圆二色谱与结构预测
院系：生命科学学院
年级：2010学生姓名：王劲松
学号：2010212782
任课教师姓名：祁超、付子英完成时间：2013年1月13日
目录
一．摘要 (3)
二．关键字 (3)
三．引言 (3)
四．正文 (3)
1.手性 (3)
2圆二色谱的产生 (4)
3相关的计算 (5)
4圆二色谱的应用 (6)
4.1圆二色谱法区分重组蛋白成分 (6)
4.2.判断酶构象的变化 (6)
4.3.判断产物的生成 (7)
4.4.用于药物开发中药效的检测 (7)
5应用前景展望 (8)
6.致谢 (8)
五．参考文献 (8)
圆二色谱与结构预测
王劲松指导老师：祁超、付子英
(华中师范大学生命科学学院湖北武汉430079)
摘要：目前测定化合物空间结构的方法有很多，常用方法有：1）化学转化法；2）旋光比较法；3）旋光谱(ORD)和CD法；4）单晶X—射线衍射法；5）核磁共振法等。化学转变法是一种消耗性测定方法，样品用量大；旋光比较法准确度较低，重现性不好；单晶X一射线衍射法只能测定晶体化合物的立体结构；核磁共振法则需要用到昂贵的手性试剂。CD法与其他方法相比具有样品用量少、可回收，能测定非结晶性化合物的立体结构，操作简便、迅速等优点，因而在天然药物化学的研究中受到越来越广泛的应用【1】。
关键字：圆二色谱；手性分子；旋光；空间结构
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εl和εr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(Circular dichroism)”，据此产生的谱带就是圆二色谱。圆二色谱是一种特殊的吸收光谱，它对手性分子的构象十分敏感，而正常生活状态的生物体所含有的生物大分子差不多都具有光学活性，因而圆二色谱是研究分子三维空间结构和不对称性的有效方法，可方便地对溶液中生物大分子进行研究。下面我们就什么是手型，圆二色谱产生的机理以及具体的计算，圆二色谱在生物研究上的应用和展望做进一步的介绍。
1.手性
手性是物质结构中的重要特征，即具有不能重叠的三维镜像对映异构体，它们的分子式完全相同，但其中原子或原子基团在空间的配置不同，互为镜像。凡手性分子都具有光学活性，即可使偏振光的振动面发生旋转。许多有机物和络合物都具有手性，它们的对映异构体物理化学性质(熔点、沸点、旋光度、溶解度、
分子式等)几乎完全相同，但它们的旋光方向相反，生理作用大不相同。生物基础分子一般都具有手性，也都具有光学活性。在对生物分子手性的研究中，发现了令人惊异至今不解的对称性破缺现象，那就是在自然界中，氨基酸有L型和D 型两种对映异构体，天然糖也有L糖和D糖两种糖【2】。但在生物体中，组成蛋白质的20种氨基酸，除最简单的甘氨酸不具有手性外，其余都是L型的，而生物体核酸中的糖环则都是D型的。生物体中这种对称性破缺现象是有特殊意义的自然现象。
手性分子都具有光学活性。当单色左旋与右旋的圆偏振光通过某一种手性样品时，该样品对左、右旋圆偏振光的吸收不同，这叫做圆二色性。其差值
△A=△AL一△AR称为圆二色值，按波长扫描就得到了圆二色谱(CD谱)。
2.圆二色谱的产生
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"园二色性"。
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。
对于没有光学活性的物质，依据法拉第效应原理，在外加磁场作用下，许多物质也具有了光学活性，跟原本测出的CD谱比较，CD信号也将增大几个量级。这种条件下即可测得磁圆二色谱(MCD谱)。CD和MCD是特殊的吸收谱，它们比一般的吸收谱弱几个量级，但由于它们对分子结构十分敏感，因而近十几年来，
CD 和 MCD 已成为研究分子构型和分子间相互作用的最重要的光谱实验之一【2】。利用CD 和MCD 研究生物大分子和药物分子，具有重要的科学意义和实用价值。
3.相关的计算
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)
E =E 0cos ωt =j E 0cos ωt =E r +E l
E r ＝1/2(+i E sinωt+j Ecosωt) (5)
E l ＝1/2(-i Esinωt+j Ecosωt ) (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E r 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E l 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。
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n l 和n r 是不同的，二者之差Δｎ= n l - n r 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）。
v
c n =
4.圆二色谱的应用
近二十年来，随着计算机计算速度的提高和密度泛函理论(DFT)特别是含时密度泛函理论(TDDFT)的发展，已有可能精确计算中等及较大分子激发态的性质和圆二色谱(CD)，并据此与实验谱对照来确定有关配合物的绝对构型和理化性质已获得成功，例如：Ziegler课题组曾用TDDFT方法对一系列熟知的过渡金属配合物重新进行了计算，得出了一些新结果和新认识。最近山西大学分子科学研究所的杨翊韬【3】等人也对钌(II)的二胺类配合物手征光学性质进行了理论分析，得到了很好的结果。但是圆二色谱的应用是多方面的。
4.1.圆二色谱法区分重组蛋白成分
