圆二色性对旋光现象的影响
CD(圆二色)光谱的理论和实验
P2
M2 P1 M3
M5
S3 L
F CDM
SH
PM
赵南明， 周梦海 《生物物理学》 /products/cd
园二色谱的应用
圆二色光谱利用左旋、右旋偏振光（ 手性光）通过一定的物质时所显示的总的 旋光性的不同， 而判定该物质的结构或结构变化。
1．测定生物大分子的结构
2 12 2 , 0 V12 r12 1 2 , 0 2 , , r12
N. Berova and K. Nakanishi, Circular Dichroism: Principles and Applications, Wiley-VCH, New York, 2nd ed., 2000 Exciton Chirality: Fundamentals and Frontiers, Monatsh. Chem., 2005, 136(3)
Ⅴ停留技术&固态CD光谱
亮氨酸拉链式多肽在GdmCl中变形后再折叠过 程在220nm处的停留CD曲线
PVA 膜、α - Ni(H2O)6.SO4 单晶的固态 CD谱
M. Kelly, et al., Biochimica. Biophysica., 2005, 1751, 119-139 R. Kuroda, et al., Rev. Sci. Instrum., 2001, 72, 3802-3810
什么是磁圆偏振二向色性
什么是磁圆偏振二向色性磁圆偏振二向色性：介质对沿磁场方向传播的一定频率的左圆和右圆偏振光吸收率不同的性质。
性质介绍如果入射光是平面偏振光，则磁圆二色性将使它在传播过程中变为椭圆偏振光。
在空间的固定点，它的电矢量末端沿椭圆形轨迹运动。
椭圆的长轴相对于入射光的偏振面旋转一定角度，即磁致旋光现象。
椭圆的短轴与长轴之比称为椭圆率。
通常介质对左圆和右圆偏振光吸收率的差别，相对于吸收率本身来说是很小的，但现代仪器设备仍能精确测定它。
磁圆二色性和磁致旋光同样源于塞曼效应。
表示方法磁圆二色性可以用对左圆和右圆偏振光的消光度之差:ΔA=A-－A+，或吸收系数之差:Δk=k-－k+=λΔA/4πllge来量度,式中λ是光波波长，l是光在介质中的路程。
也可以用摩尔椭圆率【θ】M 来衡量,这个量是参考圆二色性的摩尔椭圆率定义的:【θ】M=18 000θ/πcl,式中c是吸收光的分子的摩尔浓度；θ=πlΔk/λ，是以弧度表示的椭圆率；【θ】M 则是以角度表示的。
贡献原理磁圆二色性由A、B、C三项贡献。
A项来自基态和(或)激发态的塞曼分裂，该项随频率的变化具有吸收曲线对频率微商的形式。
显然，若基态和激发态都不是简并的，则A项的贡献为零。
B项来自外加磁场引起的基态和(或)激发态与其他一些能态的混合。
这种混合作用总是存在的。
这使磁致旋光和磁圆二色性成为一种对任何物质都存在的普遍效应。
因为混合作用与被混合态的能级之差成反比，所以，若基态和激发态的近邻都没有可被混合的能态，则B项的贡献很小。
C项来自加上磁场以后产生的基态能级分裂及其集居数的变化，由玻耳兹曼定律可知，集居数的变化与温度有关。
因此,C项是温度的函数。
当基态非简并时,C项的贡献为零。
B项或C项随频率的变化与吸收曲线类似。
由于磁圆二色性是消光度的差值,测量的灵敏度很高，用普通吸收方法不能分辨的塞曼分裂，可以用磁圆二色性谱来研究。
参数表征在磁场不太强的情况下,A、B、C项可用一定参数(例如A1、B0、C0)来表征。
磁圆二色光谱
磁圆二色光谱
磁圆二色光谱是一种用来研究物质的磁性和光学性质的实验方法。
它利用磁光效应和圆二色效应来分析物质的结构和性质。
磁光效应是指当光通过磁性物质时，光的传播速度和方向受到磁场的影响，从而导致光的偏振方向旋转。
磁光效应的大小与磁性物质的磁矩和外加磁场的强度有关。
圆二色效应是指当光通过手性分子（旋光物质）时，不同偏振光的旋转角度不同，导致光的偏振方向发生旋转，并且光的吸收率也会发生变化。
圆二色效应的大小与手性分子的结构和构象有关。
磁圆二色光谱实验中，通常使用一个光学器件，如光栅，将入射光分成不同波长的光束，然后通过一个外加磁场，使光束通过样品。
接下来，使用一个旋光片或偏振片来测量光束的旋转角度和吸收率的变化，从而得到样品的磁光效应和圆二色效应的信息。
磁圆二色光谱可以用来研究各种物质，包括磁性材料、手性分子和生物分子等。
通过分析磁圆二色光谱的结果，可以揭示物质的结构、构象和相互作用等重要信息，对于物质的研究具有重要的意义。
圆二色谱总结
