一文讀懂 | 手性光譜儀器的基本原理（內含多圖及公式）

欄目：行業(yè)資訊發(fā)布時(shí)間：2022-12-20

早在19世紀初，人們已經(jīng)發(fā)現某些晶體能使通過(guò)的偏振光振動(dòng)平面發(fā)生旋轉的特性，有些是左旋有些是右旋，稱(chēng)為旋光性或者手性。酒桶底部的酒石酸和這種結晶母液中制備出的另一種外消旋酸就表現出不一樣的特性，酒石酸能使偏振光轉動(dòng)而外消旋酸不能，其它的物化性質(zhì)完全一樣，成為當時(shí)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(lái)成為微生物領(lǐng)域的開(kāi)創(chuàng )者）聽(tīng)到這個(gè)現象后非常好奇。他當時(shí)正從事化學(xué)結晶體形態(tài)和結構方面的研究，他就用他特別擅長(cháng)的顯微鏡觀(guān)測酒石酸銨鈉鹽，發(fā)現晶體是不對稱(chēng)的，于是他猜想外消旋酸應該是對稱(chēng)的。出乎意料的是在顯微鏡下觀(guān)察發(fā)現外消旋酸的晶體也是不對稱(chēng)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(lái)分為兩組，并配成溶液，測旋光性，發(fā)現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。于是巴斯德得出結論，旋光性是物質(zhì)分子層面上的信息，與分子結構相關(guān)，從而揭開(kāi)了立體化學(xué)研究的序幕。

化學(xué)上第一個(gè)諾貝爾獎獲獎?wù)叻锻蟹颍ê商m）因提出碳的價(jià)鍵理論來(lái)解答鏡像分子的構成問(wèn)題，后來(lái)成為立體化學(xué)中解釋分子結構不對稱(chēng)性的經(jīng)典理論。

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

1) 有機化合物是否有旋光性（手性），取決于有機物本身結構。

2) 含有一個(gè)手性碳原子的分子往往具有手性。

3) 含有多個(gè)手性碳原子的分子不一定都具有手性。

4) 一個(gè)分子是否是手性分子，可以通過(guò)研究分子的對稱(chēng)因素來(lái)判斷。常見(jiàn)的幾種對稱(chēng)因素包括對稱(chēng)中心、對稱(chēng)面、對稱(chēng)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(lèi)儀器的相關(guān)的光譜原理和儀器構造原理分別作詳細的介紹。

1. 旋光儀

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

振動(dòng)方向和光波前進(jìn)方向構成的平面叫做振動(dòng)面，光的振動(dòng)面只限于某一固定方向的，叫做平面偏振光或線(xiàn)偏振光，振動(dòng)方程表示為簡(jiǎn)諧振動(dòng)的形式x = Acos(ωt+Φ)。自然光經(jīng)過(guò)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振動(dòng)的光線(xiàn)通過(guò)，平面偏振光得以產(chǎn)生。

Nicols棱晶（偏振片）具有使單方向振動(dòng)光通過(guò)的能力，所以常常被用作起偏器和檢偏器來(lái)檢測偏振光的振動(dòng)方向。如圖2所示，當一束自然光通過(guò)第一個(gè)偏振片時(shí)，只有與晶軸平行的光能通過(guò)，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(gè)同樣的偏振片時(shí)，通過(guò)旋轉第二個(gè)偏振片的角度，觀(guān)察出射光的光強，當光強達到最大值時(shí)，此時(shí)晶軸方向和入射光方向相同，即為偏振光的振動(dòng)方向。根據此原理，很容易設計出旋光儀的基本構造。如圖3所示，自然光通過(guò)起偏器后轉變?yōu)榫€(xiàn)偏光，線(xiàn)偏光通過(guò)旋光性樣品會(huì )由于樣品結構的不對稱(chēng)性而發(fā)生角度偏轉，檢偏器通過(guò)改變角度去保證出射光強最大值，濾光片的作用是因為檢測旋光的行業(yè)標準是以鈉光源589 nm的信息為主，最后檢測器會(huì )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構信息。

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(cháng)：波長(cháng)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(lái)描述。比旋光度可以描述為一定溫度下，旋光管長(cháng)度為1dm，試樣濃度為g/mL，測試波長(cháng)為589 nm時(shí)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(xiàn)偏光及線(xiàn)偏光如何得到，那么偏振光家族中另一個(gè)重要的成員圓偏振光又是如何產(chǎn)生的？簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，光矢量繞著(zhù)光的傳播方向旋轉，其旋轉角速度對應光的角頻率；光矢量端點(diǎn)的軌跡是一個(gè)圓(橢圓)，光沿著(zhù)這個(gè)軌跡振動(dòng)傳播就是圓偏振光。

光在傳播方向上存在互相垂直的電場(chǎng)矢量 E 和磁場(chǎng)矢量 B 振動(dòng)，振動(dòng)的矢量以電場(chǎng)作用力E為主，磁場(chǎng)的作用可忽略不計，E的大小直接決定振動(dòng)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(guò)程參考能流密度的定義）

下面我們從兩垂直的線(xiàn)偏光的合成來(lái)詳細論述圓二色光譜儀的原理。

（1），（2）式的x, y 為兩互相垂直的線(xiàn)偏振光的振動(dòng)方程。變換后可得

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(dòng)的軌跡方程

圖5. 兩個(gè)互相垂直的線(xiàn)偏光的合成

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

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

上圖是我們用圖示來(lái)描述兩者之間的關(guān)系，為了更嚴謹地說(shuō)明兩者之間的關(guān)系，我們用方程加以說(shuō)明。

從兩互相垂直的線(xiàn)偏光方程知道，相位差為π/2，所以我們假設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(xiàn)偏光合成出圓偏光

合振幅滿(mǎn)足簡(jiǎn)諧振動(dòng)方程的表達式，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(mǎn)足以下的一般式：

兩旋轉方向相反的左、右圓偏光通過(guò)一光學(xué)活性的物質(zhì)后，其平面偏振光的偏轉角會(huì )不同，合振幅會(huì )發(fā)生變化，所以合成光將不再是平面偏振光，在大多數情況下都是橢圓偏振光。圓二色光譜儀正是通過(guò)這個(gè)原理來(lái)設計的：通過(guò)檢測兩束旋轉方向相反的圓偏振光透過(guò)樣品所產(chǎn)生的橢圓的不同來(lái)判斷樣品的結構信息。下面簡(jiǎn)單推導下橢圓率θ與ΔA之間的關(guān)系。