圆二色光谱(CD光谱)
cd圆二色谱
cd圆二色谱
CD圆二色谱（Circular Dichroism Spectroscopy）是一种用于研究生物分子结构和构象的实验技术。
它主要基于物质对不同的圆偏振光的吸收差异，通过测量对左旋和右旋圆偏振光的吸收来获取信息。
CD圆二色谱广泛应用于蛋白质、核酸、多肽等生物大分子的结构和构象分析。
通过测量样品在紫外可见光谱范围内的圆二色性，可以获取关于其二级结构、螺旋、折叠状态、聚集形式等信息。
在CD圆二色谱实验中，使用CD光谱仪来测量样品吸收的圆二色性。
该仪器发送出圆偏振光，样品对左旋和右旋圆偏振光的吸收程度不同，进而形成不同的CD谱。
通过解析和解释CD谱，可以了解样品分子结构的特征。
CD圆二色谱是一种非破坏性、快速、灵敏的技术，可以用于分析溶液态和固态样品，包括纯样品、混合物和复杂体系。
它在生物化学、生物物理、药物研发等领域有广泛应用，提供了对生物分子结构和构象的研究和解析。
需要注意的是，解释CD圆二色谱结果需要具备相关的专业知识和经验。
圆二色光谱测量
圆二色光谱测量
圆二色光谱（简称CD）是研究稀溶液中蛋白质构象的一种快速、简单、较准确的方法，广泛应用于蛋白质的构象研究中。
以下是其测量步骤：
准备样品：确保样品的纯度达到圆二色光谱所要求的纯度（约96%）。
设定仪器参数：在室温下，使用日本产JASCO J-810圆二色谱仪，测定远紫外190-240 nm的光谱。
设定分辨率、带宽、灵敏度和扫描速度等参数。
测定样品：将样品放入样品杯中，设置适当的浓度（例如100 μg/ml）和光径（例如0.2 cm）。
记录数据：按照设定的参数进行测量，并记录光谱数据。
分析数据：使用杨氏算法（Yang. Jsr）等计算方法，将测得的光谱数据与已知的蛋白质二级结构（如Helix、Beta、Turn和Random）的特征谱线进行拟合，结合样品的摩尔浓度进行计算，可以得到溶液中多肽的各种二级结构的含量及比例。
圆二色光谱是研究蛋白质二级结构的主要手段之一，具有快速简便、灵敏度高和对构象变化敏感等优点，对蛋白质的构象研究具有重要意义。
CD(圆二色)光谱的理论和实验
P2
M2 P1 M3
M5
S3 L
F CDM
SH
PM
赵南明， 周梦海 《生物物理学》 /products/cd
园二色谱的应用
圆二色光谱利用左旋、右旋偏振光（ 手性光）通过一定的物质时所显示的总的 旋光性的不同， 而判定该物质的结构或结构变化。
1．测定生物大分子的结构
2 12 2 , 0 V12 r12 1 2 , 0 2 , , r12
N. Berova and K. Nakanishi, Circular Dichroism: Principles and Applications, Wiley-VCH, New York, 2nd ed., 2000 Exciton Chirality: Fundamentals and Frontiers, Monatsh. Chem., 2005, 136(3)
Ⅴ停留技术&固态CD光谱
亮氨酸拉链式多肽在GdmCl中变形后再折叠过 程在220nm处的停留CD曲线
PVA 膜、α - Ni(H2O)6.SO4 单晶的固态 CD谱
M. Kelly, et al., Biochimica. Biophysica., 2005, 1751, 119-139 R. Kuroda, et al., Rev. Sci. Instrum., 2001, 72, 3802-3810
圆二色谱CD原理
240
250
2、光的偏振
双折射现象： 一束光射入各向异性晶体后有两束折射光。 尼科耳棱镜。
在生物样品中，肌肉纤维、骨骼和牙齿等具有各向 异性，淀粉粒、染色体和纺锤体等具有双折射性，因 此被用于组织细胞的化学研究。
名称
寻常光 （o光
）
非常光 （e光
）
折射定律 遵守
不遵守
折射率 对于晶体一切方向都
具有相同的折射率
或℃ ·cm2/dmol。
圆二色性的表示
吸收（率）差 = L - R A = AL – AR
椭圆度，摩尔椭圆度[] = 2.303（AL – AR）/4
[] = 3298（L - R） 3300 （L - R）
在蛋白质研究中，常用平均残基摩尔椭圆度
园二色＋双折射
9、ORD与CD光谱
同时产生， 包括同样的分子结构信息：光学活性物质分 子中的不对称生色团。 CD反映光与分子间能量的交换，旋光性则 是与分子中电子的运动有关。 可以由Kronig-Krammers转换方程相互转 换。
（1）高亮度的点光源； （2）日光色。色温接近6000K； （3）在可见光区连续光谱； （4）高显色性，显色指数＞95； （5）在整个寿命期内维持光色特性； （6）高电弧稳定性； （7）热重启能力； （8）启动后即能达到接近最大光输出； （9）电弧光斑小、易聚光。