圆二色谱实验总结圆二色谱是用来表征蛋白的二级结构和三级结构的常用方法，在界面课题组主要用来表征肽自组装体的二级结构；通常对于三级结构不予考虑。
这一方法的实验操作容易，与一般的光谱测量相同，但是形成的机制比较复杂。
在此只能说我自己理解了的部分，对于不理解的部分还需要继续查文献进行了解。
1圆二色谱的原理名称中虽有“色谱”两字，但是这一测量方法实际上是一光谱法，光谱法对应的即为电子的跃迁行为。
同时，光谱法中必然存在的定量关系就是朗伯-比尔定律，圆二色谱的方法就是建立在这一光吸收过程上的光谱方法。
1.1预备知识需要推演圆二色谱的原理用到的工具有数学工具和物理知识两个方面，分别叙述如下。
1.1.1 数学工具在推演圆二色谱的数学表达形式时，需要用到一些数学知识，主要有圆的普通方程及参数方程、椭圆的普通方程及参数方程，相关的三角函数知识，这些数学知识基本都在高中阶段学过。
首先说明圆的普通方程和参数方程：圆的普通方程即为仅对圆上点的坐标关系进行描述的方程。
圆上点的特点是对固定点（即圆心）的距离相等，设圆心的坐标为(x0, y0)半径为r，则圆的普通方程为√(x−x0)2+(y−y0)2=r通常用的是化简的形式，为讨论方便，将圆心设为原点，即得到x2+y2=r2利用同角三角函数关系，即sin²θ+cos²θ=1可将上述方程参数化，得到圆的参数方程{y=r sinθx=r cosθ使用同样的思路，可以得到椭圆的参数方程，即{y=b sinθx=a cosθ消去参数后，得到椭圆的标准方程，即x2 a2+y2b2=1上述有关于椭圆的方程中均有a≠b。
1.2 物理预备知识关于物理的预备知识是最基本的波动光学的观点。
按照波动光学的观点，光是在空间中交替传播的电磁场，电场强度的方向与磁感应强度的方向垂直。
从能量分布的角度来说，光的能量被认为主要以电场的形式传播，因而通常也将光的电场强度矢量方向定义为光矢量方向。
旋光色散和园二色光谱
wavelength ， or the molar rotation []. Both have units of degreecm2dmol1. CD
spectra are characterized by A (the
4. Very few chromophores are intrinsically
optically active; those that are active
include the amides and disulfide cystine
in proteins. Most optical activity of
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。
7.2.2 旋 光 (Optical Rotation) 、 旋 光 色 散 (Optical Rotatory Dispersion， ORD)和圆双折 射 (Circular Birefrigence)。
λ、样品温度T有
obs []T l c
比例系数[]T称为比旋
(The
[
specific rotation)或旋光率。
]TΒιβλιοθήκη obslc旋光可用比旋[]T表示，也可用摩尔比旋(the Molar Rotation) []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T 子量[，]T单M1位0W为0克/摩lo尔bcs，摩1M0尔W0比旋的量纲为度•厘米2•
蛋白的圆二色谱
蛋白的圆二色谱蛋白的圆二色谱是一种用于研究蛋白结构的分析技术。
它利用蛋白分子中的手性分子结构，即氨基酸残基的旋光性，来研究蛋白的结构和构象变化。
圆二色谱常用于研究蛋白的二级结构、折叠和稳定性。
一、圆二色谱的基本原理蛋白分子是由氨基酸残基组成的，其中大部分的氨基酸残基都是手性分子。
这意味着它们在光学方面展现出非对称性，表现为旋光性。
圆二色谱利用蛋白分子中的手性分子结构，即氨基酸残基的旋光性，来研究蛋白的结构和构象变化。
圆二色谱是通过测量不同波长下蛋白分子对左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的吸收差异来实现的。
当圆偏振光与分子中的手性分子结构相互作用时，会发生旋光现象，使得左旋圆偏振光和右旋圆偏振光在分子中表现出不同的旋光性。
当光分子与分子中存在旋光性的物质互作用时，光波的振动方向会旋转一个角度，由于物质的旋光性质不同，光波振动方向旋转的角度也不同。
