第2章折射旋光和圆二色性法
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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
T
0 .576
lc ( l
d)
比椭圆度
[
]T
100
T
lc
摩尔椭圆度
[ ]T
Mr 100
[ ]T
M
r
T
lc
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
•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
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
一参数来表征。
比折射度：
r
(n2 (n2
1) 2)
1 d
d：密度
摩尔折射度： RrMr
Mr：相对分子量
混合溶液的比折射度具有加合性：
n n1 1 2 2 1 2m d1 1n n2 2 2 2 1 2m d2 2n n2 2 1 2m d
m、m1、m2分别为混合 液、组分1组分2的质量
4. 色散系数 N nD 1 nF nc
3.圆二色性法
用于蛋白质折叠、蛋白质构象研究,DNA/RNA反应，酶动力 学，光学活性物质纯度测量，药物定量分析。天然有机化学与立 体有机化学，物理化学，生物化学与宏观大分子，金属络合物， 聚合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 。最后根据(+)-樟脑 的CD和ORD谱，构型确定为A。
2-1-1 折射法基本原理
1. 折射现象
n21nn12
1 2
sin1 sin2
真空：n=1 空气：n=1.00027
2. 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
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
2-1 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。
• 两束相互垂直而相位相差1/4波长的平面偏振光可以加和
成一束圆偏振光
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“+”号表 示；偏振面按逆时针方向旋转的，称为左旋，用“-”号表示
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，北京，2019 • 刘骥 等编，医用生物物理学，人民卫生出版社，2019
• Richard A. Paselk, The Evolution of the Abbe Refractometer, Bulletin of the Scientific Instrument Society, 2019, 62, 19-22, humboldt.edu/~scimus/Essays/EvolAbbeRef/EvolAbbeRef.ht m
9
8
7
4
3
5
12
6 10 O
A
8
9
7
3
2
O
1
B
4 5
6 10
ORD A
CD
300 400 500 600 700 / 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。
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 (Circular 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。
上海光学仪器五厂
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
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
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
• 一束自然光可以分解或看作两束相互垂直而没有相位关
系的平面偏振光的加和。
• 平面偏振光可以分解成两束相位相等而旋转方向相反的
圆偏振光的加和。 • 当振幅相等，并同步的左、右圆偏振光相加，则产生平
面偏振光；如果这两束圆偏振光的振幅不等则产生椭圆 偏振光(elliptically polarized light)
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 子结构信息，并且可以由Kronig-Krammers转换方程相 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，可以分析确定 物质的浓度、含量和纯度等。
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λK。谷至峰之间的高度称为振幅。
[ ]0 0
振幅
K
正康顿效应
/nm
[ ]0
0
振幅
K
/nm
负康顿效应
2. 圆二色性
（Circular Dichroism，CD）
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
[φ]λ=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，。
40 [φ ]0
（ +） （ -）
nD: 钠黄光 589.3nm nF: 氢蓝光 486.1nm nc: 氢红光 656.3nm
2-1-2 折射仪
1. 折射计
sin n
np
np：棱镜的折射率
sin n sin
(90 ) (90 ) r 180 o
n sin cos sin r
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
n
2 p
sin
2
光源为单色光
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。 蔗糖溶液的质量分数0-95%，
2．定量分析
相当于折射率为1.333-1.531。
上海光学仪器五厂
主要技术规格
折射率ND测量范围 折射率ND测量准确度 折射率ND最小分度值 糖量浓度(%)测量范围 糖量浓度(%)最小分度值
2W 1.300-1.700 0.0003 0.001 0-95 0.5
2WAJ 1.300-1.700 0.0002 0.0005 0-95 0.25
2. 干涉仪
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
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。
组蛋白H1（左）、H3（右）与尼古丁作用后的CD光谱 曲线1-6尼古丁反应浓度分别为：0，0.10，0.20，0.40，0.80，1.60 mmol/L； 组蛋白H1、H3的测定浓度均为0.275 mmol/L平均氨基酸残基浓度。
吴小红，孙红芳，刘元方，科学通报，2019，44，2504-2508
日本分光公司（JASCO）
2-2-3 旋光法和圆二色性法的应用
1.单波长旋光法
•简单体系的分析和纯度鉴定， •动力学研究 •反应机理研究
CHO H C OH H C OH
C H 2O H
还原
C H 2O H H C OH H C OH
C H 2O H
酸
蔗糖 + 水
葡萄糖 + 果糖
2.旋光色散法
•有机物结构分析
The J-810 is the latest 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". Applications: Protein/Peptide confirmation studies Thermal and chemical denaturation studies Structural determination
OH CH3CH2 C CH3
H
-40
200
400
6 00
λ /nm
(+)和 （ -） 2-丁 醇 的 ORD曲 线
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λmax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。
比旋光度
[
]
T
T
l
摩尔旋光度
[
]
T
100 lc
T
[M
]
T
Mr 100
[
]
T
T：温度 l：介质厚度 c：g/100mL
：波长 ：介质密度 Mr：相对分子量
测量不同波长下的，得到旋光色散 曲线。
l(nl nd)ln
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。
椭圆度
T
0 .576
lc ( l
d)
比椭圆度
[
]T