自然光 平面偏振光
圆偏振光 样品
椭圆偏振光
fig u re 3 : 3 4 M G C N 4 -p 1 in 0 .1 5 M N a C l, 1 0 m M p h o sp h a te p H 7 .0
80
70
60 0 OC
50
50 OC
圆二色光谱α螺旋
圆二色光谱α螺旋
圆二色性（Circular Dichroism，简称CD）光谱是一种用来研究分子结构的光谱技术。
圆二色光谱可以探测到分子中光的偏振状态随时间的变化，通过分析这种变化可以得到分子结构的信息。
α-螺旋是蛋白质二级结构的一种形式，它是由多肽链上的氨基酸残基通
过氢键连接而成的螺旋结构。
当圆二色光谱用于分析α-螺旋结构时，可以观察到特定的CD信号。
α-螺旋结构会导致
入射光在穿过蛋白质溶液时，左旋光和右旋光的吸收程度不同，因此产生圆二色信号。
这种信号的变化与α-螺旋的密度和扭曲有关。
具体来说：
1.α-螺旋的密度：当α-螺旋密度较高时，CD信号通常更强。
这是因为高密度的α-螺
旋会导致更多的螺旋段落在光传播路径上，从而增强CD信号。
2.α-螺旋的扭曲：α-螺旋的扭曲程度也会影响CD信号。
如果α-螺旋紧密且扭曲较大，CD信号通常会在特定的波长处更强。
通过分析圆二色光谱，科学家可以定量地测定蛋白质中α-螺旋的含量和结构特征，这对
于理解蛋白质的三维结构和功能关系具有重要意义。
此外，圆二色光谱还可以用来研究
α-螺旋与其他二级结构（如β-折叠）之间的相对比例，以及蛋白质在不同条件下的结
构变化，如pH、温度和化学修饰等因素的影响。
圆二色光谱_CD_分解
蛋白质CD光谱分析——定量分析
基本原理： 假设蛋白质在波长λ处的CD信号是蛋白质中各种二 级结构组分的线性加和，则有等式：
C f i Ci
假设溶液态蛋白质与晶体中的二级结构相同，则可利用已知二级结构 的蛋白质或多肽的CD光谱作为参考数据，对未知蛋白质的二级结构进 行拟合计算，能得出α-螺旋、β-折叠、β-转角、无规线团等结构所占的 比例。 用于拟合的参考蛋白质共有48种，包括有Johnson等报道的29种， Keiderling等报道的5种， Yang等报道的6种及Sreerama等最近报道的3种 球蛋白和5种失活蛋白质。
圆二色光谱（CD光谱）
主要内容
1 2 3 4 5 6 预备知识 圆二色光谱 圆二色光谱仪的基本构造
CD光谱在蛋白质结构研究中的应用
蛋白质CD光谱图的分析 CD样品制备及条件选择
预备知识
平面偏振光:
振动方向保持不变（只 在一个平面上振动） 振幅发生周期性变化
平面偏振光的产生: 自然光通过起偏器（偏振 片或Nicol棱镜）。
蛋白质的圆二色特征
(1)光学活性基团及折叠结构； (2)250nm以下的光谱区，肽键的电子跃迁引起； (3)250~300nm光谱区，侧链芳香基团的电子跃迁引起； (4)300~700nm光谱区，蛋白质辅基等外在生色基团引起。
蛋白质CD光谱分析——定性分析
分子构象 电子跃迁 形式 n→π ﹡ π →π ﹡ 极值的波长 [θ]*103 Deg.cm2/dmol -38~-40 -36~-40 72~86
calc obs 2 2 1 2 ( C C ) ( N ) CD光谱分析——定量分析
CDSSTR： Johnson综合了几种方法的特点，发展起来的 一种新的计算拟合方法。其特点是只需要最少量的参考蛋 白质，就能得到较好的分析结果。拟合计算时，先从已知 精确构象的蛋白质中任意挑选，组成参考蛋白质。每次组 合结果应满足3个基本选择条件： (1)各二级结构分量之和应在0.95~1.05之间； (2)各二级结构的分量应大于-0.03； (3)实验光谱与计算光谱间的均方根应小于0.25。 最后的拟合结果是能满足以上 3 个规则所有结果的平 均值。
圆二色光谱_CD_
主要内容
1 2 3 4 5 6 预备知识 圆二色光谱 圆二色光谱仪的基本构造
CD光谱在蛋白质结构研究中的应用
蛋白质CD光谱图的分析 CD样品制备及条件选择
预备知识
平面偏振光:
振动方向保持不变（只 在一个平面上振动） 振幅发生周期性变化
平面偏振光的产生: 自然光通过起偏器（偏振 片或Nicol棱镜）。
无 规 卷 曲 向 β 折 叠 转 化
蛋白质CD光谱分析——定量分析
基本原理： 假设蛋白质在波长λ处的CD信号是蛋白质中各种二 级结构组分的线性加和，则有等式：
C f i C i
假设溶液态蛋白质与晶体中的二级结构相同，则可利用已知二级结构 的蛋白质或多肽的CD光谱作为参考数据，对未知蛋白质的二级结构进 行拟合计算，能得出α-螺旋、β-折叠、β-转角、无规线团等结构所占的 比例。 用于拟合的参考蛋白质共有48种，包括有Johnson等报道的29种， Keiderling等报道的5种， Yang等报道的6种及Sreerama等最近报道的3种 球蛋白和5种失活蛋白质。
