圆偏振荧光的浅析及对教学科研的启示

1、圆偏振荧光的浅析及对教学科研的启示手性是宇宙间的普遍特征，体现着生命的产生和演变过程。自然界存在的糖、核酸、淀粉及纤维素中的糖单元，是D-构型，生物大分子的基元材料 a -氨基酸，绝大多数为L-构型；蛋白质 和DNA的螺旋构象是右旋的；还发现海螺的螺纹和缠绕植物绝大 部分是右旋的。进一步研究发现，生物体内存在手性环境，作用 于生物体内的药物及农药， 其药效作用多与它们和体内靶分子间 的手性匹配和手性相关。 因此， 手性药物和手性农药的研究尤其 重要。手性药物的不同对映异构体， 在生理过程中会显示不同的 药效。尤其是当手性药物的一种对映异构体对治疗有效， 而另一 种异构体表现为有害性质时，情况更

2、为严重。 20 世纪 60 年代的 “反应停 Thalidom ide 悲剧”就是一个突出的例子。然而，手 性分子是如何形成的却一直让人迷惑不解。在材料的研究中， 手性技术已在人们的日常生活中得到了广泛的应用，深入的应用型研究正在进行当中。圆偏振荧光（CPL）的经过科学家的几十年不断通常光源发出的光为各向同性的自 然光， 在光的转换过程中光的利用效率比较低。 如彩色液晶显示 器中，入射光能量的利用率还不到 30%。如使用有机圆偏振发光 材料（CPL）作为发光器件的发光层，能使光源的利用率几乎达 到 100%。科学家发现，将手性引入有机化合物中能够获得圆偏 振荧光， 经过不断地开拓和发展， 有机

3、化合物的手性得到不断的 拓展和应用。手性化合物的圆偏振光在 3D信息显示、量子通讯、 自旋电子学、信息存储、CPL激光、非线性光学、生物探针等领 域有广泛的用途和应用前景，引起科学家极大的关注和兴趣。关于手性的概念、判断方法、绝对构型的判断方法、旋光度 的概念、圆二色谱（CD等相关科学知识，大学有机化学教材都 有详细报道与介绍， 本文不再赘述。 本文主要介绍圆偏振荧光的 概念、分类、定性分析、圆偏振荧光的检测设备原理，及商品化 圆偏振光谱仪的出现给予我们在教学与科研方面的启示。一、圆偏振荧光的概念如图 1 所示， 在垂直于光传播方向的平面内， 右旋偏振光的 电矢量随时间的变化顺时针旋转， 而右

4、旋偏振光在三维空间中电 矢量左旋。1972年以后，在圆二色的基础上，人们发现圆偏振荧光的 左、右圆偏振光的强度不同。通常以左、右圆偏振荧光的强度差 I=CPL=IL-IR ，作为圆偏振光的量度。因此，圆偏振荧光光谱 随着波长 入的变化而变化。1967年，Emeis和Oosterhoff等研 究者率先用非偏振荧光拆分了对映体反 -B -茚满酮、反-B -硫代 茚满酮及 Co（en）3（ClO4）3 溶液，测量了其发射光的左、右 偏振光的相应强度 1 ， 2 。相应的偏振荧光材料极化程度即不对 称因子（glum），利用公式 glum=2 （IL-IR ） / （IL+IR ）衡量， IL 和 IR

5、 分别指左旋和右旋偏振光强度，glum 在-2 ， 2 之间，对于纯的左旋或右旋偏振光，glum= 2,而对于非偏振光， glum=0。吸收不对称因子(gabs),利用公式gabs=2($ L- e R) / ( e L+ e R)衡量，e L和e R分别是左圆偏振光的摩尔吸收系 数和右圆偏振光的摩尔吸收系数。 由两者公式可以推断出， glum 和 gabs 可作为物质手性强弱的量度， g 值愈大手性愈强，反之， 手性愈弱。进一步而言， glum 是分子激发态手性的量度， gabs 是分子基态手性的量度。 圆二色和圆偏振发光最大的差别在于前 者反映的是分子基态的手性，而后者反映的是分子激发态的

6、手 性。因此，圆偏振荧光能够提供分子激发态的结构信息，圆二色 谱提供分子基态的结构信息。二、圆偏振荧光测量设备以前文献报道的CPL检测都是在相关科研工作者自己设计 和建造的仪器上进行的 3 。目前已有商品化的仪器，如 JASCO-CPL-300及OLIS公司生产的圆偏振光谱仪。我们主要介 绍圆偏振光谱仪的测量原理。根据 Steinberg 、Gafni 、Shatwell 、McCaffery 和 Richardson 的设计和建造圆偏振光谱仪的原理4-6，结合JASC靳OLIS公司设计理念。 如图 2，介绍圆偏振荧光光谱仪的基本结构方框图。 其基本组成部分为：激发源、单色器、样品、光学弹性调

7、制器、 发射单色器、光电倍增管、锁相放大器及记录仪。现在商品化的 光源基本为150 W的氙灯，能够满足检测的需要。若用激光作为 激发光源或当激发单色器的输出明显偏振时，都需要加去偏振 片。检测样品范围包括：液体、固体粉末、薄膜。根据不同科研 需求，配备低温样品池，满足不同条件的测试需求。圆偏振荧光的记录仪记录光电倍增管提供的电信号， 并鉴别 圆偏振荧光的可变信号及比例于总发射强度的可变信号，包括：(1) CPL的强度 I ;( 2)总发光强度I总；(3)A 1/1总。三、圆偏振荧光的研究给予的启示 我们从圆偏振光理性认知， 最初的检测设计， 到商品化圆偏 振光谱仪的出现，加深了对圆偏振光的认识与研究。另一方面， 商品化圆偏振光谱仪的出现， 促使我们进一步研究手性在生命演 化过程中担当的角色及手性在材料科学方面的重要价值。综上所述，本论文介绍手性在生命