旋光與圓二色性光譜

現(xiàn)代分析測試技術(shù)現(xiàn)代分析測試技術(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,簡稱CD）和旋光色散（Opticalrotatorydispersion,簡稱ORD）是研究分子結(jié)構(gòu)不對稱的方法，可用來檢測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，但不能提供有機生物大分子在溶液狀態(tài)下的構(gòu)象信息。

現(xiàn)代分析測試技術(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。可將光看成是光量子的簡諧振動，這種振動是與光的傳播方向垂直，在各個方向上的振動。若自然光通過某種特殊的晶體如：方解石等，則晶體只容許振動面平行于晶軸的光通過。因此，這種光是只有特定振動方向的光，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，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，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，一定不具有中心對稱、平面對稱和旋轉(zhuǎn)對稱軸的物質(zhì)?，F(xiàn)代分析測試技術(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：單位為度.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：

由于在不同波長下，光的折射率不同，旋光度也不相同，因此，當(dāng)以波長為橫坐標(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:：在峰或谷靠短波長一側(cè)的譜線與旋光度0o

線交點處的波長現(xiàn)代分析測試技術(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，對特定的波長有吸收，且對左、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，這樣兩個矢量就不是圓偏振，而是一個橢圓偏振光圓二色性。圓二色性形成的橢圓的長軸是｜El｜+｜Ed｜,短軸是｜El｜－｜Ed｜現(xiàn)代分析測試技術(shù)—光分析技術(shù)（旋光與圓二色性光譜）橢圓率:θ=tg-1(短軸/長軸）現(xiàn)代分析測試技術(shù)—光分析技術(shù)（旋光與圓二色性光譜）若旋光物質(zhì)對左、右旋偏振光的吸收系數(shù)差為：

由De對l做圖，可得圓二色光譜圖。現(xiàn)代分析測試技術(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)代分析測試技術(shù)—光分析技術(shù)（旋光與圓二色性光譜）一個復(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。現(xiàn)代分析測試技術(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)色團在手性分子中的位置。對映性鄰近關(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?，F(xiàn)代分析測試技術(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，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，而使激光拉曼光譜成為分子光譜學(xué)中的一個重要分支。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)晶體對光的散射等離子體對光的散射康普頓吳有訓(xùn)自由電子對光的散射丁鐸爾(Tyndall)塵埃顆粒對光的散射瑞利散射拉曼散射現(xiàn)代分析測試技術(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理兩者都是振動光譜

紅外吸收光譜是由于極性基團和非對稱分子在振動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)代分析測試技術(shù)—光分析技術(shù)（激光拉曼光譜）振動拉曼光譜是產(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時，由于入射光的外電場作用，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為入射光子的電場現(xiàn)代分析測試技術(shù)—光分析技術(shù)（激光拉曼光譜）拉曼與紅外活性判斷

沒有對稱中心分子紅外和拉曼同時存在，互相允許，如H2O,SO2等。

少數(shù)分子的振動其紅外和拉曼都是非活性的，如平面乙烯分子等。具有對稱中心的分子紅外和拉曼活性互相排斥，如CS2,CO2等。現(xiàn)代分析測試技術(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所對應(yīng)的吸收峰的頻率是相同的。

現(xiàn)代分析測試技術(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單。樣品

拉曼光譜可用于測定粉末、單晶、聚合物及紅外所不能的水溶液等?，F(xiàn)代分析測試技術(shù)—光分析技術(shù)（激光拉曼光譜）激光拉曼光譜的實驗裝置激光光源（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)域可采用光子計數(shù)器?，F(xiàn)代分析測試技術(shù)—光分析技術(shù)（激光拉曼光譜）現(xiàn)代分析測試技術(shù)—光分析技術(shù)（激光拉曼光譜）Jasco-日本分光Vent現(xiàn)代分析測試技術(shù)—光分析技術(shù)（激光拉曼光譜）美國Almega現(xiàn)代分析測試技術(shù)—光分析技術(shù)（激光拉曼光譜）應(yīng)用有機結(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)測和結(jié)晶度的測定現(xiàn)代分析測試技術(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