在圆二色谱中，会测量样品对左旋偏振光和右旋偏振光吸收光谱的差异，即圆二色性。
这种差异的大小和方向与样品中手性分子结构的数量和方向有关。
因此，圆二色谱可以用来测量蛋白质中氨基酸残基的旋光性，也可以测量蛋白质分子中不同二级结构之间的圆二色性差异。
二、圆二色谱在蛋白质结构研究中的应用圆二色谱是一种常用的技术，用于研究蛋白质结构和构象变化的。
以下是圆二色谱在蛋白质结构研究中的应用：1.测量蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构是指蛋白质分子中独立的α-螺旋、β-折叠等二级结构单元的和其它形式的线性结构的组合。
不同的二级结构单元具有不同的光学活性，并且对圆偏振光具有不同的圆二色性。
因此，通过圆二色谱可以测量蛋白质分子中各种二级结构单元的含量和分布，并且可以动态地跟踪蛋白质分子中二级结构的形成和变化。
2.测量蛋白质分子折叠状态通过圆二色谱还可以测量蛋白质的折叠状态。
我们知道，在不同的环境下，蛋白质分子的折叠状态是不同的。
例如，当蛋白质分子在近体系或在高温、低温等条件下受到变性的影响时，其细胞或组织的功能将会受到严重的影响。
圆二色谱和旋光谱概述
当平面偏振光通过手性介质时，不仅左、右旋圆偏振光的传播速度 不同，而且强度也不同。用箭头的长短代替强度。因而光在传播时， 它的矢量和将产生的一椭圆轨道 长轴：矢量相位相同时的强度
有些化合物同时含有两个以上不同的发色团，其ORD谱可有多个峰和谷， 呈复杂康顿效应曲线。
每一个实际的ORD曲线都是分子中各个发色团的平均效应，分子的每种取 向及每种构象的贡献。因此ORD谱线常呈复杂情况。
圆二色性谱(Circular Dichroism,CD)
手性物质对组成平面偏振光的左、右旋圆偏振光的吸光度不同，即εL ≠ εR 这种现象为圆二色性
AcO 300
OH
OAc N-OH
ORD、CD、UV之间的关系
旋光谱(ORD)，圆二色性谱(CD)是同一现象的二个方面，它 们都是光与物质作用产生的。 在紫外可见区域，用不同波长的左、右旋圆偏振光测量CD和 ORD的主要目的是研究有机化合物的构型或构象。在这方面， ORD和CD所提供的信息是等价的，实际上它们互相之间有固 定的关系。
矢量和保持在同一个平面之中，在迎着光传播方向观察，这矢量 和是忽长忽短周期性变化的一条线 。
介质为有不对称结构的晶体或手性化合物的溶液（总称旋光性物 质），则nL ≠ nR，△n≠0，从而使它们的矢量和偏离原来的偏振 面，并且偏离程度随光程增大而增大，这就是旋光现象。
旋光现象是由于平面偏振光通过旋光性物质时，组成平面偏振光 的左旋圆偏光和右旋圆偏光在介质中的传播速度不同(即折射率不 同nL ≠ nR)，使平面偏振光的偏振面旋转了一定的角度造成。
圆二色光谱(CD)和旋光谱(ORD)
圆二色谱
旋光色散与圆二色性
叠加原理
¾ 一束自然光可以分解或看作两束相互垂直而没有相位关系
的平面偏振光的加和。
¾ 平面偏振光可以分解成两束相位相等而旋转方向相反的
圆偏振光的加和。 ¾ 当振幅相等，并同步的左、右圆偏振光相加，则产生平面
偏振光；如果这两束圆偏振光的振幅不等则产生椭圆偏 振光(elliptically polarized light)
圆二色性(circular dichroism, CD)
¾ 光学活性分子对左、右圆偏振光的吸收也不 同，使左、右圆偏振光透过后变成椭圆偏振 光，这种现象称为圆二色性。
圆二色性的表示
¾ 吸收(率)差 Δε = εL - εR ΔA = AL – AR
¾ 椭圆度θ，摩尔椭圆度[θ] θ=2.303(AL – AR)/4 [θ] = 3298(εL - εR)≈3300 (εL - εR) 在蛋白质研究中，常用平均残基摩尔椭圆度
Determination of Protein Concentration
¾ Good Methods: 1. Quantitative amino acid composition 2. Determination of backbone amide groups using the microbiuret method. 3. Determination of moles of tyrosine using difference spectroscopy under denaturing conditions. 4. Determination of total nitrogen.
