圆二色谱和旋光谱概述
圆二色谱概述
圆二色谱一、圆二色谱圆二色光谱(简称CD)是应用最为广泛的测定蛋白质二级结构的方法，是研究稀溶液中蛋白质构象的一种快速、简单、较准确的方法。
它可以在溶液状态下测定，较接近其生理状态。
而且测定方法快速简便，对构象变化灵敏，所以它是目前研究蛋白质二级结构的主要手段之一，并已广泛应用于蛋白质的构象研究中。
二、圆二色谱的基本原理光是横电磁波，是一种在各个方向上振动的射线。
其电场矢量 E 与磁场矢量H 相互垂直，且与光波传播方向垂直。
由于产生感光作用的主要是电场矢量，一般就将电场矢量作为光波的振动矢量。
光波电场矢量与传播方向所组成的平面称为光波的振动面。
若此振动面不随时间变化，这束光就称为平面偏振光，其振动面即称为偏振面。
平面偏振光可分解为振幅、频率相同，旋转方向相反的两圆偏振光。
其中电矢量以顺时针方向旋转的称为右旋圆偏振光，其中以逆时针方向旋转的称为左旋圆偏振光。
两束振幅、频率相同，旋转方向相反的偏振光也可以合成为一束平面偏振光。
如果两束偏振光的振幅(强度) 不相同,则合成的将是一束椭圆偏振光。
光学活性物质对左、右旋圆偏振光的吸收率不同,其光吸收的差值ΔA ( Al -Ad) 称为该物质的圆二色性(circular dichroism,简写作CD) 。
圆二色性的存在使通过该物质传播的平面偏振光变为椭圆偏振光,且只在发生吸收的波长处才能观察到。
所形成的椭圆的椭圆率θ为:θ= tg-1 短轴/长轴根据Lambert-Beer 定律可证明椭圆率近似地为：θ= 0. 576lc (εl-εd) = 0. 576lcΔε公式中l 为介质厚度, c 为光活性物质的浓度,εl 及εd分别为物质对左旋及右旋圆偏振光的吸收系数。
测量不同波长下的θ(或Δε) 值与波长λ之间的关系曲线,即圆二色光谱曲线。
在此光谱曲线中,如果所测定的物质没有特征吸收,则其Δε值很小,即得不到特征的圆二色光谱。
当εl >ε d 时,得到的是一个正的圆二色光谱曲线,即被测物质为右旋,如果εl <ε d ,则得到一个负的圆二色光谱曲线,即被测物质为左旋。
圆二色谱和旋光谱概述
圆二色谱和旋光谱概述圆二色谱（circular dichroism spectroscopy，CD）是一种测量分子对具有不同方向旋转的圆偏振光吸收差异的技术。
它通过测量由物质吸收的左旋和右旋圆偏振光的差异，来研究物质的结构和构象。
圆二色谱的基本原理是Kirchhoff定律的直接应用，即分子的吸收光谱是由对电磁场的响应所导致的。
当吸收的光谱与光的旋转相耦合时，出现左旋和右旋圆二色效应。
圆二色谱实验通常通过使用圆偏振光源、样品和检测器组成。
光源通常是通过一个线性偏振器和一个相位均匀的偏振光源来产生的。
样品通常是通过溶液或薄膜的形式存在。
检测器用于测量透射或反射样品的圆二色信号。
测量得到的数据可以表示为贝尔系数，即偏振光旋转的绝对角度。
根据光谱的形状和幅度，可以分析物质的构象和结构。
旋光谱（optical rotation spectroscopy）是测量物质在其中一种溶剂中的光学旋转角度的技术。
它根据物质对线性偏振光的旋转效应研究物质的手性性质。
旋光谱原理是基于贝尔定律，该定律描述一个物质中的旋转既取决于溶液中物质的浓度，又取决于物质本身的旋转率。
旋光谱实验通常使用旋光仪进行测量。
旋光仪由一个光源、走样器、检测器和读数装置组成。
在实验中，光线通过一系列光学元件（如偏振器和波片）来形成线偏振光，然后通过待测物质样品，最后到达检测器。
读数装置可测量旋转对应的光强度变化，并通过校准数据来计算旋转角度。
圆二色谱和旋光谱在许多领域有着广泛的应用。
在有机化学中，它们被广泛用于研究手性分子、构象分析和反应动力学等。
在生物化学和生物物理学中，它们被用于研究蛋白质和核酸的结构和功能。
此外，圆二色谱和旋光谱还被应用于药物发现、金属络合物分析和环境监测等领域。
总之，圆二色谱和旋光谱是两种常用的分析技术，用于研究物质的光学性质和结构。
它们的基本原理和实验方法都是通过测量物质对光的旋转效应来实现的。
这些技术广泛应用于化学、生物学和医药等领域，为科学家研究和理解物质的性质和行为提供了重要工具。
旋光光谱和圆二色谱
－
＋
八区律
1、位于三个平面上的取代基，对cotton效应贡献为0
2、位于正负区的取代基效应可以抵消
3、取代基的贡献大小与性质有关
4、取代基对cotton效应的贡献大小随着与生色团的距离增大
而变小
2,2’,5-三甲基环己酮为例：
b是a的投影图，可看到： C1，C2，C4，C6，C7均处于分割面上，对cotton效应贡献为0
三、圆二色谱
1、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 CD谱： Δε为纵坐标，λ为横坐标
[θ]:摩尔椭圆度，常用其代替Δε
两者关系:[θ]=3300 Δε=3300(εL - εR)
2、 [θ] 的物理意义
当平面偏振光通过手性介质时，不仅左、右旋圆偏振光
圆率降低，表明此时氨酸酸残基周围环境的极性发生了变化 ，
这种变化是由于双硫键桥的不对称性遭到破坏而引起BSA分子 三级结构变化的结果。
(2) 核酸
20 15 fsDNA ctDNA
(mdeg)
10 5 0 -5 -10 220 240 260 280 300 320
Wavelength(nm)
(a) 278nm有一强正的cotton效应-对应于碱基的堆积
摩尔振幅α=([Ф]1 -[Ф]2)/100
[Ф]1:ORD顶峰处的摩尔旋光度 [Ф]2:ORD谷底处的摩尔旋光度
2、CD的康顿效应 正的康顿效应： Δε或[θ]为正值且有峰的CD曲线
负的康顿效应： Δε或[θ]为负值且有谷的CD曲线 3、ORD、CD和UV光谱间的关系
（1）ORD和CD是同一现象的两个方面，都是光与
1、在紫外和可见区内无发色团的饱和化合物，则ORD光谱呈
圆二色谱资料
圆二色光谱(简称CD)是应用最为广泛的测定蛋白质二级结构的方法，是研究稀溶液中蛋白质构象的一种快速、简单、较准确的方法。
它可以在溶液状态下测定，较接近其生理状态。
而且测定方法快速简便，对构象变化灵敏，所以它是目前研究蛋白质二级结构的主要手段之一，并已广泛应用于蛋白质的构象研究中。
一．简介圆二色谱是用于推断非对称分子的构型和构象的一种旋光光谱。
光学活性物质对组成平面偏振光的左旋和右旋圆偏振光的吸收系数(ε)是不相等的，εL≠εR，即具有圆二色性。
如果以不同波长的平面偏振光的波长λ为横坐标，以吸收系数之差Δε=εL-εR为纵坐标作图，得到的图谱即是圆二色光谱，简称CD。
如果某手性化合物在紫外可见区域有吸收，就可以得到具有特征的圆二色光谱。
由于εL≠εR，透射光不再是平面偏振光，而是椭圆偏振光，摩尔椭圆度[θ]与Δε的关系为：[θ]=3300Δε。
圆二色谱也可以摩尔椭圆度为纵坐标，以波长为横坐标作图。
由于△ε有正值和负值之分，所以圆二色谱也有呈峰的正性圆二色谱和呈谷的负性圆二色谱。
在紫外可见光区域测定圆二色谱与旋光谱，其目的是推断有机化合物的构型和构象。
二．样品要求1、样品必须保持一定的纯度不含光吸收的杂质，溶剂必须在测定波长没有吸收干扰;样品能完全溶解在溶剂中, 形成均一透明的溶液。
2、氮气流量的控制3、缓冲液、溶剂要求与池子选择：缓冲液和溶剂在配制溶液前要做单独的检查，看是否在测定波长范围内有吸收干扰，看是否形成沉淀和胶状；在蛋白质测量中，经常选择透明性极好的磷酸盐作为缓冲体系。
4样品浓度与池子选择样品不同，测定的圆二色光谱范围不同，对池子大小(光径)的选择和浓度的要求也不一样。
蛋白质CD光谱测量一般在相对较稀的溶液中进行。
三．谱带宽度选为1 nm。
对于高分辨率测量，要用较窄的狭缝宽度，此时光电倍增管的电压较高，谱的信噪比差。
