第七章旋光色散和圆二色光谱案例

7.2.2 旋 光 (Optical Rotation) 、 旋 光 色 散 (Optical Rotatory Dispersion， ORD)和圆双折射 (Circular Birefrigence)。
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。
7．旋光色散和圆二色光谱
OVERVIEW
1. A molecule is optically active if it interacts differently with left and rightcircularly polarized light. This interaction can be detected either as a differential change in velocity of the two beams through the sampleoptical rotatory dispersion (ORD) or as a differential absorption of each beamcircular dichroism (CD).
obs [ ] l c
[ ]
T
T
obs
l c
比例系数[]T称为比旋 (The specific rotation)或旋光率。
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:
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 (Polarized plane)。
5. One of the main applications of CD spectra is based on their sensitivity to the secondary structure of proteins. Other uses include detection of conformational changes and measurement of ligand binding. 6. Optical activity can also be induced by the application of a magnetic field， which perturbs the energy levels of the system. This is the basis of magnetic circular dichroism (MCD). Unlike CD ， MCD is largely insensitive to molecular conformation ， but it is sensitive to the total concentration of MCDactive chromophores and their local environment.
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 n v
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
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 (Plane Polarized Light) 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 (Optically active substance)"或"手性物 质"(chiral substance)"。 这种性质则称为"光学活性 "(optical activity) 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 (circular dichroism)"。
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
一个平面偏振光可以用下面的方程表示:
E0 j i
E= E0 cos t = j E0 cos t i， j分别为X，Y座标轴方向上的单位矢量。
MW obs MW [ ] [ ] 100 l c 100
T T
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。
在生物大分子的研究中，还常用平均残基旋光度 (average residue rotation) [ｍ]λ， 其定义为

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。
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
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
Biot 1881 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。
3. CD is more frequently used than ORD because of superior instrumentation and the shapes of the CD curves. 4. Very few chromophores are intrinsically optically active; those that are active include the amides and disulfide cystine in proteins. Most optical activity of chromophores arises from optical activity induced by interactions with asymmetrically placed neighboring groups.
。
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:
l ( nl nr ) (弧度)
180 l ( nl nr ) (度)
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(Circular polarized light)， 如图 所示 E=E0cost = j E0 cost = Er +El Er＝ 1/2(+iE sinωt+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。
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”Optical Rotatory Power”。 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。
图 1. Directions of the electric vector in polarized and unpolarized light. In unpolarized light (a)， or partly polarized light (c)， the oscillations take place at all angles perpendicular to the direction of travel; in polarized light (b) they are restricted to one angle.