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1、第二章 折射、旋光和圆二色性法参考文献赵藻藩 等编，仪器分析，高等教育出版社，北京，1990何金兰，仪器分析原理，科学出版社，北京，2002 刘骥 等编，医用生物物理学，人民卫生出版社，1997Richard A. Paselk, The Evolution of the Abbe Refractometer, Bulletin of the Scientific Instrument Society, 1999, 62, 19-22, http:/humboldt.edu/scimus/Essays/EvolAbbeRef/EvolAbbeRef.htm目 录2-1 折射法2-1-1 折射法
2、基本原理2-1-2 折射仪2-1-3 折射法的应用2-2 旋光和圆二色性法2-2-1 旋光法基本原理2-2-2 旋光法和圆二色性法的仪器2-2-3 旋光法和圆二色性法的应用2-1 折射法 折射法 (Refractometry) 是通过测量物质的折射率来获得某些分析信息的方法。这种方法的优点是快速，设备简单。但由于折射率是物质的一种非专一的性质，所以在分析化学中的应用受到很大的限制。2-1-1 折射法基本原理1. 折射现象真空：n=1空气：n=1.000272. 影响折射率测量的因素温度 n20波长 n20D压力 对气体折射率的影响大3. 比折射度与摩尔折射度 辐射光束在介质中的传播速度，与其中
3、电子的密度及电子周围的环境有关。这一情况可以通过比折射度这一参数来表征。混合溶液的比折射度具有加合性：比折射度： d：密度摩尔折射度： Mr：相对分子量m、m1、m2分别为混合液、组分1组分2的质量4. 色散系数nD: 钠黄光 589.3nmnF: 氢蓝光 486.1nmnc: 氢红光 656.3nm2-1-2 折射仪1. 折射计np：棱镜的折射率光源为单色光阿贝折射计 光源为白光，利用Amici棱镜作补偿器，消除钠黄光以外光线的干扰。1869年，Ernst Abbe搭建了第一台折射仪。阿贝折射仪2W.2WAJ 主要技术规格 2W 2WAJ 折射率ND测量范围1.300-1.7001.300-
4、1.700 折射率ND测量准确度 0.00030.0002 折射率ND最小分度值 0.001 0.0005 糖量浓度(%)测量范围 0-95 0-95 糖量浓度(%)最小分度值 0.5 0.25 是测量透明,半透明液体或固体的折射率ND和平均色散Nf-Nc的仪器。并能测出糖溶液内含糖量浓度的百分数。接上恒温器则可测定液体温度在0-70范围内的折射率ND。上海光学仪器五厂2. 干涉仪 利用光干涉的原理进行测量。精度高，无可动部件，可以连续测定某一样品，适合于动力学研究。参考液体的折射率应当已知。2-1-3 应用1定性分析根据已知的折射率数据，判断有机化合物的纯度食品检验，如牛奶是否被掺水。2定量
5、分析二元混合物的分析简单体系微量杂质的测定3有机物结构鉴定根据色散系数进行鉴定蔗糖溶液的质量分数0-95%，相当于折射率为1.333-1.531。目 录2-1 折射法2-1-1 折射法基本原理2-1-2 折射仪2-1-3 折射法的应用2-2 旋光和圆二色性法2-2-1 旋光法基本原理2-2-2 旋光法和圆二色性法的仪器2-2-3 旋光法和圆二色性法的应用2- 2 旋光和圆二色性法 旋光法(Polarimetry)是一种很早就出现并应用广泛的研究分子非对称性结构的光学方法。随着旋光色散 (或称旋光光谱 Optical Rotatory Dispersion，ORD) 和圆二色谱 (Circula
6、r Dichroism，CD) 这些灵敏方法的出现，使得人们有可能从这些实验技术中得到一些新的结构信息，为更深入地研究分子的立体化学和电子结构提供了条件ORD和CD在测定手性化合物的构型和构象、确定某些官能团(如羰基)在手性分子中的位置方面有独到之处，是其它光谱无法代替的。 2-2-1 旋光法基本原理1. 旋光及旋光光谱平面偏振光可以分解成左右圆振光。叠加原理一束一束自然光自然光可以分解或看作两束相互垂直而没有相位关系可以分解或看作两束相互垂直而没有相位关系的的平面偏振光平面偏振光的加和。的加和。平面偏振光平面偏振光可以分解成两束相位相等而旋转方向相反的可以分解成两束相位相等而旋转方向相反的圆
7、圆偏振光偏振光的加和。的加和。当振幅相等，并同步的左、右当振幅相等，并同步的左、右圆偏振光圆偏振光相加，则产生相加，则产生平面平面偏振光偏振光；如果这两束；如果这两束圆偏振光圆偏振光的振幅不等则产生的振幅不等则产生椭圆偏振椭圆偏振光光(elliptically polarized light) 两束相互垂直而相位相差两束相互垂直而相位相差1/4波长的波长的平面偏振光平面偏振光可以加和可以加和成一束成一束圆偏振光圆偏振光 平面偏振光通过旋光活性介质后，由于左、右圆偏振光的折射率不同，振动方向发生改变，转了一个角度。这种现象称为旋光， 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“
