圆二色谱原理与应用备课讲稿
简述圆二色谱的原理及应用
简述圆二色谱的原理及应用原理圆二色谱（Circular Dichroism，简称CD）是一种研究物质光学活性的技术。
其基本原理是通过测量样品对左旋光和右旋光的吸收差异，来研究物质结构和手性。
圆二色谱的原理主要涉及到电磁波的旋转和手性分子的相互作用。
电磁波可以被视为电场和磁场的横向振动，而这两个场的振动方向垂直于波传播方向。
在自由空间中，电磁波的电场和磁场是相互垂直、相互平行并且幅度相等的。
然而，在手性分子存在的情况下，电场和磁场的振动可能会被干扰，从而导致电磁波的旋转。
根据圆二色效应，左旋光和右旋光在经过手性分子样品后会发生旋光现象。
当左旋光与手性分子相互作用后，其振动面会发生旋转，而右旋光则会与之相反地发生旋转。
这种旋光现象称为旋光分散（Optical Rotation），而测量这种旋光差异的技术就是圆二色谱。
圆二色谱可以通过测量样品对左旋光和右旋光的吸收程度差异来分析和表征生物大分子、有机化合物和无机配合物的结构、构象和手性特征。
应用圆二色谱在化学、生物化学、生物医学和药物研发领域具有广泛的应用。
下面是一些常见的圆二色谱的应用：1.结构分析和构象研究：圆二色谱可以用来确定分子结构和构象。
根据样品测得的CD谱图，可以通过比对已知的标准谱图或者进行计算模拟，来推断分子的立体结构、构象和手性特征。
2.蛋白质折叠和结构变化：圆二色谱可用于研究蛋白质的二级结构、折叠状态和构象变化。
蛋白质的二级结构（如α-螺旋、β-折叠等）会对圆二色谱谱图产生特定的影响，因此可以通过分析谱图来了解蛋白质的结构信息。
3.酶的活性和结构：通过圆二色谱可以研究酶的结构和活性。
酶的结构与其功能密切相关，圆二色谱可以帮助研究人员揭示酶的结构与功能之间的关系，并优化酶的催化活性。
4.药物研发：圆二色谱在药物研发中发挥着重要作用。
通过对药物分子的圆二色谱谱图的分析，可以了解药物的结构、构象和活性与手性之间的关系，从而指导药物改良和设计。
()圆二色光谱原理及在药化中的应用(1)-教案讲课稿
基础知识
➢ R和S系统
将手性中心的取代基按原子序数依次排列，A > B > C > D，把D 作为手性碳原子的顶端，A、B、C为四面体底部的3个角，从底部向 顶端方向看，若保持从大到小基团按顺时针方向排列者，称为R型； 若为逆时针方向排列者，称为S型。
A
A>B>C>D A
D
B
C
D
C
B
S-enantiomer
O
O
N (S )
O
N H
OO
N
C O O H
C O O H
O
基础知识
22
基础知识
偶极矩
偶极矩（Dipole moment）是正、负电荷中心间的距离r和 电荷中心所带电量q的乘积，μ = r × q。它是一个矢量，方向规 定为从负电荷中心指向正电荷中心。偶极矩的单位是D（德拜）。
偶极矩可以指键偶极矩，也可以是分子偶极矩。分子偶极矩 可由键偶极矩经矢量加法后得到。实验测得的偶极矩可以用来判 断分子的空间构型。
吸收系数之差(εL – εR)通常只是ε的10-2到10-4。
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比旋光度测定 比旋光度（Specific optical rotatory ）
而表现出不同的药效学、药物动力学、毒理学行为。 • 各国药政部门规定在申报手性新药时，需同时呈报各光学异构体
的药理学、毒理学、药物动力学资料。如果对映体之间的药效与 毒性无明显区别，才可考虑应用外消旋体，否则必须应用单一的 手性化合物。 • 我国药品管理法已明确规定，对手性药物必须研究光学纯异构体 的药代、药效和毒理学性质，择优进行临床研究和批准上市。停 留在外消旋体药物的研究与开发水平，已不符合国际与国内药品 法规的要求。紫杉醇五味子丙素4
圆二色谱原理与应用ppt课件
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1
光的性质：波粒二象性诞生
人类对光的研究起源很早，但对光本质的认识经历了一个较漫长 的过程。光究竟是波还是粒子？光的波动说与微粒说之争从十七世纪 初开始， 其间牛顿、惠更斯、托马斯．杨、菲涅耳、爱因斯坦、波尔 等多位著名的科学家努力揭开了遮盖在“光的本质”外面那层扑朔迷离的 面纱，至二十世纪初以光的波粒 二象性告终，前后共三百多年的时间。