生物固氮是自然界最重要的生物化学反应之一，催化该反应的是一种厌氧金属复合蛋白酶——固氮酶。固氮菌中同时存在3种不同基因编码的固氮酶系，即含Mo固氮酶、含V固氮酶、含Fe固氮酶。这些固氮酶都由两种组分蛋白组成。例如，经典的含Mo固氮酶由组分I蛋白（MoFe蛋白）和组分II蛋白（Fe蛋白）组成。通常把从A.vinelandii纯化得到的这两种蛋白分别称为Av1和Av2。Av2为由nifH编码的二聚体，Av1则为由nifD和nifK分别编码的α和β亚基组成的四聚体。Av1的金属原子簇的体外拆装研究已经显出一种新固氮酶——CrFe蛋白存在的初步证据，但是很难对混有含量占一半多活性Av1的重组蛋白CrFe蛋白进行准确鉴定。在2006年由西北大学生命科学院张志刚【4】等采用圆二色谱分析的方法加以证明。OP Av1蛋白与CrFe蛋白相比，虽然两者的可见光CD谱较为相似，但是CrFe蛋白制备物的摩尔椭圆率在350-450和480-610显得略低，而在610-700则显得略高，从而可以用元二色谱法将两者区分开来！
4.2.判断酶构象的变化
目前越来越多的消费者在追求高质量食品的同时，对食品的新鲜度也提出了相应的要求。希望在食品加工过程中能保持其原有的新鲜度，因而导致了最小加工量食品概念的诞生，推动了非热杀菌技术的进一步的研发。因此，高压脉冲电场应运而生，与传统的热杀菌工艺如巴氏杀菌、商业灭菌相比，高压脉冲电场技
术(PEF)在保持果汁原有的风味、色泽、口感和营养方面有很大的优势，而且作用时间短，通常就几十个或几百个脉冲。在食品加工中通常是用热处理来钝化食品中的酶活，近几年来，脉冲电场作为一种在钝化酶方面具有潜力的非热加工技术引起人们的普遍关注。2005年中国农业大学的钟葵等【5】采用圆二色谱法对经过高压脉冲电场技术处理过的食物中的过氧化物酶构象的改变进行了系统的研究，进一步拓宽了园二色谱技术的应用范围。
4.3.判断产物的生成
卟啉化合物作为制备发红光的有机电致发光器件的材料一直引起人们的极大关注，例如将四苯基卟啉(TPPH2)及其Zn配合物(ZnTPP)、八乙基铂卟啉(PtOEP)等掺杂在主体材料中，都能得到发红光的有机发光器件。另一方面，近年来有机圆偏振发光材料(CPL)受到了人们的高度关注，CPL材料在液晶显示器背光源、光电信息储存和处理等方面都具有重要的应用价值。获得有机圆偏振发光材料的有效方法是将一定的手性基团引入到发光分子中，由于手性基团的引入，分子产生螺旋的排列，螺旋排列的分子在光的吸收和发射时都处于光活性状态，结果分子会出现圆偏振吸收和圆偏振发射现象【6】。2007年四川大学和四川师范大学的骆开均晋军【7】等以四苯基卟啉为母体，通过接枝光活性的胆甾醇酯侧链，合成了3种具有不同链长的胆甾醇侧链的卟啉配体和相应的金属Zn配合物，并对它们在PMMA薄膜中的圆偏振吸收性质进行了研究。
4.4用于药物开发中药效的检测
海藻酸钠是从海藻细胞壁和细胞间质中提取的天然生物大分子，由古洛糖醛酸(记为G单元)与其立体异构体甘露糖醛酸(记为M单元)两种结构单元通过
α(1-4)糖苷键链接而成的线性嵌段共聚物。由于古洛糖醛酸和甘露糖醛酸两种糖单元立体构象的不同，使它们的各种物理化学性能也不同，两种糖醛酸在分子中的比例和序列顺序变化，都会直接导致海藻酸的性质差异，如粘性、胶凝性、离子选择性等。钙锌为生物元素中的必需元素，钙锌对生命活动有重要意义，海藻酸钠与钙锌离子形成凝胶，在药物缓释、功能食品、保健品等领域有很多用途。
2006年天津大学的李红兵【8】博士采用元二色谱法观察钙锌离子与海藻酸钠所成凝胶的外观形貌和对药物缓释性能的不同，从而为药物的开发提供了依据。
5应用前景展望
目前,确定蛋白质构象最准确的方法是X-射线晶体衍射,但对结构复杂、柔性的生物大分子蛋白质来说,得到所需的晶体结构较为困难。二维、多维核磁共振技术能测出溶液状态下较小蛋白质的构象,可是对分子量较大的蛋白质的计算处理非常复杂【9】。相比之下,圆二色光谱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。
随着人们对生命科学的日益关注,分析化学的深入发展将越来越重视和加强
生物分析。特别是人类基因测序工程完成后,因生物、医学上的需要,使与蛋白质的相关研究成为生物分析中的重要课题，而圆二色谱法分析生物大分子的结构将成为越来越重要的一种方法。
致谢：在本论文的写作过程中，生科院的很多同学提供了宝贵的意见和一些珍贵的资料，由于牵涉到个人隐私在此不再一一列举，对此表示无尽的感激！
参考文献
[1]左文健,吴杰,聂韦,安学勤等.用圆二色谱法测定齐墩果酸的绝对构型[J].武汉生物工程学院学报,2010,6（1）:30-33.
[2]王琼玲.圆二色谱概况[J].无机化学学报,2009,7（2）:16-18.
[3]杨翊韬,王越奎,王炎等.手性配合物[M(bipy)3]2+(M=Fe,Ru,Os)圆二色谱的理论解析[J].中国科学,2010,40（8）:1091-1098.
[4]张志刚,赵颖,张纯喜等.Cr介质中生长的棕色固氮菌突变株的UW3固氮酶CrFe蛋白特性[J].科学通报,2006,51（12）:1431-1437.
[5]钟葵,孙志健,廖小军等.高压脉冲电场对辣根过氧化物酶活性及构象的影响效果[J].中国食物学报,2005,5（1）:31-36.
[6]赵小菁, 阮文娟, 张玉玲等.手性Boc保护氨基酸修饰卟啉的合成及谱学研究[J].高等学校化学学报,2003,40（8）:1419-1423.
[7]骆开均,晋军,谢明贵等.具有圆偏振光特性的卟啉衍生物的合成、表征和CD光谱研究[J].高等学校化学学报,2007,65（10）:977～982.
[8]李红兵.用圆二色谱(CD)研究海藻酸钠对钙锌离子的选择[J].无机化学学报,2006,22(3):246 -253.
[9]孙霞,刘庆平,郑学仿.荧光和圆二色光谱法用于低密度脂蛋白氧化的研究[J].化学进展,2008,20(11):1761-1767.