CD测量的样品准备及条件选择
例 :
扫描波长范围（Range）250 ~190 nm； 辨析率（Resolution）0.5 nm ； 波长宽度（Band width）1.0 nm； 灵敏度（Sensitivity）20mdeg ； 响应度（Response）0.5 sec； 扫描速度（Speed）200 nm/min； 扫描次数（Accumulation）6。
α-螺旋 （α-helix）
221~222nm(-) 207~210nm(-) 191nm(+)
β-折叠 （β-sheet）
β-转角 （β-turn）
CD圆二色谱解读：探索生物大分子结构之谜
CD圆二色谱解读：探索生物大分子结构之谜一、圆二色谱的神秘面纱圆二色谱（Circular Dichroism，简称CD）是一种光谱学方法，用于研究生物大分子（如蛋白质和核酸）的结构。
它的原理是基于生物大分子对左旋和右旋偏振光的吸收差异。
这种差异反映了生物大分子的立体结构，因此，CD圆二色谱被广泛应用于生物制药分析领域。
二、CD圆二色谱的工作原理CD圆二色谱的工作原理是基于生物大分子的手性。
手性是一种物质的基本性质，表现为对左旋和右旋偏振光的吸收差异。
生物大分子（如蛋白质和核酸）都具有手性，因此，通过测量其对左旋和右旋偏振光的吸收差异，可以获取其立体结构信息。
三、CD圆二色谱的应用CD圆二色谱的应用非常广泛，主要用于生物大分子的结构研究。
例如，通过CD圆二色谱，我们可以确定蛋白质的二级结构，包括α-螺旋、β-折叠和随机卷曲等。
此外，CD圆二色谱还可以用于研究蛋白质的热稳定性、酶活性、配体结合等性质。
四、CD圆二色谱的优势CD圆二色谱的优势在于其简单、快速和无损。
首先，CD圆二色谱的操作简单，只需要将样品溶解在适当的溶剂中，然后通过光谱仪进行测量。
其次，CD圆二色谱的测量速度快，一般只需要几分钟就可以完成。
最后，CD圆二色谱是一种无损检测方法，不会对样品造成损害，因此，可以用于研究生物大分子的动态过程。
五、CD圆二色谱的挑战与未来尽管CD圆二色谱具有许多优势，但也面临一些挑战。
例如，CD圆二色谱对样品的浓度和纯度要求较高，对于浓度低或杂质多的样品，可能无法获得准确的结果。
此外，CD圆二色谱只能提供生物大分子的平均结构信息，无法获取其具体的三维结构。
然而，随着科技的进步，我们有理由相信，CD圆二色谱的应用将更加广泛。
例如，通过结合其他技术（如核磁共振和X射线晶体学），我们可以获取生物大分子的更详细的结构信息。
此外，通过改进光谱仪的设计和优化测量方法，我们可以提高CD圆二色谱的灵敏度和准确性。
图1。
百泰派克生物科技——生物制品表征，多组学生物质谱检测优质服务商。
圆二色光谱仪(cd)表征
圆二色光谱仪(cd)表征
圆二色光谱仪（CD）表征是一种用于研究分子结构和构象，分析
蛋白质、核酸等生物大分子二级结构的高分辨率技术。
CD技术最早应
用于化学领域，如化学键反应的研究，现已广泛应用于生物学、药物学、医学和材料科学等领域。
基本原理：
CD是强度吸收差谱测量技术，利用手性分子（不能跟其镜像重合的化
合物）的特性，根据其在右旋偏振光和左旋偏振光的不同吸收，来研
究分子的构象。
CD谱从波长190-320 nm可见，用强度差Δ A（CD）
或直接CD值来描述。
实验步骤：
1. 样品制备：将样品置于薄膜中，厚度约为0.1 mm，避免空气泡存在。
2. 光路检查：将样品放入样品室中，进行波长和基线的设置。
3. 监测：加入滴定管，记录CD强度吸收差随波长的变化。
4. 数据分析：通过CD曲线分析获得蛋白质、核酸等分子的二级结构信息。
应用领域：
1. 生物学领域：通过CD表征技术，可分析蛋白质的二级结构、折叠及稳定性等特性，还可以分析酶、抗体、肽、鸟苷酸等分子的构象。
2. 药物学领域：CD表征技术可用于研究药物与其靶点的相互作用，交
互作用、配基特征和构象等。
3. 材料科学领域：CD技术可用于研究由低分子化合物构成的配合物，聚合物和纳米粒子等材料的超分子组装过程。
总结：
CD表征技术是研究大分子结构与构象的重要方法，其广泛的应用领域包括生物学、药物学、医学和材料科学等领域。
通过CD分析获得的分子结构与构象信息对新药研究、药物设计和新材料的开发具有重要的指导意义。
圆二色光谱原理
圆二色光谱原理
圆二色光谱（Circular Dichroism Spectra，CD）是一种基于光学原理的分析技术，用于研究物质的立体结构及其变化。
它是一种非常有用的物理技术，被广泛应用于化学、生物、材料科学等领域。
圆二色光谱仪原理：
