章圆二色谱的原理

圆二色谱是一种特殊的吸收谱，用于检测手性小分子、生物大分子(如DNA分子、蛋白质和多糖)等的构象信息，广泛应用在化学、生物、材料和药学等领域。

手性是实物和其镜像不能重叠的现象，手性分子的分子式相同，但其原子或原子团在三维空间的排布不同。手性化合物的熔点、沸点、溶解度等物理性质在非手性环境中基本相同，但其旋光性不同。另外手性分子在手性环境中，尤其在生理条件下表现出不同的生理性质。

从手性小分子到DNA分子、蛋白质和多糖等生物大分子都具有手性。研究手性化合物的方法有X射线单晶衍射，核磁共振，旋光和圆二色谱等。其中圆二色谱法具有样品量少、对测试样品纯度要求低、测试样品分子量范围宽、仪器操作简单等特点。

圆二色谱与紫外—可见光谱存在紧密的联系。圆二色谱的谱带范围与紫外—可见光谱一致，即只有具有紫外—可见光谱的手性化合物才可能具有圆二色谱的特征。因此要理解圆二色谱的原理必然首先掌握紫外—可见光谱的原理及特征，以及影响因素。

本章将从紫外—可见光谱的原理及特征、圆二色性、圆二色谱和圆二色谱仪等四方面介绍。

节紫外—可见光谱

一、光的波粒二象性

光是能量的一种传播方式。光源之所以发出光，是因为光源中原子、分子的运动，而原子和分子运动方式主要有三种，即热运动、跃迁辐射(包括自发辐射和受激辐射)和光辐射(物质内部带电粒子加速运动产生)。热运动是生活中常见的，跃迁辐射主要用于激光，光辐射又分为紫外辐射、可见光辐射和红外辐射。

在科学定义上，光有时候是指所有的电磁波。光是一种肉眼可以看见(接收)的电磁波(可见光谱)。光是由一种称为光子的基本粒子组成的。具有波动性和粒子性，即波粒二象性。

波动性：可用波长(λ)、频率(v)和波数(σ)来描述，如式(1.1)所示：(1.1)

式中：v为频率，单位为Hz；c为光速，其量值为；λ为波长，单位为nm；σ为1cm长度中波长的数目。

粒子性：可用光量子的能量来描述，如式(1.2)所示：(1.2)

式中：E为光量子能量，单位为J；h为普朗克常数，其值为。

二、光谱学

光谱学是涉及物理学和化学的一门交叉学科，光谱被用来研究电磁波与物质之间的相互作用。光是一种由各种波长(或频率)的电磁波叠加起来的电磁辐射。光谱是复色光经棱镜或光栅等色散系统分光后，被色散开的单色光按波长(或频率)大小而依次排列的图案，全称为光学频谱。光谱与电磁波的关系、产生原理及检测方法见表1.1。

表1.1光谱与电磁波的关系、产生原理及检测方法

随着科学技术的发展，光谱学所涉及的电磁波波段不断拓展，基本覆盖了整个电磁波波段(从0.005～1000m)，如表1.1所示，包括γ射线、X射线、远紫外线、紫外线、紫外—可见区、红外线区、微波，以及无线电波等。根据光与物质的作用形式，光谱一般分为吸收光谱、发射光谱和散射光谱等。其中，吸收光谱是指物质吸收光子，从低能级跃迁到高能级而产生的光谱，如紫外—可见光谱。发射光谱是指物体发光直接产生的光谱，如荧光光谱。散射光谱是指光照射到物质上，会发生非弹性散射，在散射光中与激发光波长相同的弹性成分叫瑞利散射，而比激发光波长短的成分叫拉曼效应。

通过研究光谱学，人们可以解析原子与分子的能级与结构、特定化学过程的反应速率、某些物质在太空中特定区域的浓度分布等多方面的微观和宏观信息。另外，人们可利用物质的特定组成结构来产生具有特殊光学性质的光谱，如特定频率的激光等。光谱学不仅是一门基础科学，也是一种重要的定性、定量测量方法，例如分析水质中各项物质含量，通过分析血液中蛋白质的含量进行疾病预防与检测，使用波段进行光纤通信等。自20世纪中叶激光被发现以来，人类对于光的控制达到了新的阶段，可以产生具有前所未有的亮度、频率分布以及时间分辨率的电磁辐射，开启了通向非线性光学与非线性光谱学的大门，使得光谱学进入了新的时期。

三、光谱学的发展历程

光谱学的研究已有三百多年的历史。早研究光谱学的是英国物理学家牛顿，1666年，牛顿把太阳光通过玻璃棱镜后分成从红光到紫光的各种颜色的光谱，白光是由各种颜色的光组成的(图1.1)，由此发展了颜色理论。