圆二色谱中文版
圆二色谱，判断黄酮类化合物绝对构型的重要手段1．简介： 手性化合物的旋光性是化合物分子的立体构型的不对称性对平面偏振光的作用。若对组成平面偏振光的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的吸收系数不同，即εL≠εR,，这种性质称为手性化合物的圆二色性。当测定的仪器接收透过手性化合物溶液的平面偏振光时，记录的是手性化合物溶液对左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的吸收系数之差△ε，或化合物生色团吸收波长附近的摩尔椭圆度［θ］即可获得圆二色谱〔CD〕。 CD即圆二色谱，是以吸收系数之差或摩尔椭圆度［θ］为纵坐标，波长为横坐标记录的谱线，其中△ε=（d L－d R）／C×1，d L和d R为吸光度。C为溶液浓度，1为测定用池的池长；［θ］=ψ（λ）M／100LC其中ψ（λ）为所用测定池情况下的平面偏振光的椭圆度，C为溶液浓度，单位g/ml，1为池长，单位dm，M为分子量。它们之间的关系为［θ］=3300△ε，而△ε=θ/33×C·1。2．黄酮类： 多酚类是生物体内主要的二次代谢产物。根据他们的碳骨架能划分为几种主要种类。例如，黄酮类与酚酸类。黄酮类根据的氧化情况又可以分为许多种类。已知的黄酮类化合物中都具有的骨架形式，并常有羟基取代，甲氧基取代，苷化及其他修饰和组合。 虽然黄酮类化合物的绝对构型在50年代起已经通过旋光性和ORD方法进行解析了，但是更方便，更简易的CD谱方法却在60年代中期更为流行。CD 谱现已广泛用于具有旋光性的黄酮类化合物的解析，如：二氢黄酮类，二氢黄酮醇类，黄烷-3-醇类，黄烷-4-醇类，黄烷-3，4-二醇类，黄烷类，异黄烷类，二氢异黄酮类，类鱼藤同类，前花色素类和各种类型的双黄酮类。 3．二氢黄酮类 二氢黄酮类的两个结构特征在判定它们绝对构型时非常重要。一个是之间的单键，一个是位的手性中心，大多数天然二氢黄酮类化合物中在位具有苯基，其为α取向时，其绝对构型被定为S。 利用CD 或ORD连用NMR光谱数据判定二氢黄酮类化合物绝对构型始于Gaffield。 二氢黄酮类化合物的UV最大吸收在270----290处，320----330处有一弱峰，这是由于苯乙酮型和之间的相互转化产生的。八区律规则已经从判定α，β不饱和酮的手性及它们的长波CE图上扩展到了芳香酮。这样，二氢黄酮类化合物绝对构型为2S时，在构象上就具有杂环的P ----螺旋性和C2位芳基处于平伏键，并在CE谱上表现为正性的n---π※吸收带和负性的π---π※吸收带。 利用n---π※吸收带判定构型的优点是这种转变在芳香环取代系统中是独立的。虽然n---π※转变处于长波区趋于随构型相反对映体量的增加而消失。 杂环上的H2与H3之间的较大偶合常数（J2，3）表明所有天然二氢黄酮类在热力学稳定构象中C2芳香基处于平伏键（fig2）。这说明所有左旋的二氢黄酮类具有2S构型。 利用这个信息的例子在确定OBO---二氢黄酮A和二氢黄酮B构型可以清楚的发现。（fig.3 and table1）
圆二色谱仪 使用手册 实验前请先阅读第一部分注意事项 2011年4月6日整编 河北大学理化中心
目录 一、注意事项 二、光源的选择 三、MOS 450波长的校正 四、电压的调节 五、MOS-450 圆二色光谱扫描操作规程 六、MOS 450-SFM 300动力学操作方法
一、注意事项 1、滴定及变温实验时，需要磁子搅拌。实验结束时首先拔掉搅拌电源。在样品池内无磁子的情况下搅拌器空转会烧毁控温元件。 2、光源(也就是氙灯或汞氙灯)不可频繁开关。举例而言，如果马上不用仪器，但半个小时后需要使用仪器，就不要为了节约光源寿命而将光源关闭。短时间内频繁开关光源反而会缩短光源寿命。 3、光电倍增管移动时(比如从圆二色模式换为荧光模式)，注意用软件将Hv（高压）关闭。 4、扫描速度在0.5-5s/nm。使用手册上写的扫描速度有误，特别注意不要低于0.5秒/nm,过快的扫描速度易造成calibration移位。 5、如需用到emission单色器，就是那个需要用光纤连接的单色器，扫描速度要大于1s/nm,连0.5s/nm都不能用。 6、PMT的HV不要超过1000V. 7、使用控温附件进行变温实验时，一定要将地上的那个水浴恒温槽打开，水槽温度设为20度以下即可。 8、TCU上设置为remote; Power supply设置为ARC. 9、仪器运行过程中，更换样品时，shutter最好关闭。
二、光源的选择 1、电源： 图1中的Lamp power supply处有Xe（红色）、Xe(Hg)（红色）、零线（黑色）三个插孔。 零线插头为黑色，直接插到黑色的零线插孔中。 火线插头为红色，在做圆二色、紫外、荧光的光谱扫描时插在Xe（红色）插孔中，在做快速动力学测量的时候插在Xe(Hg)插孔中。 2、光源选择： 图2中的Vertical setting部位下方的底座上有Xe、Xe(Hg)两个标示前后排列。手动松开中间的大圆头Screws(图2中)，可以拉出或推进Vertical setting。当Vertical setting的金属头通过前后移动到下方的哪个标示位置上，也就是那个标示所示的灯正对着光路，为测试用光源。做快速动力学测量的时候选Xe(Hg)，做圆二色、紫外、荧光的光谱扫描时选Xe，最后再旋紧中间的大圆头Screws。 注：Xe（Hg）灯中的Hg元素有一些很强的特征谱线，加强了Xe元素发光的强度，对于动力学测量要求一个波长的光源能量要强，才能测量较为精确的谱图。而对于光谱扫描，单独的Xe元素谱线较为平滑，光源对扫描的影响较小。 图1 图2
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。当样品的吸光度很高但CD信号很弱时，一方面要尽量保证测定CD峰所需要的足够浓度，另一方面要设置较宽的狭缝。不过此时要特别小心，因为样品在吸光度过高(A>2)的情况下可能存在荧光或杂散光引起的某些假象。另外，在固体CD光谱测试时也需要较大的狭缝宽度(一般要求> 2 nm)。 (2)椭圆率和摩尔椭圆率都依赖于测量条件。因此，温度、