100
T
lc
摩尔椭圆度
[ ]T
Mr 100
[ ]T
M
r
T
lc
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
•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
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
一参数来表征。
比折射度：
r
(n2 (n2
1) 2)
1 d
d：密度
摩尔折射度： RrMr
Mr：相对分子量
混合溶液的比折射度具有加合性：
n n1 1 2 2 1 2m d1 1n n2 2 2 2 1 2m d2 2n n2 2 1 2m d
m、m1、m2分别为混合 液、组分1组分2的质量
4. 色散系数 N nD 1 nF nc
3.圆二色性法
用于蛋白质折叠、蛋白质构象研究,DNA/RNA反应，酶动力 学，光学活性物质纯度测量，药物定量分析。天然有机化学与立 体有机化学，物理化学，生物化学与宏观大分子，金属络合物， 聚合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 。最后根据(+)-樟脑 的CD和ORD谱，构型确定为A。
2-1-1 折射法基本原理
1. 折射现象
n21nn12
1 2
sin1 sin2
真空：n=1 空气：n=1.00027
2. 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
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
2-1 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。
• 两束相互垂直而相位相差1/4波长的平面偏振光可以加和
成一束圆偏振光
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“+”号表 示；偏振面按逆时针方向旋转的，称为左旋，用“-”号表示
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，北京，2019 • 刘骥 等编，医用生物物理学，人民卫生出版社，2019
• Richard A. Paselk, The Evolution of the Abbe Refractometer, Bulletin of the Scientific Instrument Society, 2019, 62, 19-22, humboldt.edu/~scimus/Essays/EvolAbbeRef/EvolAbbeRef.ht m
9
8
7
4
3
5
12
6 10 O
A
8
9
7
3
2
O
1
B
4 5
6 10
ORD A
CD
300 400 500 600 700 / 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。
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 (Circular 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。
上海光学仪器五厂
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
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
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
• 一束自然光可以分解或看作两束相互垂直而没有相位关
系的平面偏振光的加和。
• 平面偏振光可以分解成两束相位相等而旋转方向相反的
圆偏振光的加和。 • 当振幅相等，并同步的左、右圆偏振光相加，则产生平
面偏振光；如果这两束圆偏振光的振幅不等则产生椭圆 偏振光(elliptically polarized light)
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 子结构信息，并且可以由Kronig-Krammers转换方程相 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，可以分析确定 物质的浓度、含量和纯度等。
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λK。谷至峰之间的高度称为振幅。
[ ]0 0
振幅
K
正康顿效应
/nm
[ ]0
0
振幅
K
/nm
负康顿效应
2. 圆二色性
（Circular Dichroism，CD）
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
[φ]λ=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，。
40 [φ ]0
（ +） （ -）
nD: 钠黄光 589.3nm nF: 氢蓝光 486.1nm nc: 氢红光 656.3nm
2-1-2 折射仪
1. 折射计
sin n
np
np：棱镜的折射率
sin n sin
(90 ) (90 ) r 180 o
n sin cos sin r
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
n
2 p
sin
2
光源为单色光
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。 蔗糖溶液的质量分数0-95%，
2．定量分析
相当于折射率为1.333-1.531。
上海光学仪器五厂
主要技术规格
折射率ND测量范围 折射率ND测量准确度 折射率ND最小分度值 糖量浓度(%)测量范围 糖量浓度(%)最小分度值
2W 1.300-1.700 0.0003 0.001 0-95 0.5
2WAJ 1.300-1.700 0.0002 0.0005 0-95 0.25
2. 干涉仪
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
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。
组蛋白H1（左）、H3（右）与尼古丁作用后的CD光谱 曲线1-6尼古丁反应浓度分别为：0，0.10，0.20，0.40，0.80，1.60 mmol/L； 组蛋白H1、H3的测定浓度均为0.275 mmol/L平均氨基酸残基浓度。
吴小红，孙红芳，刘元方，科学通报，2019，44，2504-2508
日本分光公司（JASCO）
2-2-3 旋光法和圆二色性法的应用
1.单波长旋光法
•简单体系的分析和纯度鉴定， •动力学研究 •反应机理研究
CHO H C OH H C OH
C H 2O H
还原
C H 2O H H C OH H C OH
C H 2O H
酸
蔗糖 + 水
葡萄糖 + 果糖
2.旋光色散法
•有机物结构分析
The J-810 is the latest 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". Applications: Protein/Peptide confirmation studies Thermal and chemical denaturation studies Structural determination
OH CH3CH2 C CH3
H
-40
200
400
6 00
λ /nm
(+)和 （ -） 2-丁 醇 的 ORD曲 线
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λmax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。
比旋光度
[
]
T
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摩尔旋光度
[
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[M
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Mr 100
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T：温度 l：介质厚度 c：g/100mL
：波长 ：介质密度 Mr：相对分子量
测量不同波长下的，得到旋光色散 曲线。
l(nl nd)ln
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。