• Dynamic processes, e.g. protein folding • Studies of the effects of environment on protein structure • Secondary structure and super-secondary structure of membrane
如果AX=AY合成轨迹为圆
如果AX= AY合成轨迹为椭圆
垂直传播方向
圆偏振光
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9
下面我们研究以下两束圆偏振光的合成:
两束旋转方向相反的圆偏振光如果振幅相同（振幅与光强度的平方成正比） 矢量合成为平面偏振光。 如果振幅不等则根据公式 A x2 2 X A y2 2 Y2A xXA yY C O S( 2 2) SIN ( 2 2 ) 合成为下图右图所示的椭圆偏振光！
Cdpro分析:定期更新:SELCON3, CDSSTR,and CONTIN CLUSTER /~sreeram/CDPro/
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从CD谱分析准确性
对全a、 a /b和变性蛋白质的准确度90-100% 对a + b的准确度为85% 对全b的准确度为75%
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CD原理定稿
PM
S1-S2:第一级单色器；S2-S3:第二级单色器;
M：球面反光镜；P：晶体石英棱镜；L:透镜；F:滤光器；
.,
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由CDM交互形成的左、右旋圆偏光通过光学活性物 质，透射光强度随时间的变化
透射光强的变化频率与外加调制电压的频率相同。
交流成分S相 当于圆二色性
直流成分 IA=（IL+IR）/2
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• 圆二色性的存在将通过该物质传播的左、右圆偏光变成椭 圆偏振光。并且只在发生吸收的波长处才能观察到。
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25
理论计算的圆二色性与该椭圆偏振光的摩尔椭圆率的关系：
[θ] = 100θ/〔c ·l〕 = 3300〔 εL-εR〕
ε：介质对圆偏振光的摩尔消光系数， c ：样品摩尔浓度， l ：样品厚度〔cm 〕， [θ] 单位：℃/〔mol ·cm〕
椭圆偏振光
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7
2、光的偏振
双折射现象： 一束光射入各向异性晶体后有两束折射光。 尼科耳棱镜。
在生物样品中，肌肉纤维、骨骼和牙齿等具有各向 异性，淀粉粒、染色体和纺锤体等具有双折射性，因 此被用于组织细胞的化学研究。
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8
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o光和e光：频率一样、振动方向相互垂直、平面偏振光
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自然光入射到某些晶体〔电气石、硫酸金鸡钠碱晶体等〕时，晶片吸 收振动面与晶轴垂直的光，而只允许振动面平行于晶轴的光通过。
旋光现象是圆双折射的一种特殊形式。 旋光物质使左、右圆偏振光的速度不同，即其色散大小的折射率不同， 旋光现象的产生是由于光学各向异性物质的折射率nL≠nR的结果。
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旋光，双折射