at the effect of trifluoroethanol (TFE) dimer to single helices
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
nr) d = ( k +
1 2
)π (
k
为整数)
则由式 (6) 、(7) 可得
x =1
tan
y = cot
2θ=
1 - tan2θ 2tan θ
将 tan θ= e - Δad代入上式可得 :
tan y = sh ( - Δad)
显然 ,此时透射光的椭偏度以及长 (短) 半轴与
入射光振动面的夹角 γ 仅与介质圆二色性有
(
sin
θeiβ2
+
cos
θe
-
β
i2 )
(sin θe - i 2 + cos θei 2 )
( si n
θe
-
β i2
+
cos
θeiβ2 )
=
-
sin 1
2θsin β- icos + sin 2θcos β
2θ=
x ei y
(5)
其中
x=
(sin 2θ·sin β) 2 + (cos 2θ) 2 1 + sin 2θ·cos β
ET =
E0 2
e
-
ar d
1 i
e - i2λπnr d +
E0 2
e
-
al d
1 e - i2λπnl d -i
(2)
上式中 d 为介质厚度 , nr = c/ v r 、nl = c/ vl 为 介质对右旋和左旋圆偏振光的折射率.
令
A
=
E0 2
e
-
ar d , B =
E0 2
e
-
al d ,αr = 2λπnr d ,
Abstract : The effect s to t he optical rotatary p henomemon by circular dichroism is discussed. And a met hod to measure t he circular dichroism of t he mediator is given.
Key words :circular dichroism ;optical rotatary p henomemon ;Jones vector
al . 设想有一束平面偏振光 ,其振幅为 E0 , 入
射到旋光介质中. 不失一般性 ,该入射平面偏振 光可用琼斯矢量表示为
1 E = E0
0
=
E0 2
1 i
+
E0 2
1 -i
(1)
式中 E0 1 和 E0 1 为平面偏振光分解成的 2 i 2 -i
右旋和左旋圆偏振光. 当二者通过具有圆二色
性的旋光介质时 ,其透射光可表示为
E0 2
e
-
al de - i2λπnl d
显然 ,式 (8) 为一般椭圆偏振光的琼斯矢量. 由
此可知 , 平面偏振光通过具有圆二色性的旋光
活性物质时 ,透射光不再是平面偏振光 ,而成为
椭圆偏振光了.
3 进一步分析
由式 (6) 、(7) 、(8) 可以看出 ,平面偏振光通
过具有圆二色性的旋光活性介质后 , 形成的椭
关. 由于椭圆偏振光的椭偏度以及夹角 γ可以 通过实验测量 , 因此以上结果可作为测定介质 的圆二色性的一种方法.
参考文献 :
[1 ] 姚启钧. 光学教程 [ M ] . 北京 : 高等教育出版社 , 1989. 357 ,364.
[ 2 ] 张志英等. 圆二色技术及应用[J ] . 现代物理知识 ,2000 , 12 (5) :23.