图1.1白光通过棱镜后分成从红光到紫光的光谱

1802年，渥拉斯顿发现太阳光谱暗线。1814年，夫琅和费利用阳光照亮的窄缝作为白光源通过棱镜也观察到了光谱暗线。进而，他又制备了光栅，个观察到光栅光谱。每条谱线只代表一种"颜色"的光。这里颜色一词是广义的。牛顿之所以没有能观察到光谱线，是因为他使太阳光通过圆孔而不是通过狭缝。在1814～1815年，夫琅和费公布了太阳光谱中的许多条暗线，并利用衍射原理测出它们的波长，将576条暗线编制成表，并用字母A、B、C、D、 、I等将其中主要的线命名，其中有些命名沿用至今，此后便把这些线称为夫琅和费暗线。此外，他还在星光中发现了某些谱线。他用这些谱线测量了各种光学玻璃的折射率，达到以前从未有过的精度，解决了大块高质量光学玻璃制造的难题。他用几何光学理论设计和制造了消色差透镜以取代过去盲目试验的方法，还首创用牛顿环方法检查光学表面加工精度及透镜形状。他还制造了大型折射望远镜等光学仪器，使当时光学技术的由英国转移到德国，推动了精密光学工业的发展。1821年，他发表了平行光单缝衍射的研究结果(后人称平行光衍射为夫琅和费衍射)，做了光谱分辨率的实验，个定量地研究了衍射光栅，制成由260条平行线组成的光栅，并用它测量了光的波长。1823年他又用金刚石刀刻制了玻璃光栅(3200条/巴黎寸)，给出了至今通用的光栅方程。

19世纪60年代，基尔霍夫和本生发展了实用光谱学，他们证明光谱学可以用作定性化学分析的新方法，并利用这种方法发现了几种当时还不为人所知的元素，并且证明在太阳里存在着多种已知的元素。

当一束具有连续波长的光通过一种物质时，光束中的某些成分便会有所减弱，当经过物质而被吸收的光束由光谱仪分成光谱时，就得到该物质的吸收光谱。几乎所有物质都有其独特的吸收光谱。原子的吸收光谱所给出的有关能级结构的知识同发射光谱所给出的是互为补充的。

吸收光谱的光谱范围大约从10nm到100000nm(图1.2)，其中可见光区为390～770nm。在200nm到800nm的光谱范围内，可以观测到固体、液体和溶液的吸收，这些吸收有的是连续的，称为一般吸收光谱，即紫外？可见光谱；有的显示出一个或多个吸收带，称为选择吸收光谱。所有这些光谱都是由于分子的电子态的变化而产生的。

图1.2吸收光谱的光谱范围及其可见光区

选择吸收光谱在有机化学中有着广泛的应用，包括对化合物的鉴定、化学过程的控制、分子结构的确定、定性和定量化学分析等。

四、紫外—可见吸收光谱

紫外—可见吸收光谱(ultraviolet and visible spectroscopy，UV-Vis)是由价电子的跃迁而产生的。紫外—可见吸收光谱是利用物质的分子和离子对紫外和可见光的吸收所产生的光谱及吸收程度对物质的组成、含量和结构进行分析、测定和推断的分析方法。一般有机化合物中存在三种电子之间的跃迁，即σ电子、π电子和n电子。从基态向激发态跃迁，主要有4种跃迁形式，这4种跃迁所需能量大小为：如图1.3所示。

图1.3有机化合物中电子跃迁的种类

跃迁，所需能量，在远紫外区(100～200nm)；

跃迁，大部分也在远紫外区(100～200nm)；

跃迁，外端在近紫外区，有助色团存在时会使跃迁红移，另外随着共轭体系的增长，吸收波长向长波长方向移动，并且吸收强度增大；

跃迁，一般吸收强度较弱。紫外—可见吸收光谱通常研究的是跃迁和跃迁。

紫外—可见吸收光谱遵循朗伯—比尔定律，如式(1.3)所示：(1.3)

式中：A是吸光度；ε是消光系数；c是溶液的摩尔浓度；l是样品池的长度。

将不同波长的光透过某一固定浓度和厚度的样品溶液时，测量每一波长下样品溶液对光的吸收程度，即吸光度，然后以波长为横坐标，以吸光度为纵坐标作图，可得一条曲线。这条曲线描述了物质对不同波长的光的吸收能力，称为吸收曲线或吸收光谱(图1.4)。紫外—可见吸收光谱图中，横坐标一般为吸收光的波长，单位为纳米(nm)，纵坐标可以是吸收光的强度(A)、透过率(T)、吸收率(1-T)或消光系数(ε)中的任何一个。吸收曲线表示化合物的紫外—可见吸收情况，曲线吸收峰的横坐标为该吸收峰的位置，对应的纵坐标为该吸收峰的吸收强度。

图1.4紫外—可见吸收光谱图

紫外—可见吸收光谱具有灵敏度高、度高、选择性好、操作方便和分析速度快等特点。利用紫外—可见光谱不仅可进行定量分析，还可利用吸收峰的特征进行定性分析和简单的结构分析，此外还可用于测定平衡常数以及配合物配位比等。

第二节圆二色性

一、平面偏振光

如前所述，光是一种电磁波，它的电场或磁场振动的方向与光前进的方向垂直。在普通光中，光波可以在垂直于前进方向的平面上的任何方向振动。因此，光波的传播方向就是电磁波的传播方向，如图1.5所示。振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振，它是横波区别于其他纵波的一个明显的标志，只有横波

图1.5光波的振动和传播