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8、光的吸收和圆二色性〔circular dichroism, CD〕
圆二色谱的原理及其应用
圆二色谱的原理及其应用《圆二色谱的原理》嘿，朋友们！今天咱们来聊聊圆二色谱的原理。
简单来说，圆二色谱就是一种用来研究分子结构和性质的工具。
它的原理呢，就像是一束特殊的光照射到我们要研究的分子上，然后这束光和分子之间会发生一些有趣的“互动”。
咱们平时见到的光可以看作是由左右振动方向相同的光波组成的。
但圆二色谱用的光可不一样，它是由两种特殊的光组成，一种是左旋圆偏振光，另一种是右旋圆偏振光。
当这两种光碰到分子时，分子对它们的吸收程度会不一样。
这是因为分子本身的结构会影响对这两种光的吸收。
比如说，如果分子有一定的对称性或者特定的结构，它就会对左旋和右旋光的吸收有差别。
如果分子对左旋光吸收得多，对右旋光吸收得少，那我们就会观察到一个正的信号；反过来，如果对右旋光吸收得多，对左旋光吸收得少，那就是负的信号。
通过测量这些信号的大小和变化，我们就能知道分子的结构特点啦。
比如说，是不是有手性中心，是不是有特定的构象等等。
怎么样，圆二色谱的原理是不是也没有那么复杂呀？《圆二色谱的原理》亲，今天咱们来搞清楚圆二色谱的原理哈！你知道吗？光其实有很多小秘密。
圆二色谱就是利用了光的一些特别之处来帮助我们了解分子。
想象一下，有一束很特别的光，它不是普通的光哦，而是由左旋圆偏振光和右旋圆偏振光组成的。
比如说，如果分子的结构很特别，像是有那种不对称的部分，那么它对左旋光和右旋光的喜欢程度就不一样。
这就好比我们去买东西，有的东西我们更喜欢，有的就一般般。
分子对光也是这样，吸收的多少会不同。
然后呢，我们通过仪器去测量这种吸收的差别，就能推断出分子的结构啦。
是不是挺神奇的？所以说，圆二色谱就是靠光和分子之间的这种奇妙“交流”，让我们能够探索分子的世界。
这下你懂圆二色谱的原理了吧？《圆二色谱的应用》朋友，今天咱们来讲讲圆二色谱在实际中的应用。
这圆二色谱的用处可多啦！比如说在生物化学领域，它能帮助我们研究蛋白质的结构。
你想啊，蛋白质对咱们身体那么重要，搞清楚它们的结构，就能更好地理解它们是怎么工作的。
圆二色谱的原理及其应用pdf
圆二色谱的原理及其应用一、圆二色谱的原理圆二色谱是一种分析化学技术，用于测定物质的旋光性质。
它在药学、化学和生物学等领域有着广泛的应用。
圆二色谱原理基于物质分子对左旋光和右旋光的吸收性差异。
圆二色谱利用圆二色变化测定物质对圆偏振光的旋光角度和吸收度的关系。
当线偏振光通过样品时，正交两个互相垂直的圆偏振分量，产生旋光现象。
如果样品吸收左旋光的圆偏振分量多于右旋光的圆偏振分量，样品会产生负圆二色变化。
相反，如果样品吸收右旋光的圆偏振分量多于左旋光的圆偏振分量，样品会产生正圆二色变化。
圆二色谱测定的结果可用光谱表示，通常为色散图。
色散图由圆二色变化在不同波长处的数值表示。
通过分析色散图，可以确定物质的结构、构型以及与其他分子间的相互作用。
二、圆二色谱的应用圆二色谱有广泛的应用领域，下面列举了几个常见的应用方面：1. 蛋白质结构研究圆二色谱在蛋白质结构研究中扮演着重要角色。
蛋白质的结构与功能密切相关，圆二色谱可以提供关于蛋白质二级结构的信息，如α-螺旋、β-折叠等。
通过圆二色谱的测定，可以确定蛋白质的二级结构比例，从而推测蛋白质的折叠状态和功能。
2. 药物研究和分析圆二色谱在药物研究和分析中也得到了广泛应用。
通过圆二色谱的测定，可以研究药物与其他分子之间的相互作用，从而帮助优化药物设计和药物疗效评估。
3. 分子手性性质研究圆二色谱可用于分析分子的手性性质。
手性是化学物质的一种重要性质，与其生物活性、药物活性以及光学性质相关。
圆二色谱可以通过测定物质对旋光的吸收情况，从而确定其手性性质。
4. 化学反应动力学研究圆二色谱在化学反应动力学研究中起到了重要作用。
通过测定反应过程中圆二色变化的特征，可以研究反应的速度和路径，并推断反应机理。
三、使用圆二色谱的注意事项使用圆二色谱时，需要注意以下几点：1.样品准备：样品的纯度和浓度对测定结果有重要影响。
样品应尽可能纯净，并适当稀释，以避免吸光度过高引起的光散射效应。
圆二色谱CD原理ppt课件
平面偏振光
.