圆二色光谱实验 一、实验目的 1、了解圆二色（CD）光谱的原理和使用方法。 2、学会用圆二色光谱检测蛋白质二级构象的基本原理和方法，并学会分析物质的手性。 3、了解圆二色光谱仪的基本构造，并学会使用。 二、实验原理 1.CD光谱的基本知识 圆二色性是研究分子立体结构和构象的有利手段。在一些物质的分子中，没有任意次旋转反映轴，不能与镜像相互重叠，具有光学活性。电矢量相互垂直，振幅相等，位相相差四分之一波长的左和右圆偏振光重叠而成的是平面圆偏振光。 平面圆偏振光通过光学活性分子时，这些物质对左、右圆偏振光的吸收不相同，产生的吸收差值，就是该物质的圆二色性。 圆二色性用摩尔系数系数差ΔεM来度量，且有关系式：ΔεM = εL –εR，其中，εL 和εR分别表示左和右偏振光的摩尔吸收系数。如果εL –εR >0，则ΔεM为“+”，有正的圆二色性，相应于正Cotton效应；如果εL –εR<0，则ΔεM为“-”，有负的圆二色性，相应于负Cotton效应。 由于这种吸收差的存在，造成了矢量的振幅差，因此从圆偏振光通过介质后变成了椭圆偏振光。圆二色性也可用椭圆度θ或摩尔椭圆度[θ]度量。[θ]和ΔεM之间的关系式：[θ]=3300*Δε 圆二色光谱表示的[θ]或ΔεM与波长之间的关系，可用圆二色谱仪测定。一般仪器直接测定的是椭圆度θ，可换算成[θ]和ΔεM：[θ] = 100θ/cl，ΔεM= θ/33cl 其中，c表示物质在溶液中的浓度，单位为mol/L；l为光程长度（液池的长），单位为cm。输入c和l的值，一般仪器能自动进行换算，给出所需要的关系。 2.定性分析原理 圆二色光谱仪需要将平面偏振调制成左、右圆偏振光，并用很高的频率交替通过样品，因而设备复杂，完成这种调制的是电致或压力致晶体双折射的圆偏振光发生器（也称Pocker池或应力调制器）。圆二色谱仪一般采用氙灯作光源，其辐射通过由两个棱镜组成的双单色器后，就成为两束振动方向相互垂直的偏振光，由单色器的出射狭缝排除一束非寻常光后，寻常光由CD调制器制成交变的左圆偏振光、
圆二色谱的介绍 圆二色性 circulardichroism 对R和L两种圆偏振光吸收程度不同的现象。这种吸收程度的不同与波长的关系称圆二色谱，是一种测定分子不对称结构的光谱法。在分子生物学领域中主要用于测定蛋白质的立体结构，也可用来测定核酸和多糖的立体结构。 光是一种电磁波。假如用电矢量来表示，光的前进就是由矢量端点在一特定的平面里沿正弦波运动的轨迹。对于自然光讲，正弦波振动的平面是随机的。如有一束光，它所有的电矢量的振动平面都是相互平行的，这种光称为平面偏振光。有一种特殊的情况，光前进的过程中电矢量绕前进轴转动，若电矢量的绝对值不变，则运动轨迹的投影是一个圆，这时就变成圆偏振。面对光前进的方向看去，电矢量端点的圆运动可以是顺时针方向的，也可以是逆时针方向的，因此圆偏振有R与L两种。 假如L与R两束圆偏振光在一起辐射，强度、速度、频率和位相都相同，它们就会叠合成一束平面偏振光。如波长λ的L光和R光的光强度相等，在光学各向异性物质中传播某一距离后，它们的综合光将变成椭圆偏振光，椭圆的长轴处于两个圆偏振的电矢量相叠合的地方。假如两个圆偏振的传播速度也不相同，而所经的途径与上述相同，则叠合的椭圆偏振光的长轴与上面所述的椭圆偏振光的长轴相夹θ角(图1）。 由不对称分子组成的物质是光学各向异性的,即L与R两束圆偏振光在这类物质中的传播速度不相等。假如光学各向异性物质在某一波长λ有吸收，那将在该时对L光和R光有不同的吸收,如该物质的吸光率是A,而对L光和R光的吸光率是AL和AR，AL和AR的差ΔA＝AL-AR,称为圆二色性。 从（图2）可看出,因光吸收不同而产生的椭圆的形状与ΔA有直接的关系。θ称为椭圆值，也是一种定量描述圆二色性的单位。在条件相同的情况下，θ＝3300ΔA。 在蛋白质分子中，肽链的不同部分可分别形成α-螺旋、β-折叠、β-转角等特定的立体结构。这些立体结构都是不对称的。蛋白质的肽键在紫外185～240纳米处有光吸收，因此它在这一波长范围内有圆二色性。几种不同的蛋白质立体结构所表现的椭圆值波长的变化曲线——圆二色谱是不同的。如(图3)所示，α-螺旋的谱是双负峰形的，β-折叠是单负峰形的，无规卷曲在波长很短的地方出单峰。蛋白质的圆二色谱是它们所含各种立体结构组分的圆二色谱的代数加和曲线。因此用这一波长范围的圆二色谱可研究蛋白质中各种立体结构的含量。 蛋白质含酪氨酸、色氨酸和苯丙氨酸,它们在240～350纳米处有光吸收,当它们处于分子不对称环境中时也表现出圆二色性。这一范围的圆二色性反映出在蛋白质分子中上述氨基酸残基环境的性质。 核酸中所含糖有不对称的结构，它们所含的双螺旋结构也是不对称的。它们在185～300纳米范围内也有特征的圆二色谱（图4）。这些谱与核酸的立体结构的关系虽不甚显著，但也可以用它研究某些立体结构。同时圆二色谱与核酸的碱基配对数有关系，因此也可用圆二色谱研究核酸的化学组成。 1.CD的安装与测量准备: 为避免CD强度随温度而发生变化的变化,CD应安装在空调室中.而且还需要
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 sinθ x=r cosθ使用同样的思路，可以得到椭圆的参数方程，即 {y=b sinθ x=a cosθ消去参数后，得到椭圆的标准方程，即 x2 a2+ y2 b2 =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。以上即最基本的波动光学观点，下面解释光的偏振特点。 1.2.1 自然光和偏振光 自然光即任何光源发出的光，其特点为光矢量在垂直于传播方向的平面上均匀分布，但在传播方向上并不体现出规律性，如图1(a)所示，图中z轴的方向由纸面向外，以圆的半径表示光矢量的大小，对于一给定的自然光，光矢量的大小即光的强度是恒定不变的。光的偏振现象可理解为在传播方向上光矢量振动的不对称性。在圆二色谱的原理中，涉及到的偏振光有平面偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光三类。
ADF教程：如何计算电子圆二色 （ECD）谱 本文以“电子圆二色谱技术在天然产物绝对构型确定中的应用，《国际药学研究杂志》，卷42，第6期，P734”中测量过ECD谱的两种异构分子为例，对ADF中的ECD计算功能进行演示。 文中两个分子结构如下： 二者对应的ECD谱如下（实线）： 图中单位为L/Mol·cm-1，ADF计算的单位是10-40·esu·cm·erg/Gauss 计算之前，应该进行结构优化，这里省略了这个步骤的说明，其中包括结构优化、ECD计算。需要说明的是：其中的甲醇分子的位置对ECD的影响并不大，所以即使没有严格收敛，也并不太影响ECD的计算。 ECD计算参数设置 下面以B分子为例：
A分子计算参数完全相同，这里不赘言。 保存任务后，提交计算。 结果查看 ADF LOGO > Spectra > Spectra > CD:
§窗口上方显示的是ECD谱（可以通过调整窗口中间的peak width来调整谱图的展宽情况），可以用过鼠标拖动、滚轮放大缩小调整； §窗口下方具体列出了ECD的峰的位置、强度（有正、负值）。
