圓偏振熒光的淺析及對(duì)教學(xué)科研的啟示

李軍峰 楊成龍 陳瑛

摘要：手性是自然界的普遍特征，不對(duì)稱是生命的物質(zhì)基礎(chǔ)。本文著重介紹圓偏振光譜儀的概念、分類、定性分析及圓偏振光譜儀的檢測(cè)原理。商品化圓偏振光譜儀的出現(xiàn)，啟示我們教學(xué)與科研相互統(tǒng)一，相互促進(jìn)、缺一不可。

關(guān)鍵詞：不對(duì)稱破缺；圓偏振熒光（CPL）；不對(duì)稱因子；教學(xué)與科研

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2015）50-0185-02

手性是宇宙間的普遍特征，體現(xiàn)著生命的產(chǎn)生和演變過程。自然界存在的糖、核酸、淀粉及纖維素中的糖單元，是D-構(gòu)型，生物大分子的基元材料α-氨基酸，絕大多數(shù)為L(zhǎng)-構(gòu)型；蛋白質(zhì)和DNA的螺旋構(gòu)象是右旋的；還發(fā)現(xiàn)海螺的螺紋和纏繞植物絕大部分是右旋的。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，生物體內(nèi)存在手性環(huán)境，作用于生物體內(nèi)的藥物及農(nóng)藥，其藥效作用多與它們和體內(nèi)靶分子間的手性匹配和手性相關(guān)。因此，手性藥物和手性農(nóng)藥的研究尤其重要。手性藥物的不同對(duì)映異構(gòu)體，在生理過程中會(huì)顯示不同的藥效。尤其是當(dāng)手性藥物的一種對(duì)映異構(gòu)體對(duì)治療有效，而另一種異構(gòu)體表現(xiàn)為有害性質(zhì)時(shí)，情況更為嚴(yán)重。20世紀(jì)60年代的“反應(yīng)停Thalidom ide悲劇”就是一個(gè)突出的例子。然而，手性分子是如何形成的卻一直讓人迷惑不解。

在材料的研究中，手性技術(shù)已在人們的日常生活中得到了廣泛的應(yīng)用，深入的應(yīng)用型研究正在進(jìn)行當(dāng)中。圓偏振熒光（CPL）的經(jīng)過科學(xué)家的幾十年不斷通常光源發(fā)出的光為各向同性的自然光，在光的轉(zhuǎn)換過程中光的利用效率比較低。如彩色液晶顯示器中，入射光能量的利用率還不到30%。如使用有機(jī)圓偏振發(fā)光材料（CPL）作為發(fā)光器件的發(fā)光層，能使光源的利用率幾乎達(dá)到100%。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，將手性引入有機(jī)化合物中能夠獲得圓偏振熒光，經(jīng)過不斷地開拓和發(fā)展，有機(jī)化合物的手性得到不斷的拓展和應(yīng)用。手性化合物的圓偏振光在3D信息顯示、量子通訊、自旋電子學(xué)、信息存儲(chǔ)、CPL激光、非線性光學(xué)、生物探針等領(lǐng)域有廣泛的用途和應(yīng)用前景，引起科學(xué)家極大的關(guān)注和興趣。

關(guān)于手性的概念、判斷方法、絕對(duì)構(gòu)型的判斷方法、旋光度的概念、圓二色譜（CD）等相關(guān)科學(xué)知識(shí)，大學(xué)有機(jī)化學(xué)教材都有詳細(xì)報(bào)道與介紹，本文不再贅述。本文主要介紹圓偏振熒光的概念、分類、定性分析、圓偏振熒光的檢測(cè)設(shè)備原理，及商品化圓偏振光譜儀的出現(xiàn)給予我們?cè)诮虒W(xué)與科研方面的啟示。

一、圓偏振熒光的概念

如圖1所示，在垂直于光傳播方向的平面內(nèi)，右旋偏振光的電矢量隨時(shí)間的變化順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，而右旋偏振光在三維空間中電矢量左旋。