采用特性少高効率的28度入射角干涉仪、集光効率高的光学系、扫除双折射元件的反射光学系，高精度控制光轴，经过控制伪影和经时变化使设备始终保持状况。
圆二色光谱由适合VCD的演算法的DSP确定检测功用、完成了信噪比的大幅度改善，经过运用只透过VCD光谱测量目标吸收带的窄带滤光片，可以测得现有办法测不到的细小波峰。
运用圆二色光谱仪运用注意事项：
1、仪器产生毛病时应及时报告技术人员处理.仪器产生异常现象时，马上封闭电源，保护现场并及时上报。
2、不乱按键盘，操作人员不得进入操作规程规则以外的任何程序，不得按规则以外的任何功用键.卸下火花台板时要轻拿轻放，避免内外表划伤.取出火花室内圆石英垫片和玻璃套管时必须谨慎当心，避免操作不当致其破碎。
3、压样品夹子要笔直，不得在未夹好样品时按激起键，不得在激起时接触或抬起样品夹.假如遇到激起时声响很大，应该按F3键中止，不允许直接抬起样品夹，不然易造成电路板焚毁。
4、激起样品后在火花台内产生黑色沉积物可导致电极与火花台之间短路，所以火花台应定期清理。
5、非岗位人员不得随意进入机房，机房内制止吸烟，吃食物。
6、假如遇到突然断电时，应先关总，再将其它电源封闭，等到来电后，按规程条款进行开机操作。
圆二色性光谱
对着光前进的方向观察时， 如果一束光波的电场矢量取所 有可能的方向，没有一个方向 较其它方向占优势。
（5）几种偏振光之间的关系
•振幅相等、角频率相等的左右圆偏振光组合, 其结果为线偏振光，反之亦然。即：一束线偏 振光可分解为振幅相等的左、右圆偏振光。
振幅不等，角频率相等的左右圆偏振 光组合其结果为椭圆偏振光。
天冬酰胺
• 当用天冬氨酸（D）取代19位的天冬酰 胺后（LRRD），则溶液不再发生凝胶纤维 化现象，CD谱显示溶液中的LRRD为无规卷 曲结构。
天冬氨酸
• 用谷氨酰胺（Q）取代19位的天冬酰胺 后（LRRQ），溶液依然会发生凝胶纤维 化现象，CD谱显示溶液中的LRRQ 为β折 叠结构，与LRRN的CD谱非常相似。
吸收光谱一般是指物质对光的吸收。
园二色谱（CD谱）记录的是物质对紫 外光与可见光波段的左圆偏振光和右圆偏 振光的吸收存在差别。
CD谱和一般的吸收光谱一样，都和分 子中的吸收基团（生色团）吸收电磁波能 量引起物质电子能级跃迁有关。
吸收紫外光：190-240nm
一. 基本原理：
1.几种偏振光的概念
文献上也常用光学活性物质对左右 园偏振光的摩尔吸收系数的差别
△ξ= ξl －ξr来表示园二色性。 根据吸收定律：
A=LgIo/It=ξCl △ξ= ξl －ξr=（Al －Ar）/Cl
△ξ或θ随波长而变化的关系称为 园二色谱。
4. CD与ORD和吸收光谱的关系
旋光性和圆二色性均是由于光学 活性分子结构的不对称性所引起的， 二者间相互联系，由其一可推之其二， 但是由于ORD谱中不同基团的旋光带 容易重叠较难分析，因此现在多数情 况下都是测量CD谱。
在紫外区段（160nm-300nm） 主要的生色团是肽链，肽链的二级 结构直接影响肽链吸收的圆二色性， 每种类型的二级结构都有其独特的 CD谱：
圆二色谱和旋光谱
八区律用于2，2′,5-三甲基环己酮 ：
9 CH3 5 6 1 O 2 CH3 8 3 6 CH3 7 4 9 5 4 3
O
1
2 8
7
C1,C2,C4,C6，C7均在分割面上，从而对康顿效应没有贡献。 C3和C5的贡献相互抵消，C8和C9的贡献均为正。 所以这个化合物应当有正的康顿效应，即CD谱中△ε>0，吸收峰在横坐 标上方；ORD谱中，长波位置出现峰，短波方向出现谷；这与实验结果一致。
如手性环酮中的羰基有邻位手性中心时是不对称的，手性烯烃(+)-3蒈烯(Carene)中的双键也一样。
Me
3 *
O
H
2 6
H
1
1
Me
4Hale Waihona Puke ClC* 5
D
Me
(3)由分子轨道不互相交叠的发色团偶极相互作用产生的。
O C O O O C
各类化合物的ORD和CD谱
一 、羰基化合物 羰基发色团是对称的 ，但如果其处于不对称的环境中亦可诱导其 电子分布不对称而产生一个康顿效应。 通常其在近紫外区发生n→π*跃迁，有一个弱吸收带，属R带。 (1)饱和的酮和醛： 羰基是由于被手性环境所诱导的具有光学活性的发色基团，以环 己酮为例，来介绍经验规律——八区律。
圆二色光谱(CD)和旋光谱(ORD)
•
旋光光谱(Optical Rotatory Dispersion，ORD)和圆二色 谱(Circular Dichroism，CD)分别于20世纪50年代和60 年代发展起来的仪器分析方法，原理都是利用电磁波和手性 物质相互作用的信息来研究化合物立体结构及其它有关问题。 旋光光谱和圆二色光谱在测定手性化合物的构型和构象、确 定某些特征官能团(如羰基)在手性分子中的位置方面有独到 之处，同其它用光谱方法来确定立体化学相比，其优势无可 代替的。