虽然对于正常测量最佳谱带宽度是1~2 nm，但是在下列情况下要牺牲分辨率而需要较宽的狭缝宽度。
第七章旋光光谱
250
λ /nm
HO-N
AcO 300
OH
OAc N-OH
7.1.3 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。
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。
7.1.2 园二色性谱(Circular Dichroism,CD)
旋光性有机分子对组成平面偏振光的左旋圆偏光和右 旋圆偏光的摩尔吸光系数是不同的，即εL≠εR，这种现象 称之为圆二色性。
这个100是人为指定的，为的是使摩尔旋光度的值不 致过大。〔α〕λ：比旋光度 ；
M：待测物质分子量 ； 〔φ〕λ的量纲为：度·cm2·dmol-1 。
化合物无发色团时，对旋光度为负值的化合物，ORD 谱线从紫外到可见区呈单调上升；而旋光值为正的化合物 是单调下降。两种情况下都趋向和逼近〔φ〕λ =O的线， 但不与O线相交。即谱线只是在一个相内延伸，没有峰也 没有谷，这类ORD谱线称为正常的或平坦的旋光谱线，
b
L
θ
a
R
摩尔椭圆 度的物理意义
当平面偏振光通过在紫外区有吸收峰的旋光性介质时， 它所包含的左旋和右旋圆偏振光分量不仅传播速度不同 (因折射率不同)，而且强度也不同(圆二色性)。
在图7-7中用代表矢量的箭头长短来表示左旋和右旋圆 偏振光分量强度。在迎着它的传播方向观察时，它们的矢 量和将描出一个椭圆轨迹。这椭圆的长轴即二矢量相位相 同时的值（左右圆偏光矢量之和)，短轴即二矢量相位相 反时的值(左右圆偏光矢量差)，两短轴与长轴比例的正切 tanθ，就同时反映了圆双折射和圆二向色性。
圆二色谱和旋光谱
八区律用于2，2′,5-三甲基环己酮 ：
9 CH3 5 6 1 O 2 CH3 8 3 6 CH3 7 4 9 5 4 3
O
1
2 8
7
C1,C2,C4,C6，C7均在分割面上，从而对康顿效应没有贡献。 C3和C5的贡献相互抵消，C8和C9的贡献均为正。 所以这个化合物应当有正的康顿效应，即CD谱中△ε>0，吸收峰在横坐 标上方；ORD谱中，长波位置出现峰，短波方向出现谷；这与实验结果一致。
如手性环酮中的羰基有邻位手性中心时是不对称的，手性烯烃(+)-3蒈烯(Carene)中的双键也一样。
Me
3 *
O
H
2 6
H
1
1
Me
4Hale Waihona Puke ClC* 5
D
Me
(3)由分子轨道不互相交叠的发色团偶极相互作用产生的。
O C O O O C
各类化合物的ORD和CD谱
一 、羰基化合物 羰基发色团是对称的 ，但如果其处于不对称的环境中亦可诱导其 电子分布不对称而产生一个康顿效应。 通常其在近紫外区发生n→π*跃迁，有一个弱吸收带，属R带。 (1)饱和的酮和醛： 羰基是由于被手性环境所诱导的具有光学活性的发色基团，以环 己酮为例，来介绍经验规律——八区律。
圆二色光谱(CD)和旋光谱(ORD)
•
旋光光谱(Optical Rotatory Dispersion，ORD)和圆二色 谱(Circular Dichroism，CD)分别于20世纪50年代和60 年代发展起来的仪器分析方法，原理都是利用电磁波和手性 物质相互作用的信息来研究化合物立体结构及其它有关问题。 旋光光谱和圆二色光谱在测定手性化合物的构型和构象、确 定某些特征官能团(如羰基)在手性分子中的位置方面有独到 之处，同其它用光谱方法来确定立体化学相比，其优势无可 代替的。
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)
第七章-旋光色散和圆二色光谱-课件
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.
