第七章-旋光色散和圆二色光谱-课件

7．旋光色散和圆二色光谱OVERVIEW1.Amoleculeisopticallyactiveifitinteractsdifferentlywithleftandrightcircularlypolarizedlight.Thisinteractioncanbedetectedeitherasadifferentialchangeinvelocityofthetwobeamsthroughthesampleopticalrotatorydispersion(ORD)orasadifferentialabsorptionofeachbeamcirculardichroism(CD).2.ORDspectraarecharacterizedby[]，whichisthespecificrotationatagivenwavelength，orthemolarrotation[].Bothhaveunitsofdegreecm2dmol1.CDspectraarecharacterizedbyA(thedifferentialabsorptionofthetwobeams)orthemolarellipticity[]m，whichatagivenwavelengthisrelatedtoA.CDorORDbandsareoftenreferredtoasCottoneffects.Thesecanbepositiveornegative.3.CDismorefrequentlyusedthanORDbecauseofsuperiorinstrumentationandtheshapesoftheCDcurves.4.Veryfewchromophoresareintrinsicallyopticallyactive;thosethatareactiveincludetheamidesanddisulfidecystineinproteins.Mostopticalactivityofchromophoresarisesfromopticalactivityinducedbyinteractionswithasymmetricallyplacedneighboringgroups.5.OneofthemainapplicationsofCDspectraisbasedontheirsensitivitytothesecondarystructureofproteins.Otherusesincludedetectionofconformationalchangesandmeasurementofligandbinding.6.Opticalactivitycanalsobeinducedbytheapplicationofamagneticfield，whichperturbstheenergylevelsofthesystem.Thisisthebasisofmagneticcirculardichroism(MCD).UnlikeCD，MCDislargelyinsensitivetomolecularconformation，butitissensitivetothetotalconcentrationofMCDactivechromophoresandtheirlocalenvironment.7.1引言早在十七世纪，Huggens就发现了光的偏振到了十九世纪，偏振光开始用于分子的旋光现象的研究Biot1881年发现石英能使偏振光的偏振面旋转，在松节油等液体和某些气体中也发现了这种效应。Biot在发现旋光现象的同时，还观察到了电气石的园二色性。后来将旋光色散与园二色性这两种现象称为科顿效应。十九世纪中期，许多旋光性的定律开始公式化，并对十九世纪末有机立体化学和有机结构理论的发展起到了直接的推动作用。1934年，Lowry出版了第一本完整的有关旋光色散的书”OpticalRotatoryPower”。1953年Djerasi实验室建立了第一台偏振光检测仪，从此ORD开始广泛地用于研究有机分子和生物大分子。六十年代，园二色谱逐渐取代旋光色散方法，成为研究生物大分子溶液构象的有力工具。7.2原理7.2.1平面偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光当一束平面偏振光(PlanePolarizedLight)通过某种物质传播时，若出射光的偏振面相对于入射光的偏振面旋转一定的角度，这种物质称之为光学活性物质(Opticallyactivesubstance)或手性物质(chiralsubstance)。这种性质则称为光学活性(opticalactivity)或手征性(chirality)。光学活性物质除使入射到它上面并通过它传播的平面偏振光的偏振面旋转一定的角度之外(称为“旋光”)，还会存在光吸收各向异性，称为“圆二色性(circulardichroism)。活的生物体所含有的分子差不多都具有光学活性。小分子的光学活性来源于其结构的不对称性，特别是分子中存在的不对称的碳原子以及这些原子对附近生色团(chromophore)的影响。生物大分子的构象与其所表现出来的生物活性有着密切的关系，因此旋光性和园二色性测量技术是研究生物大分子构象及其功能间关系的重要手段。光是横波，其电场矢量E和磁场矢量H与光传播方向均垂直。若光波电矢量E(以及磁矢量H)取所有可能的方向，而没有一个方向较其他方向占优势，这种光称为自然光(图1(a))。由于光波产生感光作用主要是电场E引起的，因而一般就把电场矢量E为光波的振动矢量。该振动矢量与光波传播方向所决定的平面叫做振动面。当自然光入射到某些材料后，出射光就变为其振动面确定的光，叫做平面偏振光或线偏振光(图1(b))。