圆二色谱 样品浓度
圆二色谱样品浓度圆二色谱（Circular Dichroism, CD）是一种分析物质二色性的光谱技术，可用于研究溶液中的生物大分子（如蛋白质、核酸）的结构、构象和相互作用等。
它利用分子在圆偏振光的吸收和旋光过程中选择性吸收或发生相位变化的特性，分析样品的色散谱线形状和吸光度差异，从而揭示其分子结构和构象信息。
圆二色谱技术可以提供一些与分子构象密切相关的信息，例如蛋白质二级结构、蛋白质折叠状态、蛋白质与核酸的相互作用等。
在药物研发过程中，圆二色谱可以用于确定药物与蛋白质或核酸的结合位点、研究蛋白质或核酸突变对结构的影响、分析药物与蛋白质之间的相互作用、筛选化合物库中的潜在药物分子等。
在进行圆二色谱实验时，样品浓度是一个重要的因素。
样品浓度的选择需要根据样品的性质、测量方法和光程长度等因素来确定。
一般来说，较高的样品浓度可以提高实验的信噪比，但过高的浓度可能会引起样品的光学厌氧作用。
而较低的样品浓度则可能导致测量结果的不准确性。
在圆二色谱实验中，通常会选择适当的光程长度以使样品的浓度在合适的范围内，以获得较好的测量结果。
通常情况下，样品的浓度一般在0.1-1 mg/mL之间，具体浓度的选择需要根据不同的样品特性和实验需求来确定。
对于蛋白质样品的圆二色谱测量，一般需要在较低的浓度下进行，以避免样品的聚集和光学效应对测量结果的影响。
蛋白质的浓度通常在0.1-0.5 mg/mL之间，但具体的浓度选择还要根据不同的蛋白质和实验条件来确定。
对于核酸样品的圆二色谱测量，通常也需要在较低的浓度下进行。
核酸的浓度一般在0.05-0.1 mg/mL之间，具体浓度的选择也要根据不同的核酸和实验需求来确定。
在样品浓度的选择过程中，还需要考虑样品的溶液环境，例如溶剂和缓冲液的选择，以及样品的纯度和稳定性等因素。
这些因素都可能对圆二色谱实验的结果产生影响，因此在样品浓度的选择上需要进行一定的优化和调节。
总之，样品浓度是圆二色谱实验中一个重要的参数，合适的样品浓度可以保证实验结果的准确性和可靠性。
圆二色谱总结
圆二色谱总结圆二色谱是一种常用于研究分子结构和性质的重要工具，特别是在物理、化学、生物学以及材料科学等领域。
它利用偏振光通过样品时产生的圆偏振光变化来测量样品的光谱特性。
以下是关于圆二色谱的一些总结：1.圆二色谱的定义和原理圆二色谱（Circular Dichroism，CD）是一种测量左旋和右旋偏振光通过样品后的透过率差别的技术。
当偏振光通过一个含有手性分子的样品时，它会发生旋光，即偏振面会旋转。
通过测量旋光度，可以确定分子的手性及其结构。
2.圆二色谱的应用圆二色谱被广泛应用于各种科学领域。
例如，在生物学中，CD被用于研究蛋白质和DNA的结构和动力学。
在化学中，它被用于研究有机化合物的手性和分子结构。
在材料科学中，CD被用于研究纳米材料和功能材料的光学特性。
3.圆二色谱的优势和局限性圆二色谱有以下几个优势：（1）灵敏度高：可以检测到样品中微小的旋光度变化，从而可以研究分子结构和动力学。
（2）分辨率高：可以区分不同的手性分子，这对于研究分子结构和手性之间的关系非常重要。
（3）无损检测：不会对样品造成破坏，因此可以用于研究生物样品和其他易损坏的样品。
然而，圆二色谱也存在一些局限性：（1）需要大量的样品：通常需要大量的样品才能获得可靠的CD谱图。
（2）需要专业的技术人员：需要进行CD测量的实验需要专业的技术人员进行操作和维护。
4.圆二色谱的发展趋势近年来，圆二色谱技术不断发展，出现了许多新的技术和发展趋势，如：（1）高精度CD测量技术：随着技术的进步，现在可以获得更高的测量精度和分辨率，从而能够更深入地研究分子的结构和动力学。
（2）CD与其他谱图的联用技术：可以将CD与其他谱图技术联用，如红外光谱、核磁共振谱等，从而可以从多个角度研究分子的结构和性质。
（3）CD在生物医学中的应用：CD可以用于研究生物分子的结构和动力学，从而可以应用于生物医学领域，如药物筛选、疾病诊断和治疗等。
（4）CD在材料科学中的应用：通过CD可以研究纳米材料、功能材料的光学特性，为材料科学的发展提供新的工具。
圆二色光谱实验报告
实验四—圆二色光谱实验圆二色光谱实验一、实验目的1、了解圆二色（CD）光谱的原理和使用方法。
2、学会用圆二色光谱检测蛋白质二级构象的基本原理和方法，并学会分析物质的手性。
3、了解圆二色光谱仪的基本构造，并学会使用。
二、实验原理1.CD光谱的基本知识圆二色性是研究分子立体结构和构象的有利手段。
在一些物质的分子中，没有任意次旋转反映轴，不能与镜像相互重叠，具有光学活性。
电矢量相互垂直，振幅相等，位相相差四分之一波长的左和右圆偏振光重叠而成的是平面圆偏振光。