. ...
. ...
. ...
起偏器
检偏器
整理版课件
晶轴相互平行时， 透射光强度最大；
晶轴夹角为α时，透 射光强度与cos2α成 正比。
晶轴相互垂直时， 透射光强度为零；
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3、平面偏振光（Plane polarized light）
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圆二色谱仪器刨面图M为镜子,p为起偏器 ls代表等和水晶
CD特点
• 测量的θ非常小 • CD测量的为2.32*(AL-AR) 弧度 • 以样品有圆二信号一定要有紫外吸收但有
紫外吸收不一定由远而信号
CD谱在蛋白质研究中的应用
蛋白质分子的固有不对称性决定了蛋白质的光学活性 蛋白质的结构的不同表现出其对圆二色性特征的差异 所以我们可以通过圆二信号来测量蛋白质的结构信息
粒子性：光是某种粒子即光量子，具有粒子的性质 如 反射，散射等现象。 墨子和他的学生做了世界上最早的“小孔成像”实验， 并对实验结果作出了光沿直线传播的科学解释， 并用此原理解释了物体和投影的关系。
波动性：即光具有波动性，有衍射、干涉等性质
爱因斯坦提出了光量子论，解释了光电现象， 揭示了微观客体的波粒二重性
The peptide bond is inherently asymmetric & is always optically active
图为一些蛋白的(或肽)的标准园二谱图
我们以肌红蛋白为例
193nm
我们从图中看到了193,208,,223特征峰 与上一图中全螺旋的蛋白的特征峰基本相 同我们可以从这个信息断定我们样品的结 构主要为螺旋结构
e e8 e7 6ee
e 1e 2 e
3
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晶轴
垂直晶轴 电气石晶体
当自然光入射到电气石晶片的时,晶片强烈地吸收振动平面与晶轴 垂直的光波,而只允许振动平面平行与晶轴的光波通过,因此通过晶 片的光就变为具有一定平面的偏振光.
