圆二色性circular dichroism

对R和L两种圆偏振光吸收程度不同的现象。这种吸收程度的不同与波长的关系称圆二色谱，是一种测定分子不对称结构的光谱法。在分子生物学领域中主要用于测定蛋白质的立体结构，也可用以测定核酸和多糖的立体结构。

圆二色性circular dichroism

两束振幅相等、互相垂直、位相差为1/4波长的偏振光，其合成电矢量从光的传播方向观察，其端点轨迹呈圆形，此种光称圆偏振光。电矢量振动方向沿顺时针方向旋转时称右圆偏振光，沿逆时针方向旋转时称左圆偏振光。物质对左、右圆偏振光吸收率之差称圆二色性。

圆二色性

圆二色性(CD)和旋光色散都用于测定分子的立体结构，旋光色散利用不对称分子对左、右圆偏振光折射的不同进行结构分析，而圆二色性则利用不对称分子对左、右圆偏振光吸收的不同来进行结构分析。
平面偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光 振动方向在同一平面内的电磁波为平面偏振光。两束互相垂直，振幅相等的平面偏振光，其位相相差四分之一波长时，它的合成矢量E的末端轨迹沿着螺旋形旋转，如果对着光的传播方向观察，电矢量E的末端轨迹为一圆，这就是圆偏振光(图1)。
电矢量顺时针方向旋转时，称为右圆偏振光。逆时针方向旋转时为左圆偏振光。振幅相等的左、右圆偏振光合成平面偏振光。其振动方向由左、右圆偏振光的位相决定，(图2(a)与(b))。

图1 圆偏振光

图2 圆偏振光的合成
(a)(b)振幅相等时的合成 (c)(d)振幅不相等时的合成

振幅不等的左、右圆偏振光合成椭圆偏振光 (图2(c)、(d))，椭圆偏振光常用主轴方向和椭圆度来表征它的特性。主轴方向即椭圆长轴的方向，是由左、右圆偏振光的拉相决定的。椭圆度是一个角度(图中的θ)，这个角度的正切是椭圆的短轴与长轴之比。
圆二色性及其定量关系 当左、右圆偏振光进入物质时，光学活性物质分子对左、右圆偏振光的吸收ε_L和ε_R不同，其差值△ε=ε_L-εR也就是圆二色性。如果ε_L-ε_R>0，则CD为“+”，相应于正Cotton效应；如果ε_L-εR<0，则CD为“-”，相应于负Cotton效应(见“旋光色散”条)。由于这种吸收差，造成矢量振幅差，所以从介质出来的光将是椭圆偏振光，常用椭圆度θ或吸收差△ε表示，θ可用圆二色仪测定：

式中AL和AR为经介质吸收后左、右圆偏振光的振幅，d为介质长度，θλ的单位是度。实际工作中常用以下定义和符号：
比椭圆度[ᵠ]λ:

C为旋光物质的浓度。
克分子椭圆度[θ]λ为

克分子椭圆度[θ]λ与圆二色△ε之间的关系为：[θ]λ=3300(εL-εR)λ=3300△ελ
根据CD谱的峰高和带宽可以计算光学活性物质的旋光强度R:

式中[θ]₀是峰位波长λ₀处的克分子椭圆度，△为相当于峰高的1/2处的带的半宽。
圆二色谱 椭圆度（或比椭圆度等）与波长的关系称为圆二色谱。
圆二色谱和旋光色散谱本质上是相同的。从光学活性物质的吸收光谱、圆二色谱和旋光色散谱可以看到它们的相互关系(图3)。同一个光学活性物质的吸收峰和CD峰的峰位相同，即在此波长的吸收(A)和θ均为最大，而在此波长的旋光度却等于0。

图3 同一光学活性物质的吸收谱、旋光色散谱与圆二色谱的关系

圆二色仪 圆二色仪由于需要将平面偏振光调制成左、右圆偏振光，因而设备远较旋光色散仪复杂，其大致

图4 圆二色仪的示意图

结构如图4所示。
圆二色性的应用 由于CD分析对检测重叠的多带、弱带和具有正、负Cotton效应带的样品等比旋光色散(ORD)分析简单可靠，而且CD提供的信息多而明确，所以虽然圆二色仪比旋光色散仪复杂和昂贵，但在六十年代CD仪器制成后，已逐渐代替了ORD分析。CD和ORD是分子的立体结构和动力学研究的有力手段，如通过对激素、抗生素和一些药物的结构分析可进一步搞清这些药物的分子药理机理，从而设计和制造新的药物。在分子生物学和生物化学的研究中，主要用于测定生物大分子的二级结构，如蛋白质的α—螺旋，β—折叠，无规则卷曲、核酸的双螺旋和碱基堆积等。不同的构象有不同的CD谱。
氨基酸的α碳是不对称碳，具有光学活性。在蛋白质分子中，每个残基的α碳仍然是不对称碳，此外主链构象也是不对称结构，因此，也有光学活性。根据蛋白质的CD谱将其与模型多肽或与从X射线衍射技术得到的参数加以比较和计算，就可得到蛋白质大分子各种二级结构的量，并从大分子二级结构的情况，可以推测其结构与功能的关系，如酶与底物、小分子与大分子的相互作用等。
RNA和DNA的碱基呈平面状，无旋光性，但核苷和核苷酸则有旋光性，其旋光性与碱基的性质及核糖或脱氧核糖的糖苷键有关，表现为正或负Cotton效应。在核苷酸键合成多核苷酸时，旋光强度增加，ORD和CD是测定多核苷酸结构变化最灵敏的方法，如单体到多聚体，碱基堆积或由于温度、pH引起的多聚体的螺旋变化都会在CD和ORD谱上有明显的反映。除以上内源Cotton效应以外，在核酸研究中还广泛应用Cotton效应，如氨基吖啶与DNA的作用。
随着远紫外圆二色技术、磁圆二色技术的发展以及计算机、激光等的引入，圆二色技术的灵敏度将更高，应用范围也更广。