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一文读懂 | 手性光谱仪器的基本原理(内含多图及公式)

   日期:2022-12-30     浏览:31    
核心提示:早在19世纪初,人们已经发现某些晶体能使通过的偏振光振动平面发生旋转的特性,有些是左旋有些是右旋,称为旋光性或者手性。酒桶

早在19世纪初,人们已经发现某些晶体能使通过的偏振光振动平面发生旋转的特性,有些是左旋有些是右旋,称为旋光性或者手性。酒桶底部的酒石酸和这种结晶母液中制备出的另一种外消旋酸就表现出不一样的特性,酒石酸能使偏振光转动而外消旋酸不能,其它的物化性质完全一样,成为当时化学界的不解之谜。

直到1848年,博士毕业不久的路易斯·巴斯德(后来成为微生物领域的开创者)听到这个现象后非常好奇。他当时正从事化学结晶体形态和结构方面的研究,他就用他特别擅长的显微镜观测酒石酸铵钠盐,发现晶体是不对称的,于是他猜想外消旋酸应该是对称的。出乎意料的是在显微镜下观察发现外消旋酸的晶体也是不对称的,晶面方向还不一样。

巴斯德用镊子在显微镜下将晶面不同的晶体一粒粒挑出来分为两组,并配成溶液,测旋光性,发现两组溶液的旋光方向正好相反,将两者溶液等比混合后旋光性消失。于是巴斯德得出结论,旋光性是物质分子层面上的信息,与分子结构相关,从而揭开了立体化学研究的序幕。

化学上第一个诺贝尔奖获奖者范托夫(荷兰)因提出碳的价键理论来解答镜像分子的构成问题,后来成为立体化学中解释分子结构不对称性的经典理论。

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图1. 碳的价键理论示意图

关于立体化学的详细理论,在经典的化学教材上都给出了详细的推导,我们这里就不一一赘述,我们只给出几条重要的结论:

1) 有机化合物是否有旋光性(手性),取决于有机物本身结构。

2) 含有一个手性碳原子的分子往往具有手性。

3) 含有多个手性碳原子的分子不一定都具有手性。

4) 一个分子是否是手性分子,可以通过研究分子的对称因素来判断。常见的几种对称因素包括对称中心、对称面、对称轴等。

手性光谱仪的基本原理

常用的手性光谱仪包括旋光仪,圆二色谱仪,圆偏振荧光光谱仪。下面我们就前两类仪器的相关的光谱原理和仪器构造原理分别作详细的介绍。

1. 旋光仪

旋光仪是测量物质旋光度的仪器,也可以通过旋光度来确定物质的浓度、糖度、纯度等。旋光仪的设计原理相对简单,下面我们先以旋光仪为例介绍光谱仪的原理和结构。

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图1. 平面偏振光的产生

振动方向和光波前进方向构成的平面叫做振动面,光的振动面只限于某一固定方向的,叫做平面偏振光或线偏振光,振动方程表示为简谐振动的形式x = Acos(ωt+Φ)。自然光经过Nicols棱晶(由方解石晶体加工制成)后, 由于Nicols棱晶只能使与其晶轴相平行的平面内振动的光线通过,平面偏振光得以产生。

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图2. 平面偏振光的检测

Nicols棱晶(偏振片)具有使单方向振动光通过的能力,所以常常被用作起偏器和检偏器来检测偏振光的振动方向。如图2所示,当一束自然光通过第一个偏振片时,只有与晶轴平行的光能通过,变为平面偏振光,如何检测此平面偏振光的偏振方向?只有存在第二个同样的偏振片时,通过旋转第二个偏振片的角度,观察出射光的光强,当光强达到最大值时,此时晶轴方向和入射光方向相同,即为偏振光的振动方向。根据此原理,很容易设计出旋光仪的基本构造。如图3所示,自然光通过起偏器后转变为线偏光,线偏光通过旋光性样品会由于样品结构的不对称性而发生角度偏转,检偏器通过改变角度去保证出射光强最大值,滤光片的作用是因为检测旋光的行业标准是以钠光源589 nm的信息为主,最后检测器会检测到589 nm的偏振光的旋光度,从而反推出样品的手性和结构信息。

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图3. 旋光仪的基本光路

旋光物质通常具有以下特性:

① 旋光物质:每种旋光物质有特定的旋光度

② 测量波长:波长越小,旋光度越大

③ 温度:温度不同,旋光度不一样

④ 旋光物质的厚度:厚度越大,旋光度越大

⑤ 旋光物质的浓度:浓度越大,旋光度越大

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为了比较物质旋光性能的大小,消除不可比因素的影响,通常采用比旋光度来描述。比旋光度可以描述为一定温度下,旋光管长度为1dm,试样浓度为g/mL,测试波长为589 nm时所测的旋光度。

