基于高亮度高纯度LED旋光色散仪的研制

　　1　引　言

　　众多的光学仪器对光源均有较高的要求,传统的旋光仪器往往使用钠光灯或单一波长的激光[1]作为光源,但都有一定的局限性。如:钠灯作为光源时,存在反应速度较慢、耗电大、需要暖灯时间等局限性。激光作为光源时也存在耗电大、需要暖灯时间、寿命短、价格贵等局限性。另外,由于波长的单一,通常较难获得被测试样品的旋光色散(ORD)特性,而该特性在研究化合物的立体结构方面却有着非常重要的作用[2]。通过对超高亮度LED的性能分析,发现超高亮度LED具有效率高、成本低、寿命长、适应环境能力强、安装固定方便等优点,完全可以代替以上两种光源。为此试制了一套成本低廉、以超高亮度LED为光源的四波段旋光色散仪,并利用该装置对手性物质灰黄霉素溶液及氯酸钠晶体在不同波长下的旋光角进行了测量,获得的结果具有较高的精度,较好的重复性和稳定性。

　　2　旋光色散测量原理及超高亮度LED特性分析

　　自然界中存在大量的能使偏振光的偏振面发生旋转的物质,比如:糖类、氨基酸等称为旋光物质或具有光学活性物质。

　　对于旋光的测量,一般用旋光率,其定义为[3]:

　　式中,α为线偏振光通过溶液(浓度为c,厚度为L)后旋转的角度,而对于多聚体,如蛋白质或核酸,一般用摩尔比旋[Φ],其定义为:

　　式中M是溶质的分子量。此定义把旋光置于摩尔(而不是重量)的基础上,[Φ]的量纲是[度·厘米2·分摩尔-1]。

　　要想知道定量地处理构像程度与比旋的关系,只用单色光的结果远远不够,为此要引入反映物质色散关系的色散公式;在远离光学活性物质吸收带的波长范围内,有

　　式中,λi是第i个吸收带的最高峰波长;ki是和旋光强度R成比例的常数。在被测材料的活性体系的吸收关系为科顿效应(科顿效应是指在最大吸收处旋光曲线出现反转的情况)的理想情况下,且有:

　　则上式可简化成:

　　式中,λc是待测的常数。上述假定意味着每一种构像的所有的跃迁间隔是如此紧密以至于它们能近似到用单一波长λc表示。

　　发光二极管是电致发光器件,其发射光的峰值波长与发光区域的半导体材料禁带宽度Eg有关,即

　　式中Eg的单位为电子伏特(eV)。当带负电的电子移动到带正电的空穴域并与之复合,电子和空穴消失的同时产生一个光子,电子和空穴之间的能量差越大产生的光子的能量越高。光子的能量反过来与光的颜色相对应,在可见光的频谱范围内,蓝色光和紫色光携带的能量最多,橙色光和红色光携带的能量最少。能量多少与选取的材料直接有关,不同的材料具有不同的能量差,从而能够发出多种颜色且波长稳定的光。如红色光623 nm、蓝色光465 nm、橙色光620 nm、黄色光590 nm、黄绿色光573 nm、蓝绿色光500 nm、绿色光520 nm或不可见光等。LED依发光波长可分为可见光LED(波长450nm～680nm)与不可见光LED(波长850nm～1550nm)。超高亮度LED是属于冷发光器件,具有发光强度高(超过1000mcd)、波长稳定、温度适应性好(室内、室外在-400℃～850℃,湿度≤65%都可以正常安全工作)、耗电量低(0.5W以下)、元件寿命长(10万小时以上)、无须暖灯时间、反应速度快(100ms以内)等优点,其应用领域不断地被开发,除用于户外各种显示器、交通信号灯、汽车三煞灯及各种仪表背景灯外还被广泛应用于科研等领域。基于上述优点,超高亮度LED完全有可能在某些应用领域中取代钠光灯或激光作光源来制作测试仪器。