平面偏振光的电矢量E的方向和电传播方向所决定的平面，叫偏振面(Polarizedplane)。图1.Directionsoftheelectricvectorinpolarizedandunpolarizedlight.Inunpolarizedlight(a)，orpartlypolarizedlight(c)，theoscillationstakeplaceatallanglesperpendiculartothedirectionoftravel;inpolarizedlight(b)theyarerestrictedtooneangle.如下图所示两个频率和振幅相同，偏振面互相垂直的平面偏振光，如果其相位差90，则它们合成为一个圆偏振光。图2左旋园偏振光图3右旋园偏振光图4椭园偏振光E0ji一束平面偏振光可以分解为两束振幅、频率相同，旋转方向相反的圆偏振光(Circularpolarizedlight)，如图所示E=E0cost=jE0cost=Er+ElEr＝1/2(+iEsinωt+jEcosωt)(5)El＝1/2(iEsinωt+jEcosωt)(6)其中E为平面偏振光电场矢量的振幅，ω为其角频率，i和j为ｘ轴和ｙ轴上的单位矢量。右旋园偏振光的电场矢量Er之端点在空间的轨迹是以光的传播方向为轴的左手螺旋，而左旋园偏振光El之端点在空间的轨迹是以光的传播方向为轴的右手螺旋，它们的振动面随时间而旋转。一个平面偏振光可以用下面的方程表示:E=E0cost=jE0costi，j分别为X，Y座标轴方向上的单位矢量。7.2.2旋光(OpticalRotation)、旋光色散(OpticalRotatoryDispersion，ORD)和圆双折射(CircularBirefrigence)。光在通过不同物质时，其传播速度会发生改变，定义光在真空中的速度C0与在某种物质中的速度v之比为折射率n，即n=C0/v。如果某种物质对于左旋偏振光和右旋偏振光的折射率nl≠nr，则左旋光和右旋光的旋转速度会有所不同，它们的和与原来没有样品时相比旋转了一个角度(见图)，这种现象称为旋光。面对入射光，使入射光的偏振方向顺时针旋转的物质叫右旋物质，使入射光的偏振方向逆时针旋转的物质叫左旋物质，习惯上用+号表示右旋物质，用号表示左旋物质。对于光学各向异性物质，它对左旋园偏振光和右旋园偏振光的折射率nl和nr是不同的，二者之差Δｎ=nlnr称为圆双折射。由于c:为真空中的光速，v:为光在介质中的速度，因此某种物质存在圆双折射，入射的平面偏振光之左旋分量和右旋分量将以不同的传播速度通过介质，通过该物质后，两者之间存在一定的相位差，若该介质对左旋分量和右旋分量的吸收相同，出射的两束圆偏振光分量将重新合成平面偏振光(而不是圆偏振光或椭圆偏振光），如图6（b）所示，其偏振面与入射平面偏振光之偏振面间的夹角为α。vcn图6(a)园二色的产生：样品对左旋L和右旋R两个园偏振分量吸收不同，合成为椭圆偏振光；（b）园双折射和旋光现象：样品对左旋和右旋偏振光的折射率不同即L和R在样品中的速度不同。合成的平面偏振光之偏振面旋转了α角。。经过推导可得到:(弧度)(度)式中ｌ为样品厚度，λ为光波波长。由此我们看出，旋光现象就是一种圆双折射，旋光性的本质就是旋光物质具有两个不同的折射率。)(180)(rlrlnnlnnl平面偏振光通过样品后其偏振面旋转的角度obs。与光穿透的样品厚度l、溶液样品中旋光性物质的浓度c成正比(在一定的浓度范围内)，且与该光波长λ、样品温度T有比例系数[]T称为比旋(Thespecificrotation)或旋光率。clTobs][clobsT][旋光可用比旋[]T表示，也可用摩尔比旋(theMolarRotation)[]T或克分子旋光度表示，二者间的关系为:其中MW是溶质的分子量，单位为克/摩尔，摩尔比旋的量纲为度厘米2分摩尔－1。l为光径，单位为分米(dm)，C为浓度，单位为克/毫升。100100][][clMWMWobsTT在生物大分子的研究中，还常用平均残基旋光度(averageresiduerotation)[ｍ]λ，其定义为MRW[ｍ]λ＝[]λ100其中MRW为平均残基分子量(meanresidueweight)，即蛋白分子量与残基数之比MWMRW＝残基数对一般的蛋白质分子，该值约为110-115。对于同一物质，比旋[]或摩尔比旋[φ]与入射偏振光的波长λ有关，比旋[]或摩尔比旋[]与波长间的函数关系称为旋光色散。7.2.3圆二色性(CircularDichroism)和椭圆率(ellipticity)当一束光穿过样品时，光的强度呈指数规律下降，服从Beer-Lambert定律。log10(I0/It)=Cl其中I0是入射光的强度，It是穿过样品后的光强度，C是样品浓度，l是光径，是消光系数(extinctioncoefficient)。令A=log10(I0/It)=ClA称为吸收度(absorbance)或光密度(opticaldensity)。当一束平面偏振光通过光学活性介质传播时，由于介质对二分量的消光系数l和r不等，即对左旋光和右旋光的吸收不同，一束平面偏振光通过该样品后，其左旋分量和右旋分量强度不再相同，它们的和就不再是平面偏振光而是椭圆偏振光。这种现象就叫做“圆二色(circulardichroism)“（图6a）。由于存在圆二色性，平面偏振光通过光学活性介质后，两圆偏振分量电场矢量的大小不同了(实际上，由于同时存在圆双折射，因此二者位相也不同)，这样两个大小不同的圆偏振光合成的不再是平面偏振光，而是椭圆偏振光(ellipticallyPolarizedlight)，其电场矢量端点在空间的轨迹是以光传播方向为轴的椭形螺旋(ellipticalhelix)，其振动面随时间也是连续旋转的(图4)。我们可以通过进一步的分析来理解园二色现象。如果l≠r，则通过光学活性物质的样品后，左旋分量的振幅不再等于右旋分量的振幅。假定左