旋光與圓二色性光譜

現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)—光分析技術(shù)（旋光與圓二色性光譜）

第五章旋光與圓二色性光譜

圓二色性（circulardichroosim,簡(jiǎn)稱CD）和旋光色散（Opticalrotatorydispersion,簡(jiǎn)稱ORD）是研究分子結(jié)構(gòu)不對(duì)稱的方法，可用來檢測(cè)生物大分子樣品在溶液狀態(tài)下的構(gòu)象，它能和X射線衍射法有很好的互補(bǔ)性。X射線衍射法能夠在晶體狀態(tài)下了解分子結(jié)構(gòu)，提供最詳細(xì)的資料，但不能提供有機(jī)生物大分子在溶液狀態(tài)下的構(gòu)象信息。

現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)—光分析技術(shù)（旋光與圓二色性光譜）光的偏振光具有波粒二相性?？蓪⒐饪闯墒枪饬孔拥暮?jiǎn)諧振動(dòng)，這種振動(dòng)是與光的傳播方向垂直，在各個(gè)方向上的振動(dòng)。若自然光通過某種特殊的晶體如：方解石等，則晶體只容許振動(dòng)面平行于晶軸的光通過。因此，這種光是只有特定振動(dòng)方向的光，這種光稱：平面偏振光或稱平面圓偏振光。這種自然光通過某種晶體后變成平面偏振光的現(xiàn)象稱為光的偏振。

現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)—光分析技術(shù)（旋光與圓二色性光譜）平面偏振光可看成是二個(gè)振幅相同，螺旋方向相反的二束光，即：左圓偏振光和右圓偏振光的矢量和?，F(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)—光分析技術(shù)（旋光與圓二色性光譜）旋光光譜非旋光活性介質(zhì)：當(dāng)一束平面偏振光通過某一介質(zhì)時(shí)，左、右偏振光的傳播速度不變（折射率、散射率相同），入射光的振動(dòng)方向不變，這種介質(zhì)為非旋光活性介質(zhì)。旋光活性介質(zhì)：當(dāng)一束平面偏振光通過某一介質(zhì)時(shí)，左、右偏振光的傳播速度發(fā)生變化，合成后平面偏振光的振動(dòng)方向發(fā)生改變，這種介質(zhì)為旋光活性介質(zhì)。光學(xué)活性物質(zhì)：不能與它的鏡像相互重疊，一定不具有中心對(duì)稱、平面對(duì)稱和旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸的物質(zhì)。現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)—光分析技術(shù)（旋光與圓二色性光譜）旋光度α：有旋光性質(zhì)的介質(zhì)對(duì)于某一單色的平面光所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)角度。

[α]比旋光度或旋光率：?jiǎn)挝粸槎?毫升.克－1.分米－1，l光程，c濃度。

α與兩園偏振光折射率差值的關(guān)系為：

由于在不同波長(zhǎng)下，光的折射率不同，旋光度也不相同，因此，當(dāng)以波長(zhǎng)為橫坐標(biāo)，旋光度為縱坐標(biāo)，可得旋光光譜譜線。

分子結(jié)構(gòu)不同，旋光譜線的譜形也不相同?，F(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)—光分析技術(shù)（旋光與圓二色性光譜）旋光譜線的類型平滑譜線S型譜線（Cotton效應(yīng)）正性譜線負(fù)性譜線現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)—光分析技術(shù)（旋光與圓二色性光譜）平滑譜線現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)—光分析技術(shù)（旋光與圓二色性光譜）S型譜線（Cotton效應(yīng)）現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)—光分析技術(shù)（旋光與圓二色性光譜）現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)—光分析技術(shù)（旋光與圓二色性光譜)現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)—光分析技術(shù)（旋光與圓二色性光譜）旋光譜考察參數(shù)：a振幅：峰與谷的高b寬幅：峰與谷之間的水平距離Cotton效應(yīng)：正S曲線，右旋

反S曲線，左旋lk:：在峰或谷靠短波長(zhǎng)一側(cè)的譜線與旋光度0o

線交點(diǎn)處的波長(zhǎng)現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)—光分析技術(shù)（旋光與圓二色性光譜）圓二色光譜因旋光活性物質(zhì)含有生色基團(tuán)，對(duì)特定的波長(zhǎng)有吸收，且對(duì)左、右偏振光的吸收能力不同，而使其共振峰幅度不同，這樣不僅導(dǎo)致偏正光的速度不同，而且振幅也不同，這樣兩個(gè)矢量就不是圓偏振，而是一個(gè)橢圓偏振光圓二色性。圓二色性形成的橢圓的長(zhǎng)軸是｜El｜+｜Ed｜,短軸是｜El｜－｜Ed｜現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)—光分析技術(shù)（旋光與圓二色性光譜）橢圓率:θ=tg-1(短軸/長(zhǎng)軸）現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)—光分析技術(shù)（旋光與圓二色性光譜）若旋光物質(zhì)對(duì)左、右旋偏振光的吸收系數(shù)差為：

