一文讀懂 | 手性光譜儀器的基本原理（內(nèi)含多圖及公式）

早在19世紀(jì)初，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)某些晶體能使通過的偏振光振動平面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的特性，有些是左旋有些是右旋，稱為旋光性或者手性。酒桶底部的酒石酸和這種結(jié)晶母液中制備出的另一種外消旋酸就表現(xiàn)出不一樣的特性，酒石酸能使偏振光轉(zhuǎn)動而外消旋酸不能，其它的物化性質(zhì)完全一樣，成為當(dāng)時化學(xué)界的不解之謎。

直到1848年，博士畢業(yè)不久的路易斯·巴斯德（后來成為微生物領(lǐng)域的開創(chuàng)者）聽到這個現(xiàn)象后非常好奇。他當(dāng)時正從事化學(xué)結(jié)晶體形態(tài)和結(jié)構(gòu)方面的研究，他就用他特別擅長的顯微鏡觀測酒石酸銨鈉鹽，發(fā)現(xiàn)晶體是不對稱的，于是他猜想外消旋酸應(yīng)該是對稱的。出乎意料的是在顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)外消旋酸的晶體也是不對稱的，晶面方向還不一樣。

巴斯德用鑷子在顯微鏡下將晶面不同的晶體一粒粒挑出來分為兩組，并配成溶液，測旋光性，發(fā)現(xiàn)兩組溶液的旋光方向正好相反，將兩者溶液等比混合后旋光性消失。于是巴斯德得出結(jié)論，旋光性是物質(zhì)分子層面上的信息，與分子結(jié)構(gòu)相關(guān)，從而揭開了立體化學(xué)研究的序幕。

化學(xué)上第一個諾貝爾獎獲獎?wù)叻锻蟹颍ê商m）因提出碳的價鍵理論來解答鏡像分子的構(gòu)成問題，后來成為立體化學(xué)中解釋分子結(jié)構(gòu)不對稱性的經(jīng)典理論。

關(guān)于立體化學(xué)的詳細(xì)理論，在經(jīng)典的化學(xué)教材上都給出了詳細(xì)的推導(dǎo)，我們這里就不一一贅述，我們只給出幾條重要的結(jié)論：

1) 有機(jī)化合物是否有旋光性（手性），取決于有機(jī)物本身結(jié)構(gòu)。

2) 含有一個手性碳原子的分子往往具有手性。

3) 含有多個手性碳原子的分子不一定都具有手性。

4) 一個分子是否是手性分子，可以通過研究分子的對稱因素來判斷。常見的幾種對稱因素包括對稱中心、對稱面、對稱軸等。

手性光譜儀的基本原理

常用的手性光譜儀包括旋光儀，圓二色譜儀，圓偏振熒光光譜儀。下面我們就前兩類儀器的相關(guān)的光譜原理和儀器構(gòu)造原理分別作詳細(xì)的介紹。

1. 旋光儀

旋光儀是測量物質(zhì)旋光度的儀器，也可以通過旋光度來確定物質(zhì)的濃度、糖度、純度等。旋光儀的設(shè)計原理相對簡單，下面我們先以旋光儀為例介紹光譜儀的原理和結(jié)構(gòu)。

振動方向和光波前進(jìn)方向構(gòu)成的平面叫做振動面，光的振動面只限于某一固定方向的，叫做平面偏振光或線偏振光，振動方程表示為簡諧振動的形式x = Acos(ωt+Φ)。自然光經(jīng)過Nicols棱晶(由方解石晶體加工制成)后， 由于Nicols棱晶只能使與其晶軸相平行的平面內(nèi)振動的光線通過，平面偏振光得以產(chǎn)生。

Nicols棱晶（偏振片）具有使單方向振動光通過的能力，所以常常被用作起偏器和檢偏器來檢測偏振光的振動方向。如圖2所示，當(dāng)一束自然光通過第一個偏振片時，只有與晶軸平行的光能通過，變?yōu)槠矫嫫窆?，如何檢測此平面偏振光的偏振方向？只有存在第二個同樣的偏振片時，通過旋轉(zhuǎn)第二個偏振片的角度，觀察出射光的光強(qiáng)，當(dāng)光強(qiáng)達(dá)到最大值時，此時晶軸方向和入射光方向相同，即為偏振光的振動方向。根據(jù)此原理，很容易設(shè)計出旋光儀的基本構(gòu)造。如圖3所示，自然光通過起偏器后轉(zhuǎn)變?yōu)榫€偏光，線偏光通過旋光性樣品會由于樣品結(jié)構(gòu)的不對稱性而發(fā)生角度偏轉(zhuǎn)，檢偏器通過改變角度去保證出射光強(qiáng)最大值，濾光片的作用是因為檢測旋光的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是以鈉光源589 nm的信息為主，最后檢測器會檢測到589 nm的偏振光的旋光度，從而反推出樣品的手性和結(jié)構(gòu)信息。