1972年以后，在圓二色的基礎(chǔ)上，人們發(fā)現(xiàn)圓偏振熒光的左、右圓偏振光的強(qiáng)度不同。通常以左、右圓偏振熒光的強(qiáng)度差△I=CPL=IL-IR，作為圓偏振光的量度。因此，圓偏振熒光光譜隨著波長(zhǎng)λ的變化而變化。1967年，Emeis和Oosterhoff等研究者率先用非偏振熒光拆分了對(duì)映體反-β-茚滿酮、反-β-硫代茚滿酮及Co（en）3（ClO4）3溶液，測(cè)量了其發(fā)射光的左、右偏振光的相應(yīng)強(qiáng)度[1，2]。相應(yīng)的偏振熒光材料極化程度即不對(duì)稱因子（glum），利用公式glum=2（IL-IR）/（IL+IR）衡量，IL和IR分別指左旋和右旋偏振光強(qiáng)度，glum在[-2，2]之間，對(duì)于純的左旋或右旋偏振光，glum=±2，而對(duì)于非偏振光，glum=±0。吸收不對(duì)稱因子（gabs），利用公式gabs=2（εL-εR）/（εL+εR）衡量，εL和εR分別是左圓偏振光的摩爾吸收系數(shù)和右圓偏振光的摩爾吸收系數(shù)。由兩者公式可以推斷出，glum和gabs可作為物質(zhì)手性強(qiáng)弱的量度，g值愈大手性愈強(qiáng)，反之，手性愈弱。進(jìn)一步而言，glum是分子激發(fā)態(tài)手性的量度，gabs是分子基態(tài)手性的量度。圓二色和圓偏振發(fā)光最大的差別在于前者反映的是分子基態(tài)的手性，而后者反映的是分子激發(fā)態(tài)的手性。因此，圓偏振熒光能夠提供分子激發(fā)態(tài)的結(jié)構(gòu)信息，圓二色譜提供分子基態(tài)的結(jié)構(gòu)信息。

二、圓偏振熒光測(cè)量設(shè)備

以前文獻(xiàn)報(bào)道的CPL檢測(cè)都是在相關(guān)科研工作者自己設(shè)計(jì)和建造的儀器上進(jìn)行的[3]。目前已有商品化的儀器，如JASCO-CPL-300及OLIS公司生產(chǎn)的圓偏振光譜儀。我們主要介紹圓偏振光譜儀的測(cè)量原理。

根據(jù)Steinberg、Gafni、Shatwell、McCaffery和Richardson的設(shè)計(jì)和建造圓偏振光譜儀的原理[4-6]，結(jié)合JASCO和OLIS公司設(shè)計(jì)理念。如圖2，介紹圓偏振熒光光譜儀的基本結(jié)構(gòu)方框圖。其基本組成部分為：激發(fā)源、單色器、樣品、光學(xué)彈性調(diào)制器、發(fā)射單色器、光電倍增管、鎖相放大器及記錄儀。現(xiàn)在商品化的光源基本為150 W的氙燈，能夠滿足檢測(cè)的需要。若用激光作為激發(fā)光源或當(dāng)激發(fā)單色器的輸出明顯偏振時(shí)，都需要加去偏振片。

檢測(cè)樣品范圍包括：液體、固體粉末、薄膜。根據(jù)不同科研需求，配備低溫樣品池，滿足不同條件的測(cè)試需求。

圓偏振熒光的記錄儀記錄光電倍增管提供的電信號(hào)，并鑒別圓偏振熒光的可變信號(hào)及比例于總發(fā)射強(qiáng)度的可變信號(hào)，包括：（1）CPL的強(qiáng)度△I；（2）總發(fā)光強(qiáng)度I總；（3）△I/I總。

三、圓偏振熒光的研究給予的啟示

我們從圓偏振光理性認(rèn)知，最初的檢測(cè)設(shè)計(jì)，到商品化圓偏振光譜儀的出現(xiàn)，加深了對(duì)圓偏振光的認(rèn)識(shí)與研究。另一方面，商品化圓偏振光譜儀的出現(xiàn)，促使我們進(jìn)一步研究手性在生命演化過程中擔(dān)當(dāng)?shù)慕巧笆中栽诓牧峡茖W(xué)方面的重要價(jià)值。

綜上所述，本論文介紹手性在生命科學(xué)和材料科學(xué)的方面重要價(jià)值，著重介紹了圓偏振光概念、原理、商品化圓偏振光譜儀的原理，啟示我們教學(xué)與研究相互統(tǒng)一，缺一不可，相互促進(jìn)。科研已經(jīng)成為高等學(xué)校的一種職能和任務(wù)，也是培養(yǎng)人才和促進(jìn)經(jīng)濟(jì)文化建設(shè)的一種重要手段。

參考文獻(xiàn)：

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