圆二色谱

圆二色谱
圆二色谱是一种特殊的吸收普，它对手性分子的构象十分敏感，因此它是最重要的光谱实验之一。

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。

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)。

利用法拉第效应，在外加磁场作用下，许多原来没有光学活性的物质也具有了光学活性，原来可测出CD谱的在磁场中CD信号将增大几个量级。

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，因此近十几年来，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。

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。

基本定义和原理
一束平面偏振光通过光学活性分子后，由于左、右圆偏振光的折射率不同，偏振面将旋转一定的角度，这种现象称为旋光，偏振面旋转的角度称为旋光度。

朝光源看，偏振面按顺时针方向旋转的，称为右旋，用“+”号表示；偏振面按逆时针方向旋转的，称为左旋，用“-”号表示。

为了揭示物质的旋光性，菲涅耳作了如下的假设，线偏振光在旋光晶体中沿光轴传播时，分解成了左旋和右旋圆偏振光，它们的传播速度略有不同，或者说它们的折射率不同，经过旋光晶片后产生了附加的相位差，从而使出射的合成线偏振光的振动面有了一定角度的偏转。

如果旋光物质对特定波长的入射光有吸收，而且对左旋和右旋圆偏振光的吸收能力不同，那么在这种情况下，不仅左旋和右旋圆偏振光的传播速度不同，而且振幅也不同，随着时间的推移，左右旋圆偏振光的合成光振动矢量的末端，将循着一个椭圆的轨迹移动。

这就是说，由速度不同振幅也不同的作右旋圆偏振光叠加所产生的不再是线偏振光，而是椭圆偏振光，这种现象称为圆二色性.
旋光度：α = [α]lc [α]是旋光物质的比旋光率，单位是度•厘米2 • 10克-1对同一物质，[α]值与波长有关，旋光率与波长的关系称为旋光色散(Optical rotatory dispersion, ORD)。

旋光色散常用摩尔比旋[Φ]表示： [Φ] = [α]*M/100
圆二色性可用吸收率差和椭圆度来表示：
吸收(率)差 ：ε∆ = εL - εR
∆A = AL – AR
椭圆度θ，摩尔椭圆度[θ]
θ=2.303(AL – AR)/4
[θ] = 3298(εL - εR)≈3300 (εL - εR)
旋光色散和圆二色是同时产生的，他们包括同样的分子结构信息，并且可以由Kronig-Krammers转换方程相互转换。

圆二色仪原理
光弹调制器由调制头和控制器组成，调制头主要由一块适当的透光材料(例如熔石英或氟化钙等)附着在压电传感器上组成。

利用光弹效应，它能使线偏振光变成高频振荡的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光。

这样当同步辐射线偏振光由单色器单色化后，进人样品室通过光弹调制器的调制头时，就变成了高频振荡(如50kHz)的左旋和右旋圆偏振光，会聚于样品中心。

若是手性样品，则对左、右旋圆偏振光的吸收不同。

为了检测到这种非常微弱的圆二色信号，我们重新设计制造了微弱信号前置放大器，采用多级选频，交、直流分路放大的原理，使CD信
号由拜V级提高到mV级，信噪比大大改善，再通过锁相放大器就采集到稳定的CD信号。

对不同波长，样品的CD值也不同，由步进电机控制单色器进行波长扫描，就得到了该样品的CD谱。

利用计算机数据自动采集系统，可将所需数据采集存储起来，也可实时在记录仪上画出CD曲线，供进一步分析用。

圆二色谱应用
圆二色光谱仪通过测量生物大分子的圆二色光谱从而得到生物大分子
的二级结构，是简便和快捷的获得生物大分子结构的手段之一。

可应用于蛋白质折叠﹑蛋白质构象研究 ,DNA/RNA 反应 , 酶动力学 , 光学活性物质纯度测量 , 药物定量分析。

天然有机化学与立体有机化学 , 物理化学 , 生物化学与宏观大分子 , 金属络合物 , 聚合物化学等相关的科学研究。

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。

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。

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。

1969年,Ｇｒｅｅｎｆｉｅｌｄ最早用ＣＤ光谱数据估计了蛋白质的构
象[3],相关的研究方法陆续有报道。

特别是近十几年来,用远紫外圆二色数据分析蛋白质二级结构,不但在计算方法和拟合程序上有了极大地发展,而且随着Ｘ 射线晶体衍射与核磁共振技术的提高,越来越多的蛋白质的精确构象得到测定,
为ＣＤ数据的拟合提供了更精确的数据库。

另外有人还发现用ＣＤ光谱研究蛋白质三级结构具有独特优点,发展了用远紫外ＣＤ光谱辨认蛋白质三级结构的方法及相关程序;此外,近紫外圆二色作为一种灵敏的光谱探针,可反映蛋白质中芳香氨基酸残基、二硫键微环境的变化。

ＣＤ光谱技术作为研究溶液状态下蛋白质或多肽构象的一种重要手段,已受到研究者的广泛关注。

圆二色光谱分区
圆二色光谱紫外区段(190 － 240nm )，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。

在近紫外区(240 － 300nm )，
占支配地位的生色团是芳香胺基侧链，这一区域可以给出“局域”侧链间相互作用的信息。

在波长大于 300nm 的区域，包括可见区域，对 CD 的贡献来自含有金属离子的生色团，这一波段的 CD 谱对金属离子的氧化态、配位态及链－链相互作用均是敏感的。

圆二色光谱对全α、 α /β和变性蛋白质的准确度为100%，对α + β的准确度为85%，对全β的准确度为75%。

对多肽的判断较差！
园二色谱技术发展得较早,成为立体化学研究的重要手段之一。

但此项技术是以可见及近紫外作为入射光源,这就要求被研究的手性分子要具有发色基团,通过对发色基团的研究来获得分子结构信息,因此它只能提供分子局部的结构信息。

这一缺点大大地限制了此项技术的应用范围。

参考文献:
1 Nicholas C Price.Circular Dichroism: Studies of Proteins. ENCYCLOPEDIA OF LIFE SCIENCES. Nature Publishing Group 2001 :1-4.
2 沈星灿，梁宏，何锡文等.园二色谱分析蛋白质构象的方法及研究进展.分析化学评述与进展，2004，32（3）：388-394
3 曲世鸣，张鲁殷，薛玉章.园二色性对旋光现象的影响.大学物
理,2001,20(12):18-19
4 王渭，李崇慈，赵南生.BSRF园二色谱研究进展.光谱学与光谱分析，1996，16（1）：25-28
5 lIU Tao, RUAN Wen-Juan, MAN Jing etc. CD Spectroscopic Study on the Molecular Recognition of Chiral Salen-Metal Complexes. CHINESE JOURNAL OF CHEMISTRY,2003,21:751-755
6 林波海.蛋白质二级结构的真空紫外园二色性研究.生物化学与生物物理进展，1994，21（1）：67-69
7 赵南明，周海梦.生物物理学.高等教育出版社，施普林格出版社.330-344。