由De對(duì)l做圖，可得圓二色光譜圖。現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)—光分析技術(shù)（旋光與圓二色性光譜）若用橢圓率q

來替代De:其中:l為樣品中旋光物質(zhì)的厚度，C為旋光物質(zhì)的濃度。比橢圓率：（q）=q/cl

其中l(wèi):dm,c:g/ml摩爾橢圓率：[q]=（q）M/100=3300?ε

現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)—光分析技術(shù)（旋光與圓二色性光譜）CD譜線與ORD譜線的比較：現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)—光分析技術(shù)（旋光與圓二色性光譜）CD與ORD的關(guān)系在一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)，若樣品化合物沒有特征的吸收，在旋光光譜中給出平滑旋光曲線，那么，它們的De值很小，得不到具有特征的吸收帶圓二色性譜。在一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)，若樣品化合物有特征的吸收，在旋光光譜中出現(xiàn)cotton效應(yīng)的正S型或反S型的旋光曲線，則在接近lk處的絕對(duì)值將變化較大，給出具有特征的吸收帶圓二色性譜?，F(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)—光分析技術(shù)（旋光與圓二色性光譜）假想化合物的UV、CD和ORD譜圖比較：現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)—光分析技術(shù)（旋光與圓二色性光譜）一個(gè)復(fù)雜化合物中并不是所有的吸收帶都呈現(xiàn)光學(xué)活性；CD譜能非常明確地表現(xiàn)出I吸收峰的正cotton效應(yīng)與II吸收峰的負(fù)cotton效應(yīng)；ORD譜雖也表現(xiàn)出吸收帶I的正cotton效應(yīng)與II吸收峰的負(fù)cotton效應(yīng)，但由于旋光性疊加，不如CD譜清楚。在沒有光吸收的波段，ORD有可能提供某些CD所不能提供的信息?，F(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)—光分析技術(shù)（旋光與圓二色性光譜）旋光儀和圓二色光譜儀旋光光譜儀現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)—光分析技術(shù)（旋光與圓二色性光譜）圓二色光譜儀現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)—光分析技術(shù)（旋光與圓二色性光譜）Jasco圓二色光譜儀(CD/ORD)現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)—光分析技術(shù)（旋光與圓二色性光譜）應(yīng)用手性化合物的結(jié)構(gòu)分析

CD和ORD可在適當(dāng)?shù)那闆r下用來鑒定發(fā)色團(tuán)在手性分子中的位置。對(duì)映性鄰近關(guān)系構(gòu)象溶劑效應(yīng)溶劑—溶質(zhì)之間的相互作用會(huì)影響分子的光學(xué)活性。手性介質(zhì)誘導(dǎo)的光學(xué)活性若一個(gè)處于非手性分子被外部介質(zhì)所誘導(dǎo)而產(chǎn)生光學(xué)活性。現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)—光分析技術(shù)（旋光與圓二色性光譜）現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)—光分析技術(shù)（旋光與圓二色性光譜）手性化合物的結(jié)構(gòu)分析用于研究蛋白質(zhì)的構(gòu)象：蛋白質(zhì)的α螺旋以及β折疊用于研究DNA結(jié)構(gòu)現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)—光分析技術(shù)（旋光與圓二色性光譜）現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)—光分析技術(shù)（激光拉曼光譜）

第六章激光拉曼光譜拉曼光譜有印度物理學(xué)家拉曼在在1928年發(fā)現(xiàn)，并以他的名字命名的一種分子光譜技術(shù)。由于拉曼效應(yīng)很弱，因此拉曼光譜的應(yīng)用和發(fā)展受到嚴(yán)重的影響，在上世紀(jì)四十年代到六十年代時(shí)，其應(yīng)用和影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于紅外光譜；直到上世紀(jì)六十年代以后激光問世，人們把激光這種新型光源引入拉曼光譜，產(chǎn)生了新的激光拉曼光譜，它替代了原有的拉曼光譜，并克服了原由拉曼光譜的缺點(diǎn)，而使激光拉曼光譜成為分子光譜學(xué)中的一個(gè)重要分支。拉曼效應(yīng)：分子散射光譜，它存在于液體和晶體中?，F(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)—光分析技術(shù)（激光拉曼光譜）激光拉曼光譜的基本原理光的散射現(xiàn)象一束單色光進(jìn)入透明介質(zhì)（氣、液和固）在透射方向以外所出現(xiàn)的光稱為散色光。布里淵（Brillouin)晶體對(duì)光的散射等離子體對(duì)光的散射康普頓吳有訓(xùn)自由電子對(duì)光的散射丁鐸爾(Tyndall)塵埃顆粒對(duì)光的散射瑞利散射拉曼散射現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)—光分析技術(shù)（激光拉曼光譜）瑞利散射光子與物質(zhì)分子碰撞時(shí)為彈性碰撞，碰撞過程沒有能量交換，光的頻率不發(fā)生改變，光傳播方向發(fā)生改變。即：u散射