8、+”号表示；偏振面按逆时针方向旋转的，称为左旋，用“-”号表示比旋光度摩尔旋光度T：温度：温度 ：波长：波长l：介质厚度：介质厚度 ：介质密度：介质密度c：g/100mLMr：相对分子量：相对分子量 测量不同波长下的，得到旋光色散曲线。两种类型的旋光色散曲线：平坦型：旋光度随波长单调上升或下降。科顿效应曲线：存在波峰或波谷，一般在吸收带附近。统称旋光光谱。 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=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
9、，。 分子中有一个简单的发色团(如羰基)的ORD谱线，ORD曲线在紫外光谱max处越过零点，进入另一个相区。形成的一个峰和一个谷组成的ORD谱线，称为简单科顿效应(Connton effect,CE)谱线。 当波长由长波一端向短波一端移动时，ORD谱由峰向谷变化称为正的康顿效应；而ORD谱线由谷向峰变化则称为负的康顿效应。而ORD与零线相交点的波长称为K。谷至峰之间的高度称为振幅。2. 圆二色性（Circular Dichroism，CD） 光学活性分子对左、右圆偏振光的吸收也不同，使左、右圆偏振光透过后变成椭圆偏振光，这种现象称为圆二色性。椭圆度比椭圆度摩尔椭圆度圆二色性的表示吸收吸收(率率
10、)差差 = L - R A = AL AR 椭圆度椭圆度 ，摩尔，摩尔椭圆度椭圆度 =2.303(AL AR)/4 = 3298(L - R)3300 (L - R)在蛋白质研究中，常用平均残基摩尔在蛋白质研究中，常用平均残基摩尔椭圆度椭圆度旋光色散与圆二色相互转换旋光色散和圆二色是同时产生的，他们包括同样的分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，并且可以由子结构信息，并且可以由Kronig-Krammers转换方程相转换方程相互转换。互转换。2-2-2 旋光法和圆二色性法的仪器1.旋光计一般得到钠黄光处的旋光度数显自动旋光仪 WZZ-2A 通过对样品旋光度的测量，可以分析
11、确定物质的浓度、含量和纯度等。主要技术规格：测量范围：45不准确度：(0.01+测量值5/10000)可测样品最低透过率：10%（对钠光）显示器：自动数字显示，最小读数值0.005试管长度：100mm/200mm上海光学仪器五厂2.分光旋光计绘制旋光光谱3.圆二色计(圆二色谱仪)圆二色谱仪 J-810日本分光公司（JASCO）Applications: Protein/Peptide confirmation studies Thermal and chemical denaturation studies Structural determination The J-810 is the l
12、atest introduction to the long line of Circular Dichroism instrumentation from Jasco. Unparalleled optical performance and optionally available measurement modes are combined in a manner to make the J-810 true chirooptical spectroscopy workbench.2-2-3 旋光法和圆二色性法的应用1.单波长旋光法蔗糖 + 水 葡萄糖 + 果糖酸还原简单体系的分析和纯度
13、鉴定，动力学研究反应机理研究2.旋光色散法有机物结构分析3.圆二色性法 用用于于蛋蛋白白质质折折叠叠、蛋蛋白白质质构构象象研研究究,DNA/RNA反反应应，酶酶动动力力学学，光光学学活活性性物物质质纯纯度度测测量量，药药物物定定量量分分析析。天天然然有有机机化化学学与与立立体体有有机机化化学学，物物理理化化学学，生生物物化化学学与与宏宏观观大大分分子子，金金属属络络合合物物，聚聚合合物化学等相关的科学研究。物化学等相关的科学研究。 例1：(+)-天然樟脑构型的确定 天然樟脑(+)-樟脑可能有两种绝对构型，W. HVekel曾人为的指定它为A那样的构型，而Fredge等人却确定它为B那样的构型
14、。最后根据(+)-樟脑的CD和ORD谱，构型确定为A。AORDCD300 400 500 600 700 / nm例2：鼠肝组蛋白与尼古丁作用后的构象变化 采用紫外差谱、荧光光谱和圆二色性光谱法对鼠肝组蛋白H1和H3与尼古丁作用后的构象变化进行了体外研究. 结果表明，随尼古丁作用剂量的增加其构象逐渐由有序向无序变化，这可能是尼古丁或其代谢产物与组蛋白H1，H3发生加合。组蛋白H1（左）、H3（右）与尼古丁作用后的CD光谱 曲曲线线1-6尼尼古古丁丁反反应应浓浓度度分分别别为为：0，0.10，0.20，0.40，0.80，1.60 mmol/L；组蛋白；组蛋白H1、H3的测定浓度均为的测定浓度均为0.275 mmol/L平均氨基酸残基浓度。平均氨基酸残基浓度。 吴小红，孙红芳，刘元方，吴小红，孙红芳，刘元方，科学通报科学通报，1999，44，2504-2508