平面圆偏振光通过光学活性分子时，这些物质对左、右圆偏振光的吸收不相同，产生的吸收差值，就是该物质的圆二色性。
圆二色性用摩尔系数系数差ΔεM来度量，且有关系式：ΔεM = εL –εR，其中，εL 和εR分别表示左和右偏振光的摩尔吸收系数。
如果εL –εR >0，则ΔεM为“+”，有正的圆二色性，相应于正Cotton效应；如果εL –εR<0，则ΔεM为“-”，有负的圆二色性，相应于负Cotton效应。
由于这种吸收差的存在，造成了矢量的振幅差，因此从圆偏振光通过介质后变成了椭圆偏振光。
圆二色性也可用椭圆度θ或摩尔椭圆度[θ]度量。
[θ]和ΔεM之间的关系式：[θ]=3300*Δε圆二色光谱表示的[θ]或ΔεM与波长之间的关系，可用圆二色谱仪测定。
一般仪器直接测定的是椭圆度θ，可换算成[θ]和ΔεM：[θ] = 100θ/cl，ΔεM= θ/33cl 其中，c表示物质在溶液中的浓度，单位为mol/L；l为光程长度（液池的长），单位为cm。
输入c和l的值，一般仪器能自动进行换算，给出所需要的关系。
2.定性分析原理圆二色光谱仪需要将平面偏振调制成左、右圆偏振光，并用很高的频率交替通过样品，因而设备复杂，完成这种调制的是电致或压力致晶体双折射的圆偏振光发生器（也称Pocker池或应力调制器）。
圆二色谱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相互垂直的偏振光，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受检测。
圆二色性CD光谱的制备与实验步骤是什么？
圆二色性CD光谱的制备与实验步骤是什么？1. 引言圆二色性CD（Circular Dichroism）光谱是一种重要的生物物理学技术，用于研究生物分子的结构和构象变化。
它通过测量左旋和右旋圆偏振光的吸收差异，提供了关于分子的手性和构象信息。
本文将介绍圆二色性CD光谱的制备与实验步骤。
2. 实验仪器与试剂准备在进行圆二色性CD光谱实验之前，我们需要准备以下仪器和试剂：2.1 圆二色仪。
圆二色仪是进行CD光谱实验的关键仪器，它能够发射圆偏振光并测量样品对不同波长的圆偏振光的吸收差异。
选择合适的圆二色仪对于获得准确的CD光谱数据至关重要。
2.2 样品溶液。
选择适当的样品溶液是进行CD光谱实验的关键。
通常情况下，生物大分子如蛋白质、核酸等需要在缓冲溶液中进行测量，以保持其稳定性和活性。
2.3 光学比色皿。
光学比色皿是用于容纳样品溶液的容器，它需要具备良好的光学透明性和化学稳定性，以确保测量的准确性和重复性。
3. 实验步骤进行圆二色性CD光谱实验的步骤如下：3.1 样品制备。
首先，准备所需的样品溶液。
根据实验需要，选择合适的缓冲溶液，并将样品溶解在其中。
确保样品溶液的浓度适当，以获得清晰的CD光谱信号。
3.2 样品装载。
将样品溶液转移到光学比色皿中。
确保光学比色皿干净，并避免产生气泡或污染物，以免影响测量结果。
3.3 仪器校准。
在进行实际测量之前，需要对圆二色仪进行校准。
校准过程通常包括空白测量和参考物质测量，以确保测量结果的准确性和可靠性。
3.4 测量参数设置。
根据实验需要，设置合适的测量参数。
这包括选择合适的波长范围、扫描速度和光强等参数，以获得最佳的CD光谱信号。
3.5 开始测量。
将光学比色皿放入圆二色仪中，并开始测量。
仪器将发射圆偏振光并测量样品对不同波长的圆偏振光的吸收差异。
测量过程中，保持样品溶液的稳定性和温度一致性。
3.6 数据分析。
测量完成后，将得到的CD光谱数据导出并进行分析。
常见的数据分析方法包括曲线拟合、峰位和峰形分析等，以获得关于样品的结构和构象信息。
圆二色光谱预测蛋白质二级结构组成方法评析
圆二色光谱预测蛋白质二级结构组成方法评析圆二色光谱（Circular Dichroism, CD ）是一种用于研究蛋白质二级结构的光谱技术。
通过测量蛋白质在不同波长下的圆二色吸收值，我们可以推测蛋白质的二级结构组成。
圆二色光谱预测蛋白质二级结构组成的方法主要有两种：直接法和间接法。
直接法是基于蛋白质的圆二色光谱数据，通过计算不同二级结构的特征吸收峰位置和强度，来直接推测蛋白质的二级结构组成。
这种方法的优点是快速、简便，但对于复杂的蛋白质结构，其准确性可能会受到限制。
间接法是通过比较蛋白质的圆二色光谱与已知二级结构的标准光谱，来推测蛋白质的二级结构组成。
这种方法的优点是准确性较高，但需要事先建立标准光谱库，并且对于一些新型的蛋白质结构，可能需要更新标准光谱库。
圆二色光谱是一种非常有用的技术，可以用于预测蛋白质的二级结构组成。
但是，需要注意的是，不同的方法适用于不同的情况，需要根据具体情况选择合适的方法。