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)"。
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。
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(Circular Dichroism)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。
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。
圆二色谱总结
圆二色谱总结圆二色谱是一种常用于研究分子结构和性质的重要工具，特别是在物理、化学、生物学以及材料科学等领域。
它利用偏振光通过样品时产生的圆偏振光变化来测量样品的光谱特性。
以下是关于圆二色谱的一些总结：1.圆二色谱的定义和原理圆二色谱（Circular Dichroism，CD）是一种测量左旋和右旋偏振光通过样品后的透过率差别的技术。
当偏振光通过一个含有手性分子的样品时，它会发生旋光，即偏振面会旋转。
通过测量旋光度，可以确定分子的手性及其结构。
2.圆二色谱的应用圆二色谱被广泛应用于各种科学领域。
例如，在生物学中，CD被用于研究蛋白质和DNA的结构和动力学。
在化学中，它被用于研究有机化合物的手性和分子结构。
在材料科学中，CD被用于研究纳米材料和功能材料的光学特性。
3.圆二色谱的优势和局限性圆二色谱有以下几个优势：（1）灵敏度高：可以检测到样品中微小的旋光度变化，从而可以研究分子结构和动力学。
（2）分辨率高：可以区分不同的手性分子，这对于研究分子结构和手性之间的关系非常重要。
（3）无损检测：不会对样品造成破坏，因此可以用于研究生物样品和其他易损坏的样品。
然而，圆二色谱也存在一些局限性：（1）需要大量的样品：通常需要大量的样品才能获得可靠的CD谱图。
（2）需要专业的技术人员：需要进行CD测量的实验需要专业的技术人员进行操作和维护。
4.圆二色谱的发展趋势近年来，圆二色谱技术不断发展，出现了许多新的技术和发展趋势，如：（1）高精度CD测量技术：随着技术的进步，现在可以获得更高的测量精度和分辨率，从而能够更深入地研究分子的结构和动力学。
（2）CD与其他谱图的联用技术：可以将CD与其他谱图技术联用，如红外光谱、核磁共振谱等，从而可以从多个角度研究分子的结构和性质。
（3）CD在生物医学中的应用：CD可以用于研究生物分子的结构和动力学，从而可以应用于生物医学领域，如药物筛选、疾病诊断和治疗等。
（4）CD在材料科学中的应用：通过CD可以研究纳米材料、功能材料的光学特性，为材料科学的发展提供新的工具。
第五章 旋光与圆二色性光谱
负cotton效应； ORD谱虽也表现出吸收带I的正cotton效应与II吸收峰的负cotton
效应，但由于旋光性叠加，不如CD谱清楚。 在没有光吸收的波段，ORD有可能提供某些CD所不能提供的信
手性化合物的结构分析
CD和ORD可在适当的情况下用来鉴定发色团在手性分子中的位置。
➢ 对映性 ➢ 邻近关系 ➢ 构象
溶剂效应 溶剂—溶质之间的相互作用会影响分子的光学活性。
手性介质诱导的光学活性 若一个处于非手性分子被外部介质所诱导而产生光学活性。
现代分析测试技术—光分析技术（旋光与圆二色性光谱）
现代分析测试技术—光分析技术（激光拉曼光谱）
Jasco-日本分光Vent
现代分析测试技术—光分析技术（激光拉曼光谱）
美国Almega
现代分析测试技术—光分析技术（激光拉曼光谱）
应用
➢ 有机结构分析 ➢ 高分子聚合物的研究（立规性、结晶度、取向度）
聚合物共混物的相容性研究 聚合物固化过程监测 聚合反应过程监控 聚合物水溶液和凝胶体系中水的结构和分子间作用力
由于拉曼效应很弱，因此拉曼光谱的应用和发展受到严重的 影响，在上世纪四十年代到六十年代时，其应用和影响要远远小 于红外光谱；直到上世纪六十年代以后激光问世，人们把激光这 种新型光源引入拉曼光谱，产生了新的激光拉曼光谱，它替代了 原有的拉曼光谱，并克服了原由拉曼光谱的缺点，而使激光拉曼 光谱成为分子光谱学中的一个重要分支。
现代分析测试技术—光分析技术（激光拉曼光谱） 瑞利散射
光子与物质分子碰撞时为弹性碰撞，碰撞过程没有能量交换， 光的频率不发生改变，光传播方向发生改变。