一、引言

在现代分析化学和生物物理学中，圆二色谱（Circular Dichroism, CD）作为一种重要的光谱技术，广泛应用于研究物质的结构特性。尤其是在蛋白质、核酸等生物大分子的研究中，CD技术以其高灵敏度、非破坏性和快速检测能力而备受关注。本课件将系统介绍圆二色谱的基本原理、仪器组成、数据解析方法及其在实际中的应用。

二、圆二色谱的基本概念

1. 光的偏振特性

自然光是由不同方向振动的电磁波组成的，而偏振光则是具有特定振动方向的光。当光通过某些物质时，其偏振状态可能会发生变化。

2. 圆偏振光

圆偏振光是一种特殊的偏振光，其电场矢量在传播过程中以螺旋方式旋转，可分为左旋（LCP）和右旋（RCP）两种形式。

3. 圆二色性

圆二色性是指某些物质对左旋和右旋圆偏振光吸收程度不同的现象。这种差异是CD光谱的基础。

三、圆二色谱的原理

1. 基本原理

CD光谱测量的是样品对左旋和右旋圆偏振光的吸收差异。通过比较这两种光的吸光度差值，可以获取关于样品分子构型的信息。

2. 吸收差异的来源

CD信号主要来源于分子中不对称的原子排列，如手性中心或共轭体系的不对称分布。这些结构特征会影响光的吸收行为。

3. 公式表达

CD信号通常用ΔA表示，即：

$$

\Delta A = A_{\text{LCP}} - A_{\text{RCP}}

$$

其中，$A_{\text{LCP}}$ 和 $A_{\text{RCP}}$ 分别为左旋和右旋圆偏振光的吸光度。

四、圆二色谱仪的结构

1. 光源

通常使用紫外-可见光源，如氙灯或氘灯，提供连续波长范围的光。

2. 偏振器

用于产生左旋或右旋圆偏振光，有时也使用可调偏振器来切换光的偏振状态。

3. 样品池

样品放置在透明的石英或玻璃样品池中，确保光线能够顺利通过。

4. 检测器

用于检测透射光的强度，并记录左右旋光的吸光度差异。

5. 数据处理系统

将原始数据转化为CD光谱图，并进行进一步分析。

五、CD光谱的特点

1. 高灵敏度：适用于微量样品的检测。

2. 非破坏性：不改变样品的物理化学性质。

3. 结构信息丰富：能反映分子的立体构型和二级结构。

4. 操作简便：实验步骤相对简单，适合常规分析。

六、CD光谱的应用领域

1. 生物大分子结构研究

- 蛋白质二级结构（α-螺旋、β-折叠等）的鉴定。

- 核酸构象变化的监测。

2. 手性药物分析

- 评估药物的对映体纯度。

- 研究药物与生物分子的相互作用。

3. 材料科学

- 分析有机半导体材料的手性结构。

- 研究纳米材料的光学性质。

4. 化学反应动力学

- 监测反应过程中手性中心的形成或转化。

七、CD光谱的数据解读

1. 光谱图的构成

CD光谱通常以波长为横坐标，ΔA为纵坐标，显示不同波长下的吸收差异。

2. 特征峰的意义

- 在200–250 nm范围内，蛋白质的CD信号主要反映α-螺旋结构。

- 在250–300 nm范围内，β-折叠结构表现出明显的负峰。

3. 定量分析

通过标准曲线法或计算模型，可对样品浓度或结构含量进行定量分析。

八、CD技术的局限性

1. 仅适用于手性物质：对非手性物质无响应。

2. 对复杂体系敏感：容易受到杂质或溶剂的影响。

3. 无法提供三维结构信息：只能提供部分结构信息。

九、结语

圆二色谱技术作为一种重要的分析手段，在生命科学、药物研发和材料科学等领域发挥着重要作用。随着仪器性能的提升和数据分析方法的进步，CD技术的应用前景将更加广阔。掌握其原理与应用，有助于深入理解分子结构与功能之间的关系。