同时，圆二色光谱数据的质量和分析方法的准确性也会影响预测结果的准确性。
因此，在使用圆二色光谱预测蛋白质二级结构组成时，需要谨慎选择方法和分析数据。
圆二色光谱
圆二色光谱
圆二色光谱(简称CD)是应用最为广泛的测定蛋白质二级结构的方法，是研究稀溶液中蛋白质构象的一种快速、简单、较准确的方法。
它可以在溶液状态下测定，较接近其生理状态。
而且测定方法快速简便，对构象变化灵敏，所以它是研究蛋白质二级结构的主要手段之一，并已广泛应用于蛋白质的构象研究中。
用于推断非对称分子的构型和构象的一种旋光光谱。
光学活性物质对组成平面偏振光的左旋和右旋圆偏振光的吸收系数(ε)是不相等的，εL≠εR，即具有圆二色性。
如果以不同波长的平面偏振光的波长λ为横坐标，以吸收系数之差Δε=εL-εR为纵坐标作图，得到的图谱即是圆二色光谱，简称CD。
如果某手性化合物在紫外可见区域有吸收，就可以得到具有特征的圆二色光谱。
由于εL≠εR，透射光不再是平面偏振光，而是椭圆偏振光，摩尔椭圆度[θ]与Δε的关系为：[θ]=3300Δε。
圆二色谱也可以摩尔椭圆度为纵坐标，以波长为横坐标作图。
由于△ε有正值和负值之分，所以圆二色谱也有呈峰的正性圆二色谱和呈谷的负性圆二色谱。
在紫外可见光区域测定圆二色谱与旋光谱，其目的是推断有机化合物的构型和构象。
圆二色光谱CD
-0.5
-1.0
-1.5 190 200 210 220 230 240 250 260
wavelength(nm)
CD spectra of GCN4 leucine zipper in the presence of different concentrations of SDS
Leucine zipper peptide was treated with SDS for 5 min. Its CD spectra was then measured at a final peptide concentration of 20 μ M. The final SDS concentrations were 0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.6, 1.0, 1.2 mM for curves 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, and 8, respectively. Curve 9 is for the completely unfolded peptide treated with 4 M guanidinium chloride. The experiments were carried out at 20 oC.
圆二色光谱 Circular Dichroism (CD)
洪 远 凯
/ ourse/biophysics/cover.htm
1.什么是圆二色谱?
产生, 特征, 旋光色散谱
2.圆二色谱在生物,医学 研究中的应用
What is a Light?
16世纪,Newton,光谱 17世纪,Huggens,偏振光 1881年,Biot,石英能使偏振光的偏振 面旋转, 电气石圆二色性
-4.5
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蛋白质CD光谱分析——定量分析
计算方法和拟合程序：
已报道的计算方法和拟合程序较多，按先后分别有：
多级线性回归：拟合程序为G&F，LINCOMB，MLR；
峰回归：拟合程序为CONTIN； 单值分解：拟合程序为SVD；
凸面限制：拟合程序为CCA；
神经网络：拟合程序为K2D； 自洽方法：拟合程序为 SELCON ；以及最近发展的一种联用方
α-螺旋 （α-helix）
221~222nm(-) 207~210nm(-) 191nm(+)
β-折叠 （β-sheet）
β-转角 （β-turn）
n→π ﹡ π →π ﹡
n→π ﹡ π →π ﹡
217~218nm(-) 195~197nm(+)
227nm(-) 弱 200~205nm(+) 192.5(-)强 230nm(-) 215~218nm （+）
无 规 卷 曲 向 β 折 叠 转 化
蛋白质CD光谱分析——定量分析
基本原理： 假设蛋白质在波长λ处的CD信号是蛋白质中各种二 级结构组分的线性加和，则有等式：
C f i Ci
假设溶液态蛋白质与晶体中的二级结构相同，则可利用已知二级结构 的蛋白质或多肽的CD光谱作为参考数据，对未知蛋白质的二级结构进 行拟合计算，能得出α-螺旋、β-折叠、β-转角、无规线团等结构所占的 比例。 用于拟合的参考蛋白质共有48种，包括有Johnson等报道的29种， Keiderling等报道的5种， Yang等报道的6种及Sreerama等最近报道的3种 球蛋白和5种失活蛋白质。
