范围内,P(θ)函数和θ角具有线性关系,这大大简化了后续电路;
④相对减小了对系统偏振元件偏振精度和安装精度的要求。
3 实验结果
实验系统总体结构如图5所示。光源的发光范围λ=0.65μm~0.68μm,但光谱分析发现在红外区λ=0.89μm处存在漏光,因此光经准直透镜后必须通过滤光片滤除杂光影响。起偏器和检偏器采用二向色性偏振片,使光路很简单。两个检偏片的透光轴和起偏片的透光轴之间的夹角分别为±
45°。实验时对光源进行调制以减少噪声影响。由于光电接收器对不同偏振方位角的偏振光敏感度不同,所以放置消偏振片10,11消除它造成的测量误差。测量数据的采集处理由计算机完成,软件包还可以完成测量数据的监测分析,测量数据置信区域的评估,系统的调试检测以及电路器件初始数值预置。
利用该系统进行了葡萄糖溶液浓度检测。葡萄糖浓度的检测误差为:
式中[α]———葡萄糖的单位旋光角,当λ0=0.65μm时[α]=54.4;
L———玻璃管长度,L=1dm;
δθ———系统测量误差。
当δθ为0.1°时,葡萄糖浓度的测量精度是0.3%,它远远高于普通单光路偏振仪的测量精度[4]。若电路中采取有效措施进一步减小噪声影响,系统的测量精度会更高。
4 结论
本文提出了一种双光路偏振测量系统,可用于生物学和医学分子结构研究和溶液浓度测量。它的主要优点是系统测量精度高、光路和电路结构简单、对光学元件制造精度和安装准确度要求不高。
该系统还可以和大功率激光器组合成更高精度的激光偏振仪,用于光学材料表面特性研究。
参考文献:
[1]阿查姆RMA.椭圆偏振测量术和偏振光[M].北京:科学出版社,1985.
[2]龙槐生.光的偏振及应用[M].北京:机械工业出版社,1981.
[3]ПрицеповАС.Поляризационныеметодыисследованийвбиологииимедицине[M].Минск:[出版社不详],1988.
[4]АлексеевСА.Οпределениемногокомпонентныхрастворовсредствамиполяриметрии[J].Οптическийжурнал,1997,64(1):46~48.
作者简介:冯丽爽(1968-),女,河北辛集人,北京机械工业学院机电工程系讲师,博士,1992年赴俄罗斯圣彼得堡精密机械和光学学院工程物理系研修,主要从事光电栓测仪器与方法的研究。