每一个ECD的峰，对应一个激发态，这些激发态是由哪些占据轨道到哪些空轨道的激发，可以在窗口中菜单栏，选择：Spectra > Excitation，窗口切换为显示紫外吸收谱，下方的窗口列出了这些激发态的情况，点击其中每一行，可以看到该激发态的组成，点击蓝色的字，可以看到这些轨道的具体空间分布(详见下文)。 结果比较 调整A、B分子的ECD谱的展宽，与文献中的实验测量结果比对： A分子的ECD谱（横坐标上的短红线是ECD峰的位置，具体数字对应上面的图中，下方的窗口）：
3.3.9圆二色性（Circular dichroic，CD）测定 1%(w/w)的蛋清溶液调节到pH 4.0，6.0，10.0，在85oC加热不同时间，离心，取上清液，然后稀释至100~200μg/mL溶液。对照组为天然蛋清样品。用Jasco J-715光度计测定样品的CD谱。测定条件设定：测定波长范围190~250 nm，25oC，比色皿光径1 mm，分辨率0.2 nm，扫描速率100 nm/min，扫描5次。使用Jasco SSE软件确定样品的二级结构百分含量。 3.4.6蛋白质的二级结构对DH的影响 蛋白酶的水解反应还受到蛋白质的结构的影响，一般结构紧密的蛋白质提供的酶切位点少于结构松散的蛋白质。因此有必要研究蛋白质结构对DH的影响。蛋白质的热处理可能引起二级、三级和四级结构的变化。从二级结构看，α-螺旋结构表现蛋白质分子的有序性，而其结构如β-折叠、β-转角、无规卷曲等反映了蛋白质分子的松散性[26]。蛋白质分子的有序性差，越有利于蛋白酶的水解。目前，研究蛋白质构象最好的方法是x-射线衍射，但对结构复杂、柔性的生物大分子蛋白质来说，制备蛋白质单晶较为困难。二维、多维核磁共振技术能测出溶液状态下蛋白质分子的构象，可是对分子量较大的蛋白质的计算处理非常复杂。相比之下圆二色性是研究稀溶液中蛋白质分子构象的一种快速、简单、较准确的方法。圆二色性在紫外区段(190~240 nm)，主要生色团是肽链，这一波长范围的CD谱包含着生物大分子主链构象的信息。在一般情况下，实验中得到的CD谱线是α-螺旋、β-折叠和无规卷曲构象的CD 谱的线性迭加[27]。图3-7显示天然蛋清的CD谱线a在222 nm处和208 nm处呈负峰，在190 nm附近有一正峰，这是存在部分α-螺旋构象的特征。谱线b、c、d、e在221 nm处的负谱带减弱，意味着α-螺旋的百分比减小。谱线b、c、d、e向短波长方向移动，即发生蓝移。由于发色团吸收光谱发生位移主要取决于它的微环境更加亲水或疏水的结果[28]，因此谱线b、c、d、e蓝移的发生说明体系的亲水性降低,即疏水性增加。表3.3列出了天然蛋清和热处理蛋清的α-螺旋、β-折叠、β-转角和无规卷曲构象所占的比例。从表中可以看出，通过热处理，天然蛋清的α-螺旋比例下降，而β-折叠和无规卷曲的比例增加，说明蛋清蛋白分子结构的有序性降低，形成了以β-折叠和无规卷曲为主的二级结构。 图3-7天然和热处理的蛋清的CD光谱 a-天然蛋清；b-pH4，85oC加热36 min蛋清；c-pH6，85oC加热36 min蛋清；d-pH10，85oC 加热30 min蛋清；e-pH10，85oC加热60 min蛋清。 4.19圆二色谱分析动态超高压微射流均质对卵清蛋白二级结构的影晌
MV_RR_CNJ_0052圆二色谱仪检定规程 1.圆二色谱仪检定规程的说明 编号ＪＪＧ（教委）０２６－１９９６ 名称(中文) 圆二色谱仪检定规程 (英文) Verification regulation for circular dichroism spectrometer 归口单位国家教育委员会 起草单位国家教育委员会 主要起草人高 松 批准日期1997年1月22日 实施日期1997年4月1日 替代规程号无 适用范围本规程适用于新安装、使用中和修理后的，波长范围为１８０ｎｍ～ ７００ｎｍ（或以此为主要谱区）的圆二色谱仪（以下简称仪器）的检定。 主要技术要求 1.外观要求 2.安装条件 3.检定环境 4.检定设备(检定用标准物质) 5.检定项目和检定方法 是否分级无 检定周期(年) 2 附录数目 4 出版单位科学技术文献出版社 检定用标准物质 相关技术文件 备注 2.圆二色谱仪检定规程的摘要 2 范围 本规程适用于新安装、使用中和修理后的，波长范围为１８０ｎｍ～７００ｎｍ（或以此为主要谱区）的圆二色谱仪（以下简称仪器）的检定。 ２．１ 原理 圆二色性定义为每摩尔物质对左圆和右圆偏振光吸收系数的差Δε： Δε＝εL－εR εL——物质对左圆偏振光的摩尔吸收系数 εR——物质对右圆偏振光的摩尔吸收系数 仪器测定的一般为椭圆度，摩尔椭圆度［θ］＝３３００Δε，即仪器测定的信号是物质对左圆和右圆偏振光吸收系数的差。 包含纵轴Δε和横轴波长的圆二色谱仅可在吸光带中观测到。ＣＤ产生于电子跃迁。有两种形式的圆二色谱：天然ＣＤ和磁诱导的ＭＣＤ。ＣＤ信号仅在光活性或手性分子中出现。它被广泛地用于测定手性物质的绝对构型和研究生物高分子的构象。 ２．２ 构成 仪器主要由光源部分、单色圆偏振光的产生部分、试样部分和测光部分构成。
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。 简介：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。 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。 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. 576 lc (εl - εd) = 0. 576 lcΔε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
紫外圆二色谱分析蛋白结构 根据电子跃迁能级能量的大小，蛋白质的CD光谱分为三个波长范围: (1) 250nm以下的远紫外光谱区，圆二色性主要由肽键的电子跃迁引起; (2) 250～300nm的近紫外光谱区，主要由侧链芳香基团的电子跃迁引起; (3) 300～700nm的紫外-可见光光谱区，主要由蛋白质辅基等外在生色基团引起。 相应地，远紫外CD主要用于蛋白质二级结构的解析，近紫外CD主要揭示蛋白质的三级结构信息，紫外-可见光CD主要用于辅基的偶合分析。 远紫外CD谱: 在蛋白质或多肽的规则二级结构中，肽键是高度有规律排列的，二级结构不同的蛋白质或多肽，所产生CD谱带的位置、峰的强弱都不同。因此，根据所测得蛋白质或多肽的远紫外CD谱，能反映出蛋白质或多肽链二级结构的信息。 紫外区段（190-240nm），α-螺旋的CD谱在192nm附近有一正峰，在208nm、222nm处呈两个负的特征肩峰；β-折叠在216-218nm有一负峰，在185-200nm有一强的正峰；β-转角则在206nm附近有一正峰；无规则卷曲构象的CD谱在198nm附近有一负峰，在220nm附近有一小而宽的正峰。 近紫外CD光谱： 蛋白质中芳香氨基酸残基，如色氨酸(Trp)、酪氨酸(Tyr)、苯丙氨酸(Phe)及二硫键处于不对称微环境时，在近紫外区250～320nm表现出CD峰。