旋光物質(zhì)通常具有以下特性：

① 旋光物質(zhì)：每種旋光物質(zhì)有特定的旋光度

② 測量波長：波長越小，旋光度越大

③ 溫度：溫度不同，旋光度不一樣

④ 旋光物質(zhì)的厚度：厚度越大，旋光度越大

⑤ 旋光物質(zhì)的濃度：濃度越大，旋光度越大

為了比較物質(zhì)旋光性能的大小，消除不可比因素的影響，通常采用比旋光度來描述。比旋光度可以描述為一定溫度下，旋光管長度為1dm，試樣濃度為g/mL，測試波長為589 nm時所測的旋光度。

2. 圓二色光譜儀

前一部分我們講述了什么是線偏光及線偏光如何得到，那么偏振光家族中另一個重要的成員圓偏振光又是如何產(chǎn)生的？簡單來說，光矢量繞著光的傳播方向旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)角速度對應(yīng)光的角頻率；光矢量端點的軌跡是一個圓(橢圓)，光沿著這個軌跡振動傳播就是圓偏振光。

光在傳播方向上存在互相垂直的電場矢量 E 和磁場矢量 B 振動，振動的矢量以電場作用力E為主，磁場的作用可忽略不計，E的大小直接決定振動能量的多少，也就是振幅A的大小。所以通?？梢杂肊直接表示振幅，光的合成也遵循矢量合成:

（證明過程參考能流密度的定義）

下面我們從兩垂直的線偏光的合成來詳細(xì)論述圓二色光譜儀的原理。

以cosΦ2乘以(1)式，cosΦ1 乘以(2)式，再兩式相減得

以sinΦ2乘以(1)式，sinΦ1乘以(2)式后兩式相減得

(3)式、(4)式分別平方后相加得合振動的軌跡方程

由軌跡方程和軌跡圖所示，當(dāng) ΔΦ=±π/2 為橢圓偏振光，振幅相同時為圓偏振光。

這里我們講兩個互相垂直的線偏光合成圓偏光的過程。在一定條件下，兩組旋轉(zhuǎn)方向相反的圓偏光同樣也可以合成線偏光。

上圖是我們用圖示來描述兩者之間的關(guān)系，為了更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)卣f明兩者之間的關(guān)系，我們用方程加以說明。

從兩互相垂直的線偏光方程知道，相位差為π/2，所以我們假設(shè)左圓偏光方程的振幅為

則右圓偏光為

振幅相等 (E=El=Er) 的線偏光合成出圓偏光

合振幅滿足簡諧振動方程的表達(dá)式，左右圓偏光在特定條件下合成了平面偏振光。

然而，在通常情況下， 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，

左右圓偏光的合成只滿足以下的一般式：

兩旋轉(zhuǎn)方向相反的左、右圓偏光通過一光學(xué)活性的物質(zhì)后，其平面偏振光的偏轉(zhuǎn)角會不同，合振幅會發(fā)生變化，所以合成光將不再是平面偏振光，在大多數(shù)情況下都是橢圓偏振光。圓二色光譜儀正是通過這個原理來設(shè)計的：通過檢測兩束旋轉(zhuǎn)方向相反的圓偏振光透過樣品所產(chǎn)生的橢圓的不同來判斷樣品的結(jié)構(gòu)信息。下面簡單推導(dǎo)下橢圓率θ與ΔA之間的關(guān)系。

根據(jù)以上原理就很容易理解圓二色光譜儀的光路設(shè)計，如下圖所示。

由上面的公式我們知道 θ 與 ΔA 的關(guān)系是線性關(guān)系，要想得到橢圓率 θ，如何取得 ΔA 甚為關(guān)鍵。

如果AL > AR，則IR > IL，即通過樣品后的右旋圓偏振光的強(qiáng)度大于左旋圓偏振光

當(dāng)強(qiáng)度這樣變化的光照射到檢測器（雪崩式二極管或者光電倍增管）時，

采集樣品輸出信號中的吸收后光強(qiáng)之和 IA以及光強(qiáng)之差 IS

從而可以測出兩束圓偏光通過樣品后的 θ。

以上我們分別詳細(xì)介紹了兩種最主要的手性測量儀器的原理，總結(jié)出以下幾個關(guān)鍵點：

1) 線偏振光可以分解成兩個旋轉(zhuǎn)方向相反的圓偏光

2) 手性樣品對兩種圓偏光會產(chǎn)生不同程度地吸收，導(dǎo)致出射的光不再是線偏光，而是橢圓偏振光

3) 通過測量出射的不同波長橢圓偏振光的橢偏率就得到圓二色光譜

4) 與旋光儀不同，旋光儀測量的角度是偏轉(zhuǎn)角度，而圓二色光譜的角度是由橢圓率換算出來的角度

目前，手性光譜儀得到了越來越廣泛的應(yīng)用，包括生物大分子材料，手性納米材料，聚合物手性材料等，今后我們還將總結(jié)儀器在這些應(yīng)用的使用方法和技巧，更好地支撐大家從光譜原理、到光譜儀器原理，再到儀器應(yīng)用的多層次、多角度地把握實驗數(shù)據(jù)的分析。

????本文來源：西湖大學(xué)官網(wǎng)，作者：陳中博士????