=u入射現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)—光分析技術(shù)（激光拉曼光譜）拉曼散射光子與物質(zhì)分子產(chǎn)身非彈性碰撞，發(fā)生能量交換，光子不但改變了方向，而且能量也發(fā)生變化：能量減少stokes線，能量增加anti-stokes線。拉曼位移：現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)—光分析技術(shù)（激光拉曼光譜）拉曼光譜與紅外光譜比較機(jī)理兩者都是振動(dòng)光譜

紅外吸收光譜是由于極性基團(tuán)和非對(duì)稱分子在振動(dòng)過程中吸收紅外光后發(fā)生永久偶極矩的變化而產(chǎn)生的。

μ為分子的永久偶極矩，q為分子正負(fù)電荷中心的電荷，d為電荷中心的距離?，F(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)—光分析技術(shù)（激光拉曼光譜）振動(dòng)拉曼光譜是產(chǎn)生于分子誘導(dǎo)偶極矩的變化，即當(dāng)分子中的原子在平衡位置周圍振動(dòng)時(shí)，由于入射光的外電場(chǎng)作用，使分子的電子殼層發(fā)生形變，正負(fù)電荷中心發(fā)生相對(duì)位移所形成誘導(dǎo)偶極矩。Ρ為誘導(dǎo)偶極矩α為極化率，E為入射光子的電場(chǎng)現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)—光分析技術(shù)（激光拉曼光譜）拉曼與紅外活性判斷

沒有對(duì)稱中心分子紅外和拉曼同時(shí)存在，互相允許，如H2O,SO2等。

少數(shù)分子的振動(dòng)其紅外和拉曼都是非活性的，如平面乙烯分子等。具有對(duì)稱中心的分子紅外和拉曼活性互相排斥，如CS2,CO2等?，F(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)—光分析技術(shù)（激光拉曼光譜）光譜拉曼光譜和紅外光譜中官能團(tuán)所對(duì)應(yīng)的吸收峰的頻率是相同的。

現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)—光分析技術(shù)（激光拉曼光譜）儀器

拉曼光譜儀入射光的頻率可改變，能使拉曼躍遷出現(xiàn)在可見區(qū)域，因而對(duì)相應(yīng)的儀器元件如光學(xué)元件和樣品池等材料要比紅外光譜儀簡(jiǎn)單。樣品

拉曼光譜可用于測(cè)定粉末、單晶、聚合物及紅外所不能的水溶液等。現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)—光分析技術(shù)（激光拉曼光譜）激光拉曼光譜的實(shí)驗(yàn)裝置激光光源（氣體激光器如：氦氖激光器，氬離子激光器和氪離子激光器等）樣品裝置達(dá)到最有效地將輻射照射到樣品上并聚焦散射。單色器要求單色性能好，成像質(zhì)量好，分辨率高，雜散光小，通常采用雙光柵單色器。檢測(cè)和記錄系統(tǒng)可見光區(qū)可采用光電倍增管，紅外區(qū)域可采用光子計(jì)數(shù)器?，F(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)—光分析技術(shù)（激光拉曼光譜）現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)—光分析技術(shù)（激光拉曼光譜）Jasco-日本分光Vent現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)—光分析技術(shù)（激光拉曼光譜）美國(guó)Almega現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)—光分析技術(shù)（激光拉曼光譜）應(yīng)用有機(jī)結(jié)構(gòu)分析高分子聚合物的研究（立規(guī)性、結(jié)晶度、取向度）聚合物共混物的相容性研究聚合物固化過程監(jiān)測(cè)聚合反應(yīng)過程監(jiān)控聚合物水溶液和凝膠體系中水的結(jié)構(gòu)和分子間作用力的研究聚合物結(jié)晶過程監(jiān)測(cè)和結(jié)晶度的測(cè)定現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)—光分析技術(shù)（激光拉曼光譜）生物高分子的研究乙酸對(duì)DNA空間結(jié)構(gòu)微觀損傷的Raman光譜特征光譜學(xué)與光譜分析，2001