平面不对称的分子具有各向异性 如氨基酸核酸、手性分子 也对偏振光有调节活性
垂直传播方向 圆偏振光
下面我们研究以下两束圆偏振光的合成:
两束旋转方向相反的圆偏振光如果振幅相同（振幅与光强度的平方成正比） 矢量合成为平面偏振光。
如果振幅不等则根据公式
x2 A2X
y2 A2Y
2
x AX
y AYCOS(
2
2) SIN( 2
2)
合成为下图右图所示的椭圆偏振光！
圆二色性
各向异性的物质对不同方向的光吸收不同如图所示：
F1 F3
F2
物体受到的两个力F1,F2等同于物体受到这两个力的矢量合成F3 光的合成也遵循矢量合成: 其合成为电场矢量的合成与光强度的平方成正比
y
图相互垂直的片面偏振光
x
t0
t1 t2 t3 t4
Φ2-Φ1=0 t
取 t0,t1,t2,t3,t4时间的 截面
t0
Hale Waihona Puke t1t2t3
t4
合成平面偏振光
y x
圆二色谱Circular Dichroism (CD) 原理与应用
光的性质：波粒二象性诞生
人类对光的研究起源很早，但对光本质的认识经历了一个较漫长 的过程。光究竟是波还是粒子？光的波动说与微粒说之争从十七世纪 初开始， 其间牛顿、惠更斯、托马斯．杨、菲涅耳、爱因斯坦、波尔 等多位著名的科学家努力揭开了遮盖在“光的本质”外面那层扑朔迷离的 面纱，至二十世纪初以光的波粒 二象性告终，前后共三百多年的时间。
208nm
223nm
当我们得到一个图谱可以通过下表来和前面提到的标准图谱来判断我们 样品的结构信息
对于螺旋性较高的蛋白可以通过下式初步估算螺旋的含量: 但是准确性较差不推荐
但一般蛋白的结构信息是较复杂的并非标准的螺旋或折叠之类的结构 对于这些蛋白结构的分析我们要选择合适的软件和算法进行分析
—— chymotrypsin (all b) —— lysozyme (a + b) —— triosephosphate isomerase(a/b) —— myoglobin (all a)
当两束圆偏振光照射到含有这类分子的溶液时:
sample solution 溶液对左旋和右旋的圆偏振光的吸收不同这会导致 EL不等于ER 根据我们前面对振幅不同的两束圆偏正光的叠加现象 可以判断透过样品溶液的光变为一束椭圆偏振光
当溶液中的样品的结构不同,或成分不同我们可以得到不同的椭圆 反过来我们可以通过检测两束旋转方向相反的圆偏振光透过样品 所产生的椭圆的不同来判断样品所含的成分,和结构信息。
光源发射光量子
从演示中可以看出：光源发射的单个光量子的运动轨迹是一个轨迹为余弦 函数的简谐振动 轨迹方程为 x＝Acos（ωt＋φ）
而真实光源向外发射的是连续的光量子 如图所示:图中不同颜色的小球代表不同的光量子
所有光量子在一个平面上我们称之为平面偏振光 它的轨迹方程为x＝Acos（ωt＋φ） 公式中 A为振幅与光强度的平方成正比
平面偏振光 n1折射率
n2折射率
tan(i0)＝n2/n1 时i0 被称为布鲁斯特角 此时的反射光为平面偏振光，利用该原 理可制造起偏器。
双折射：
光轴
o-ray
光轴 45deg 45deg
e-ray
当一束光经过各向异性的晶体或其他状态的介质 时产生相互垂直的两束偏振光 o, e
当光离开晶体时的Φ2-Φ1=2*pi*l/(n0-ne)*入 四分之一波片 如果l=入/4 /(n0-ne) 则Φ2-Φ1=pi/2 此时如果入射光与光轴夹角为45度
Φ2-Φ1=pi/2 AX=AY pi=3.141592
x2 A2X
y2 A2Y
2
x AX
y AYCOS(
2
2) SIN( 2
2)
x=AXcos(Wt+Φ1) y=AYcos(Wt+Φ2)
x2 A2X
y2 A2Y
2
x AX
y AYCOS(
2
2) SIN( 2
2)
如果AX=AY合成轨迹为圆
如果AX= AY合成轨迹为椭圆
为了方便比较 我们用θ来描 述椭圆的信息
泰勒一阶展开式
度
圆二机器测量值
Per residue 2)
in proper units (CD spectroscopists use decimol)
光谱学家一般采用摩尔椭圆率 和 Deltaepslon大家形成统 一的单位易于比较
偏振光的产生:
折射： i0
φ为初始相位 t为时间
我们平时看到的光为自然光具有: 1.方向随机性 自然光源向外发射方向性是随机的光量子
2. 不连续性
z 传播方向 360度旋转的轨迹 会产生无数初始相位不同的光量子
糖葫芦
这两个性质决定自然光具有如图所示的性质,既自然光可以看作圆柱形向 前传播的光
两束光的合成: 物理力学力的矢量合成: