圆二色性

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第400页（2572字）

圆二色性(CD)和旋光色散(ORD)都用于测定分子的立体结构。

旋光色散是利用不对称分子对左圆偏振光、右圆偏振光折射的不同进行结构分析，而圆二色性则利用不对称分子对左圆偏振光、右圆偏振光折射的不同来进行结构分析。

振动方向在同一平面内的电磁波为平面偏振光。两束互相垂直，振幅相等的平面偏振光，其位相相差四分之一波长时，它的合成矢量E的末端轨迹沿着螺旋形旋转，如果对着光的传播方向观察，电矢量的末端轨迹为一圆，这就是圆偏振光。电矢量顺时针旋转时称为右圆偏振光，逆时针方向旋转时为左圆偏振光。

振幅相等的左圆偏振光、右圆偏振光合成平面偏振光。其振动方向由左圆偏振光、右圆偏振光的位相决定。振幅不等的左圆偏振光、右圆偏振光合成椭圆偏振光。椭圆偏振光常用主轴方向和椭圆度来表征它的特性，主轴方向即椭圆长轴的方向，是由左圆偏振光、右圆偏振光的位相决定的。

椭圆度是一个角度，用θ表示。这个角度的正切是椭圆的短轴与长轴之比。

当左圆偏振光、右圆偏振光射入物质时，光学活性物质分子对左圆偏振光、右圆偏振光的吸收A_L和A_R不同，其吸收差△A=A_L－A_R就是圆二色性。如果A_L－A_R＞0，则CD为“+”，相应于正科顿(Cotton)效应；如果A_L－A_R＜0，则CD为“－”，相应于负科顿(Cotton)效应(见“旋光色散”条)。

由于这种吸收差，造成矢量振幅差，所以从介质出来的光将是椭圆偏振光，常用椭圆度θ或吸收差△A表示，θ和△A可用圆二色仪测定。实际工作中常用以下定义和符号：比椭圆度［ψ］_λ和摩尔椭圆度［θ］_λ，下式中C为旋光物质的浓度。

摩尔椭圆度〔θ〕_λ与圆二色性△A之间的关系为：

〔θ〕_λ=3300(A_L－A_R)_λ=3300△A_λ

圆二色谱和旋光色散谱本质上是相同的。利用克洛尼－克拉玛(Kronig-Kramor)关系式可将圆二色谱和旋光色散谱进行换算。

实际上CD与ORD谱的相互换算主要在于理论意义，实际意义不大。从光学活性物质的吸收光谱、圆二色谱和旋光色散谱可以看到它们的相互关系。

同一个光学活性物质的吸收峰和CD峰的峰位相同，即在此波长的吸光度A和椭圆度θ均为最大，而在此波长的旋光度却等于0，与吸收峰不一致，如果包含一系列复杂的旋光带就很难分辨，图谱解析就十分困难。这也就是为什么旋光色散法已被圆二色性法替代的原因。

圆二色仪由于需要将平面偏振光调制成左圆偏振光、右圆偏振光，并以很高的频率交替通过样品，因而设备远较旋光色散仪复杂，完成这种调制的是CD调制器。

CD调制器早期用Pockel’s cell，是由磷酸二氢钾或磷酸二氢铵晶体制成的。

晶体易潮解，维护比较困难，改进后的压电晶体调制器和光弹性调制器克服了Pockel’s cell的缺点。圆二色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互相垂直的面偏振光，由单色器的出射狭缝排除一束非寻常光后，寻常光由CD调制器调制成交变的左圆偏振光、右圆偏振光。

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。由于CD分析对检测重叠的多带、弱带和具有正、负Cotton效应带的样品，比ORD分析简单可靠，而且CD提供的信息多而明确，所以虽然圆二色仪比旋光色散仪复杂而且昂贵，但在CD仪器制成后，已逐渐代替ORD分析。CD和ORD是研究分子的立体结构和溶液构象的有力手段，如通过对激素、抗生素和一些药物的结构分析可进一步搞清这些药物的分子药理机理，从而设计和制造新的药物。在分子生物学和生物化学的研究中，主要用于测定生物大分子的二级结构，如蛋白质的α－螺旋、β－折叠、无规卷曲、核酸的双螺旋和碱基堆积等，不同的构象有不同的CD谱。

氨基酸的α碳是不对称碳，具有光学活性。在蛋白质分子中，每个残基的α碳仍然是不对称碳，此外主链构象也是不对称结构，因此也有光学活性。

根据蛋白质的CD谱将其与模型多肽或与从X射线衍射技术得到的参数加以比较和计算，就可得到蛋白质大分子各种二级结构的量，并从大分子二级结构的情况，可以推测其结构与功能的关系，如酶与底物、小分子与大分子的相互作用等。

RNA和DNA的碱基呈平面状，无旋光性，但核苷和核苷酸则有旋光性，其旋光性与碱基的性质及核糖或脱氧核糖的核苷键有关，表现为正的或负的Cotton效应。在核苷酸键合成多核苷酸时，旋光强度增大，ORD和CD是测定多核苷酸结构变化最灵敏的方法，如单体到多聚体，碱基堆积或由于温度、pH引起的多聚体的螺旋变化，都会在CD和ORD谱上有明显的反映；除以上内源Cotton效应以外，在核酸研究中还广泛应用外源Cotton效应，如氨基酸与DNA的作用。

随着远紫外圆二色技术、磁圆二色技术的发展以及计算机、激光等的引入，圆二色技术的灵敏度将更高，应用范围也更广。

。【参考文献】：

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(中国科学院生物物理所郭尧君研究员撰)