研究表明：色氨酸在290及305nm处有精细的特征峰；酪氨酸在275及282nm有峰；苯丙氨酸在255、260及270 nm有弱的但比较尖锐的峰带；另外芳香氨基酸残基在远紫外光谱区也有CD信号；二硫键于195-200nm和250-260处有谱峰?。总的来说，在250～280nm之间，由于芳香氨酸残基的侧链的谱峰常因微区特征的不同而改变，不同谱峰之间可能产生重叠。 蛋白浓度与使用的光径厚度和测量区域有一定关系，测量远紫外区氨基酸残基微环境的蛋白，浓度范围在0.1~1.0mg/ml，则光径可选择在0.1~0.2cm之间，溶液体积则在200~500ul。而测量近紫外区的蛋白三级结构，所需浓度要至少比远紫外区的浓10倍方能检测到有效信号，且一般光径的选择均在 0.2~1.0cm，相应的体积也需增加至1~2mL。缓冲液可选50~100mmol Tris-HCl、PBS等，尽量除去EDTA。） 测蛋白二级结构的CD峰图中，在正常条件下，正峰或负峰都趋向于最大正/负峰值。图6中由于外界条件（温度）不断升高，导致蛋白的二级结构逐渐被破坏，峰值逐渐向0靠近，趋于平缓。
MOS-450 圆二色光谱扫描操作规程 1.测量波长小于210nm，需要对仪器进行氮气吹扫处理。打开氮气，调整流量 计流速为16.6L/min，通氮气几分钟。确认ALX-250的电源线插在氙灯的位置，并且氙灯已对准光路，具体操作见光源的选择操作说明。然后打开ALX-250光源开关，将氮气流量计流速设为6.6L/min，预热15分钟后，查看ALX-250面板显示，微调旋钮，将功率确定在150W，光源准备完毕。 2.测量波长大于210nm如果无需氮气吹扫，直接打开ALX-250电源，等待功 率稳定在150W后进行下一步操作。 3.打开ALX-250的同时，打开MM-450和PMS-450电源，一起预热15分钟。 4.将装有待测样品空白溶液（如水或缓冲盐）的石英池放入样品仓，盖上盖子， （所用的石英池必须经过仔细的清洗）。 5.点击电脑桌面上的图标，进入BioKine软件操作主界面。 6.点击图1主界面的Device/Scanning Spectrometer，进入光谱扫描界面，如图2。 图1 图2 7. 在要测量波长的范围内取一个波长数值，输入到图2下方的Ex处，点击Enter 键。这时确认按钮变为，然后点击，自动调整HV电压，然 后再点击按钮，锁定此电压值。 8. 点击主界面上方的按钮，选择光谱测量方法，如图3。
图3 Acquisition mode：选择测量模式CD。 Begin(nm)：扫描初始波长 End(nm）：扫描结束波长 Scan Repeat ：扫描次数 Acquisition duration：每个nm的测量持续时间，范围0.05s-20s。圆二色扫描 推荐值20s，建议最小大于1 s。 ShutterAutomatic mode：选择Always open，挡板处于始终打开的状态。 PM gain*10：当在非常低的信号测量，可选择此项，进行信号的增益。 CD parameters：CD的灵敏度，根据信号的振幅设置，有四个不同的选项，1000、 300、100和30 mdeg。 其他选项根据需要可以选择。 以上参数都设置好后，点击OK按钮，参数设置完成，回到主界面。 9. 空白的测量 点击图2主界面Blank spectum区域的Record按钮，记录第一步添加的空白样品谱图，空白谱图显示在主界面中。测量后选择Subtract复选框，将在随后的样品光谱的测量中扣除空白值。 10. 样品的测量 再点击按钮，关闭挡板，取出样品池，将空白样品换成被测样品，然后再放回到样品支架上，盖好样品仓盖。这时再点击，打开挡板。点
高级物理化学实验 实验项目名称：圆二色光谱原理、实验技术及应用 姓名: 张诗群学号：130420123 指导教师：吴舒婷老师成绩评定：评阅教师： 日期：2014 年7 月10 日 一、实验目的： 1 圆二色性； 2 圆二色谱的原理及应用； 3 圆二色谱的相关拓展知识； 4 圆二色谱的实验技术及操作； 二、实验原理： 圆二色性是手性分子在光学上表现的一种特性。光可视为振动方向与传播方向垂直的电磁横波。当光波的电矢量方向以一个固定的角速度以传播方向为轴心匀速旋转时，称之为圆偏振光。根据圆偏振光电矢量旋转方向的不同，可以将其区分为左圆偏振光和右圆偏振光。一束平面偏振光可以看成是由两个振幅和速度相同而螺旋前进方向相反的圆偏振光叠加而成（图1）。两圆偏振光彼此对映，互为镜像。当手性物质在偏振光的波长范围内存在吸收的时候，其对左右圆偏振光的吸收程度，也就是摩尔吸光系数，是不同的。此时不但偏振光的偏振平面将被旋转，构成该偏振光的左右圆偏振光的振幅也将不再相等。组成出射光的左右圆偏振光的电矢量和将沿一个椭圆轨迹移动，此时的出射光就是椭圆偏振光（图2）。这种光学现象就称为手性物质所具有的圆二色性。对于纯手性物质，其椭圆偏振光的椭圆度θ在特定溶剂、浓度、温度和光程下，在特定波长处为定值。同时，在特定波长处的椭圆度θ与在该波长处对左右圆偏振光的摩尔吸光系数之差(Δε)成正比。将θ或Δε对波长作图，即得到圆二色光谱。
图1 右圆偏振光(a)、左圆偏振光(b)及平面偏振光示意图，水平箭头表示光的传播方向。 图2 (a) 平面偏振光的圆组分；(b) 平面偏振光的旋转与圆组分；(c) 椭圆偏振光的旋转与圆组分被吸收的情况。其中，OB与OC分别表示右、左圆偏振光被吸收后的振幅，OD表示OB与OC的矢量和，θ表示椭圆偏振光的椭圆率角，tanθ= OE/OA″≈θ。 圆二色光谱的英文名称为Circular Dichroism，简称CD光谱。其光谱仪的基本测试原理是——通过入射圆偏振光的波长变化，测定手性样品的左圆偏振光和右圆偏振光摩尔消光系数之差Δε。由于CD光谱反映了光和分子间的能量交换，因而只能在有最大能量交换的共振波长范围内测。CD光谱可用于分析一般电子光谱所不能体现出来的能级跃迁的细节，是讨论手性化合物电子跃迁性质的重要表征手段。当测试条件严格一致时，一对对映异构体的CD光谱呈镜像对称。通 常采用光学纯的样品（即仅含单一对映体）进行CD光谱的测定，可由实验值θ
2009年第29卷有机化学V ol. 29, 2009第6期, 848～857 Chinese Journal of Organic Chemistry No. 6, 848～857 * E-mail: zhoucx10@https://www.doczj.com/doc/ac13662900.html, Received September 17, 2008; revised October 22, 2008; accepted November 18, 2008. 国家自然科学基金(No. 30801429)资助项目.