2. 圆二色光谱仪


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图4. 圆偏振光的传播方式

前一部分我们讲述了什么是线偏光及线偏光如何得到,那么偏振光家族中另一个重要的成员圆偏振光又是如何产生的?简单来说,光矢量绕着光的传播方向旋转,其旋转角速度对应光的角频率;光矢量端点的轨迹是一个圆(椭圆),光沿着这个轨迹振动传播就是圆偏振光。

光在传播方向上存在互相垂直的电场矢量 E 和磁场矢量 B 振动,振动的矢量以电场作用力E为主,磁场的作用可忽略不计,E的大小直接决定振动能量的多少,也就是振幅A的大小。所以通常可以用E直接表示振幅,光的合成也遵循矢量合成:

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(证明过程参考能流密度的定义)

下面我们从两垂直的线偏光的合成来详细论述圆二色光谱仪的原理。

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(1),(2)式的x, y 为两互相垂直的线偏振光的振动方程。变换后可得

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以cosΦ2乘以(1)式,cosΦ1 乘以(2)式,再两式相减得

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以sinΦ2乘以(1)式,sinΦ1乘以(2)式后两式相减得

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(3)式、(4)式分别平方后相加得合振动的轨迹方程

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图5. 两个互相垂直的线偏光的合成

由轨迹方程和轨迹图所示,当 ΔΦ=±π/2 为椭圆偏振光,振幅相同时为圆偏振光。

这里我们讲两个互相垂直的线偏光合成圆偏光的过程。在一定条件下,两组旋转方向相反的圆偏光同样也可以合成线偏光。

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图6. 线偏光与圆偏光的关系

上图是我们用图示来描述两者之间的关系,为了更严谨地说明两者之间的关系,我们用方程加以说明。

从两互相垂直的线偏光方程知道,相位差为π/2,所以我们假设左圆偏光方程的振幅为

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则右圆偏光为

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振幅相等 (E=El=Er) 的线偏光合成出圆偏光

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合振幅满足简谐振动方程的表达式,左右圆偏光在特定条件下合成了平面偏振光。

然而,在通常情况下, El≠Er ,左旋分量的振幅不等于右旋分量的振幅。假定左旋分量<右旋分量,即El<Er,

左右圆偏光的合成只满足以下的一般式:

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两旋转方向相反的左、右圆偏光通过一光学活性的物质后,其平面偏振光的偏转角会不同,合振幅会发生变化,所以合成光将不再是平面偏振光,在大多数情况下都是椭圆偏振光。圆二色光谱仪正是通过这个原理来设计的:通过检测两束旋转方向相反的圆偏振光透过样品所产生的椭圆的不同来判断样品的结构信息。下面简单推导下椭圆率θ与ΔA之间的关系。

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根据以上原理就很容易理解圆二色光谱仪的光路设计,如下图所示。

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图7. 圆二色光谱仪的光路图和原理图

由上面的公式我们知道 θ 与 ΔA 的关系是线性关系,要想得到椭圆率 θ,如何取得 ΔA 甚为关键。

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如果AL > AR,则IR > IL,即通过样品后的右旋圆偏振光的强度大于左旋圆偏振光

当强度这样变化的光照射到检测器(雪崩式二极管或者光电倍增管)时,

采集样品输出信号中的吸收后光强之和 IA以及光强之差 IS

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从而可以测出两束圆偏光通过样品后的 θ。

以上我们分别详细介绍了两种最主要的手性测量仪器的原理,总结出以下几个关键点:

1) 线偏振光可以分解成两个旋转方向相反的圆偏光

2) 手性样品对两种圆偏光会产生不同程度地吸收,导致出射的光不再是线偏光,而是椭圆偏振光

3) 通过测量出射的不同波长椭圆偏振光的椭偏率就得到圆二色光谱

4) 与旋光仪不同,旋光仪测量的角度是偏转角度,而圆二色光谱的角度是由椭圆率换算出来的角度

目前,手性光谱仪得到了越来越广泛的应用,包括生物大分子材料,手性纳米材料,聚合物手性材料等,今后我们还将总结仪器在这些应用的使用方法和技巧,更好地支撑大家从光谱原理、到光谱仪器原理,再到仪器应用的多层次、多角度地把握实验数据的分析。

本文来源:西湖大学官网,作者:陈中博士


 
 
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