(6)
y
=
arctan
cos 2θ sin 2θ·sin
β
(7)
由此可得透射光的琼斯矢量为
1
ET = ET xei y
(8)
其中 ET = A 2 + B2 (sin θ+ cos θeiβ) e - iαr =
( A + B eiβ) e - iαr =
E0 2
e
-
ar de - i2λπnr d +
Effects to optical rotatary phenomenon by circular dichroism
QU Shi2ming1 ,ZHAN G L u2yin2 ,XU E Yu2zhang1
(1. Department of Physics , Teacher’s College ,Qingdao University ,Qingdao ,Shandong ,266071 ,China ; 2. Basic Courses Department ,Sandong University of Science & Technology , Taian ,Shandong ,271021 ,China)
第 20 卷第 12 期 2001 年 12 月
大 学 物 理 COLL EGE PH YSICS
Vol. 20 No. 12 Dec. 2001
圆二色性对旋光现象的影响
曲世鸣1 ,张鲁殷2 ,薛玉章1
(1. 青岛大学师范学院 物理系 ,山东 青岛 266071 ;2. 山东科技大学 基础部 ,山东 泰安 271021)
αl
=
2π λnl
d
,则
ET = A 1 e - iαr + B 1 e - iαl =
i
-i
A 2 + B2 sin θ 1 + cos θ 1 e - iβ e - iαr (3)
i
-i
式中θ= arctan
A B
= arctan
e-
dΔa ,β= αl -
αr 因
圆偏振光其椭偏度以及长 (短) 半轴与入射光振
动面的夹角不仅均与圆二色性Δa = ar - al 及
折射率 nr , nl 有关 ,还与旋光介质厚度有关. 因
此 ,若要研究透射光的变化规律 ,一般情况下较
复杂. 但是可以通过适当选择介质厚度 ,使问题
简化. 例如控制介质厚度 d 使得
β= 2λπ( nl -
摘要 :分析旋光活性物质的圆二色性对旋光现象的影响 ,给出了一种测量介质圆二色性的方法. 关键词 :圆二色性 ;旋光现象 ;琼斯矢量 中图分类号 :O 436. 3 文献标识码 :A 文章编号 :100020712 (2001) 1220018202
1 前言
众所周知 ,当一束平面偏振光通过旋光物 质时 ,其振动面会发生旋转 ,此即旋光现象[1 ] . 菲涅耳提出的唯象理论对该现象的解释是 :平 面偏振光可以分解为两束振幅相等 、传播速度 和传播方向相同 ,但旋性相反的圆偏振光的叠 加 ,其中一束为右旋圆偏振光 ,一束为左旋圆偏 振光 ,当二者通过旋光物质时 ,由于传播速度不 再相同 ,因而此时叠加产生的平面偏振光其振 动面就会发生旋转. 然而需要指出的是 ,上述解 释成立的一个必要条件是右旋和左旋圆偏振光 通过介质时必须保持振幅相等. 那么 ,如果二者 振幅不相等 (如由介质的圆二色性引起) ,情况 又将如何 ,下面就此问题作一简单分析.
=
1
(sin θ+ cos θe - iβ)
i
sin sin
θθ+
cos θe cos θe -
iβ iβ
(4)
而
i
sin sin
θθ+
cos θe cos θe
-
iβ iβ
=
i
sin sin
θeiβ2
β
θei 2
+
cos θe cos θe -
β i2 β i2
=
β
β
β
β
i
(sin θei 2 - cos θe - i 2 )
收稿日期 :2001 - 03 - 07 作者简介 :曲世鸣 (1947 —) ,男 ,山东烟台人 ,青岛大学师范学院物理系教授.
第 12 期 曲世鸣等 :圆二色性对旋光现象的影响
19
sin θ 1 i
+ cos θ 1 -i
e - iβ =
sin θ+ cos θe - iβ i (sin θ- cos θe - iβ)
2 圆二色性对旋光现象的影响
当平面 偏 振 光 通 过 具 有 旋 光 活 性 的 介 质 时 ,由于介质中同一种旋光活性分子存在手性 不同的两种构型 ,故它们对平面偏振光所分解 成的右旋和左旋圆偏振光吸收不同 ,从而产生 圆二色性. 这种圆二色性可用吸收系数的差值 来表示[2 ] . 若介质对右旋和左旋圆偏振光的吸 收系数分别为 ar 和 al ,则圆二色性Δa = ar -