No. 6 甘礼社等：振动圆二色谱: 一种确定手性分子绝对构型的新方法849 定手性分子的绝对构型, 该方法要求分子中必须含有某些基团或者需要衍生化, 而且要用到昂贵的手性试剂. 基于Bijvoet法的X射线衍射也时常成为有机化学家的一项重要选择, 而要确定绝对构型需要分子中有“重原子”, 而且适合的单晶培养也时常限制了它的应用. 与前三者相比, 光谱学方法由于对样品(纯度、官能团、结晶与否等)要求不高, 测量过程无损失, 因而得到了广泛应用. 在光谱方法中, 最有名和应用最广泛的手性分子光学性质为旋光(OR)和圆二色谱(circular dichroism, CD). 组成平面偏振光的左旋和右旋圆偏光在通过手性介质时吸收系数不同(εR≠εL), 吸收系数之差?ε随波长变化即可获得圆二色谱(CD). 对映异构体的CD谱图呈现正负相反. 传统的圆二色谱是指波长在200～400 nm之间的吸收谱, 20世纪70年代, 由于“八区律”、“激子手性法”[5]等方法的发现和发展, 圆二色谱得到了广泛应用. 然而, 传统的圆二色谱要求手性分子必须有紫外吸收, 这一点成为限制其应用的重大问题. 由此人们提出: 如何在红外光区频率下测定圆二色谱? 20世纪70年代, Holzwart[6], Nafie和Stephens等[7]先后成功测定了红外光区频率下的圆二色谱, 即振动圆二色谱(vibrational circular dichroism, VCD). 此后, 随着傅立叶变换红外光谱等新技术的发展, VCD的测量范围逐渐扩大为4000～750 cm?1, 测量精度不断提高, 信噪比不断降低. 1997年, 由Nafie等[7]及其公司ABB Bomem/BioTools 开发的第一台VCD光谱仪ChiralIR上市. 其后, 有多家公司分别推出其傅立叶变换红外振动圆二色谱光谱仪(FTIR VCD spectrometer), 包括: Nicolet/Thermo公司的TOM, Jasco公司的JV-2001/FVC-4000, Bio-Rad公司的FTS-60A, Bruker Optics公司的PMA37/PMA50红外附件等. VCD确定手性分子绝对构型已经得到越来越广泛地应用. 由于振动光谱谱图的复杂性, VCD很难象传统圆二色谱(electronic circular dichroism, ECD)那样发展出合适的理论来进行结构-谱图的对应解释, 而只能依靠理论计算值和实测值对比来判断手性分子的绝对构型. 事实上, 随着量子化学理论的创新(如从头算ab initio, 密度泛函 DFT等)和计算机技术的进步, 很多的有机化学家已经开始采取纯理论计算, 如计算NMR[8]、旋光(OR)[9]和电子圆二色谱(ECD)[10]等, 结合实际中的实验室测定来解决手性分子构型中的许多问题. 振动圆二色谱(VCD)正是在这样的双重推动下, 近年来才取得了巨大的发展, 逐渐成为一项鉴定手性分子绝对构型的强有力的工具[11,12]. 本文将简要介绍振动圆二色谱的原理、确定手性化合物绝对构型的方法和应用. 1 振动圆二色谱的原理与方法 1.1 光的性质和VCD的产生 光是一种电磁波, 是由与传播方向垂直的电场和磁场交替转换的振动形成的. 振动方向与传播方向垂直, 为横波. 横波有一个特性, 就是它的振动是有极性的. 在与传播方向垂直的平面上, 它可以向任一方向振动. 如果把这种光通过一个Nicol棱镜(起偏器), 由于它只允许振动方向与其晶轴平行的光线通过, 其它光被阻挡, 一束光线都在一个平面内振动, 称为平面偏振光(polarized light). 平面偏振光通过手性物质时, 能使其偏振面发生旋转, 这种现象称之为旋光. 产生旋光的原因是, 组成平面偏振光的左旋光和右旋光在手性物质中传播时, 他们的折射率不同(n R≠n L), 这种性质叫做手性化合物的双折射性, 由此造成两个方向的圆偏光在手性物质中的传播速度不同(v R≠v L), 从而导致偏振面的旋转. 用仪器记录通过手性化合物溶液的平面偏振光的振动面偏转的角度, 即为旋光度α, 我们平常所测定的旋光即为波长在589.6 nm的Na灯的黄光下的比旋光度. 旋光度随波长的变化而变化就可获得旋光光谱(optical rotatory dispersion, ORD). 组成平面偏振光的左旋圆偏光和右旋圆偏光在通过手性介质时, 不但产生因折射率、传播速度不同而导致的旋光现象, 而且还产生因吸收吸收系数不同εR≠εL 而导致的“圆二色性”. 用仪器可以记录通过手性化合物溶液的左旋圆偏光和右旋圆偏光的吸收系数之差?ε, ?ε随波长变化即可获得圆二色谱(CD). 传统的圆二色谱(CD)所用的平面偏振光的波长范围一般在200～400 nm, 属于紫外区, 由于其吸收光谱是分子电子能级跃迁引起的, 称为电子圆二色谱(ECD). 与此对应, 当平面偏振光的波长范围在红外区时, 由于其吸收光谱是分子的振动转动能级跃迁引起的, 称为振动圆二色谱(VCD). VCD谱即为红外光中的左旋圆偏光和右旋圆偏光的吸收系数之差?ε随波长变化所给出的图谱(图1). 长期以来, 电子圆二色谱由于其干扰少、容易测定而被广泛应用, 而振动圆二色谱在傅立叶变换红外光谱和量子化学计算的双重推动下, 最近几年才得到越来越广泛的应用. 与ECD相比, VCD的最大优势就是不需要分子中含有生色团(紫外吸收), 几乎所有手性分子都在红外区有吸收, 都会产生VCD谱图.