圆二色光谱
光学活性物质对左右旋圆偏振光的吸收率之差 是随入射偏振光的波长变化而变化的。以 或有关量为纵坐标，波长为横坐标，得到的图谱。 由于 绝对值很小，常用摩尔椭圆度 来代替， 二者的关系是：
圆二色光谱
当光学活性化合物对光没有特征吸收时，在谱图 中仅为一条近似水平的直线。 当光学活性化合物对光存在特征吸收时，通常有 两种情况：当 > 时，得到一个正性的圆二色 光谱曲线；当 < 时，得到一个负性的圆二色 光谱曲线。
蛋白质的圆二色特征
(1)光学活性基团及折叠结构； (2)250nm以下的光谱区，肽键的电子跃迁引起； (3)250~300nm光谱区，侧链芳香基团的电子跃迁引起； (4)300~700nm光谱区，蛋白质辅基等外在生色基团引起。
蛋白质CD光谱分析——定性分析
分子构象 电子跃迁 形式 n→π ﹡ π →π ﹡ 极值的波长 [θ]*103 Deg.cm2/dmol -38~-40 -36~-40 72~86
圆二色光谱（CD光谱）
主要内容
1 2 3 4 5 6 预备知识 圆二色光谱 圆二色光谱仪的基本构造
CD光谱在蛋白质结构研究中的应用
蛋白质CD光谱图的分析 CD样品制备及条件选择
预备知识
平面偏振光:
振动方向保持不变（只 在一个平面上振动） 振幅发生周期性变化
平面偏振光的产生: 自然光通过起偏器（偏振 片或Nicol棱镜）。
195~202nm(-)强
-19~-21 28~42
无规卷曲 (random coil)
π →π ﹡
-1.6 1~2 -25~-50
蛋白质CD光谱分析——定性分析
蛋白质CD光谱的波长范围：远紫外区（185-245nm)、近紫外区（245-320nm)
α —螺旋
β —折叠
β —转角
P2结构
蛋白质CD光谱分析——定性分析
calc obs 2 2 1 2 ( C C ) ( N ) j n N
1
j 1
蛋白质CD光谱分析——定量分析
CDSSTR： Johnson综合了几种方法的特点，发展起来的 一种新的计算拟合方法。其特点是只需要最少量的参考蛋 白质，就能得到较好的分析结果。拟合计算时，先从已知 精确构象的蛋白质中任意挑选，组成参考蛋白质。每次组 合结果应满足3个基本选择条件： (1)各二级结构分量之和应在0.95~1.05之间； (2)各二级结构的分量应大于-0.03； (3)实验光谱与计算光谱间的均方根应小于0.25。 最后的拟合结果是能满足以上 3 个规则所有结果的平 质CD光谱分析——定量分析
SELCON：Sreermna和Woody在原有的一些算法上进行 改进得到，其新的计算程序为SELCON3 程序采用自洽 算法，假设待测蛋白质的二级结构与某种已准确测定结 构的参考蛋白质相同，用测量的CD谱取代参考蛋白质的 CD谱，用单值分解算法(SVD)和多种局部线性化模型， 反复计算取代后的收敛性。 CONTIN ：由 Provencher 和 Glokner 提出，最新的拟合程 序是CONTIN／LL。该方法采用峰回归算法，假设待测 蛋白质的 CD 光谱是 N 个已知构象的参考蛋白质 CD 光谱 的线性组合，进行拟合计算，使下面函数的值最小。
圆二色光谱仪的基本构造
美国Aviv公司 Model400型圆二色光谱仪
圆二色光谱在蛋白质结构研究中的应用 蛋白质的圆二色性
(1)由氨基酸通过肽键连接而成； (2)光学活性基团：肽键、芳香氨基酸残基、二硫桥键； (3)蛋白质有多个结构层次，相同的氨基酸序列，因蛋白 质的折叠结构不同，基团的光学活性受到影响。
CD测量的样品准备及条件选择
测试用的蛋白质样品中应避免含有光吸收的杂质，缓冲 剂和溶剂在配制溶液前最好做单独的检查，透明性极好 的磷酸盐可用作为缓冲体系。 CD光谱的测量一般在蛋白质含量相对低(0.01~0.2g/L)的 稀溶液中进行，溶液最大的吸收不超过2。 溶液浓度的测定：紫外光谱法、定量氨基酸分析；缩二 脲方法、测氮元素的浓度、考马斯亮蓝染料结合比色法、 在完全变性条件下测芳香氨基酸残基的吸收。（《蛋白 质分子基础》高等教育出版社） 测试条件：环境温度 25℃， 相对湿度60%。
电场矢量
传播方向
起偏器
预备知识
圆偏振光: 振幅保持不变，而方向周期性变化，电场矢量绕传播方向 螺旋前进。
左右旋圆偏振光：
预备知识
光学活性物质 能使射入物质的平 面偏振光的偏振面旋 转的物质称为旋光性 物质或光学活性物质。 具有手性结构的分子 才有光学活性。 圆二色性 当光通过光学活性物质时，介质对左右旋圆 偏振光的吸收率不同，二者的差称为该物质 的圆二色性（circular dichroism，简写为 CD）。