圆二色谱应用技术 一、实验目的 1、了解圆二色（CD）光谱的工作原理。 2、学会运用圆二色谱测氨基酸，蛋白质，DNA。 二、实验原理 对R和L两种圆偏振光吸收程度不同的现象。这种吸收程度的不同与波长的关系称圆二色谱，是一种测定分子不对称结构的光谱法。圆二色光谱是一种差光谱，样品在左旋偏振光照射下的吸收光谱与其在右旋吸收光谱照射下的偏振光之差。物质的吸收光谱决定物质的颜色。如果一个物质对左旋偏振光和对右旋偏振光的吸收不同,那么称该物质具有圆二色性(circulardi2chroism,简称CD)。同样,如果一个物质对于不同方向的线偏振光的吸收不同,那么该物质具有线二色性。很多各向异性的晶体具有线二色性;而很多生物大分子和有机分子具有圆二色性在分子生物学领域中主要用于测定蛋白质的立体结构，也可用来测定核酸和多糖的立体结构。 圆二色谱仪由光源、单色器、起偏器、圆偏振发生器、试样室和光电倍增管组成。 三、实验步骤 1.通高纯氮气45min后，开机
2.点亮氙灯:打开主机电源INSTRUMENTPOWER;打开氙灯电源XENONLMAPPOWER;等待LMAPready 灯亮；按红色IGNITELMAP 按钮 3.打开主板电源INSTRUMENTPOWER 4.打开Thermocubechiller(开关在冷却器左边） 5.打开软件，设置参数，选择数据保存设置；选择保存位置；开始实验，保存数据 6关软件TerminateCDSProgram 中关闭 7关氙灯电源XENONLMAPPOWER 8关闭Thermocubechiller 9等待10min 后关闭高纯氮气（可先行下述步骤） 10清洗比色皿、注射泵及其他附件 11光盘刻录数据 12关闭主机电源INSTRUMENTPOWER 四、试验结果和数据处 180200220240260280300-250 -200 -150-100 -50 050D e s c r i p t i o n Wavelength(nm)a 180200220240260280300 -10-5 51015 20 D e s c r i p t i o n Wanelength(nm)b
许多生物大分子都是手性分子。所谓手性就是具有不能重叠的三维镜像对应异构体。一般来说，凡具有手性的分子就具有旋光活性，这一点很早就认为人们所认识并广泛应用于研究分子的非对称性结构。振动方向在同一平面内的电磁波为平面偏振光。当一束平面偏光通过介质时，光学活性物质分子对左、右圆偏振光的吸收不同，其差值称为圆二色性。由于存在圆二色性，平面偏振光通过光学活性物质后，其两圆偏振光分量的强度将不同，它们合成的不再是平面偏振光，而是椭圆偏振光。吸收随波长的变化构成圆二色谱。圆二色谱仪利用这一原理，将平面偏振光调制成左圆偏振光和右圆偏振光，并以很高的频率交替通过样品，这两束圆偏振光通过样品产生的吸收差由光电倍增管接收检测。 圆二色谱是快速确定蛋白质和肽二级结构的方法。在紫外区段主要的生色团是肽链，这一范围的圆二色谱包含着肽主链的构象信息。在近紫外区占支配地位的生色基团是芳香氨基酸侧链，这一区域的圆二色谱能给出局域侧链间相互作用的信息。在波长大于300nm 的区域，包括可见光区，对圆二色谱的贡献主要来自含有金属离子的一类生色团，这一波段的圆二色谱对于金属的氧化态、配位体以及链一链相互作用均较敏感。不含非氨基酸发色团的肽和蛋白质在300nm 以上没有吸收或圆二色谱带。 通常由样品圆二色谱形状、谱峰位置、强度以及它们随时验条件的变化本身就可以得到很重要的结构信息。最主要的圆二色谱参量是谱峰位置及该处摩尔椭圆率。酰胺基是用圆二色谱观察肽和蛋白质
的最重要的发色团。已确定它的两种电子迁移方式。n-π迁移通常很弱，在220nm附近呈一个负带。它的能量对氢键的形成敏感。π-π迁移一般较强，在192nm附近出现一个正带，在210nm附近出现一个负带。 а-螺旋、β-折叠构象和不规则构象的比例可用圆二色谱确定。а-螺旋构象的特征是常在222nm和208nm处出现负带，在192nm 处为一正带。短肽在溶液中通常不形成稳定的螺旋，但已表明加入2，2，2-三氟乙醇能使大多数肽的螺旋成分增加。如前文所述，与а-螺旋相比，β-折叠具有不确定性，可以平行或反平行方式形成，它的特征性圆二色谱是在216nm处有一负带，在接近195nm处，有一个相当大的正带。不规则构象的圆二色谱通常在200nm以下有一个较强的负带。 虽然圆二色谱分析不像X线衍射分析那样能给出比较全面的绝对信息，并且它总是必须与标准相比较和利用X线衍射的结果。但它对构象变化灵敏，因此通过圆二色谱的观察和分析可以灵敏地检测一些反应引起的构象变化，并进一步进行半定量测定。由于常规圆二色谱仪所检测的光谱范围一般在200nm以上，丢失了200nm以下的重要信息，因此从远圆二色谱上一般得不到精确的结果。近10多年来，随着同步辐射光的出现，圆二色谱区的扩展已经成为现实。现在，利用同步辐射光作为光源，可以把圆二色谱区拓展到110-130nm，实现了真空紫外圆二色。此外，磁圆二色与振动圆二色的发展可以用来探测普通光谱学无法分辨的分子的多重跃迁及某些分子激发态的