圆偏振荧光的浅析及对教学科研的启示
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摘要：手性是自然界的普遍特征，不对称是生命的物质基础。本文着重介绍圆偏振光谱仪的概念、分类、定性分析及圆偏振光谱仪的检测原理。商品化圆偏振光谱仪的出现，启示我们教学与科研相互统一，相互促进、缺一不可。
关键词：不对称破缺；圆偏振荧光（CPL）；不对称因子；教学与科研
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）50-0185-02
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α-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λ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-β-茚满酮、反-β-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（εL-εR）/（εL+εR）衡量，εL和εR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JASCO和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）I/I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科学和材料科学的方面重要价值，着重介绍了圆偏振光概念、原理、商品化圆偏振光谱仪的原理，启示我们教学与研究相互统一，缺一不可，相互促进。科研已经成为高等学校的一种职能和任务，也是培养人才和促进经济文化建设的一种重要手段。
参考文献：
[1]Natsume，M. & Kumadaki. Reduction of quinoline and isoquinoline with sodium hyride[J]. Tetrahedron Lett.1973，（26）：2335.
[2]Caubere，P. & Moreau，J. Etude des reactions provoquees par I’hydrure de sodium dans I’hexamethylphosphotriamide （HMPT） anhydre ou aqueux[J]. Tetrahedron 1969，（25）：2469.
[3]严蘩诗.圆偏振发光光谱及其应用[J].化学通报，1984，（26）：29.
[4]Moreau，J. Reductions provoquées par NaH （OU NaD） et NaH-RONa en milieu aprotique -III：Réduction de derives gem dihalogénocyclopropaniques [J]. Tetrahedron 1971，（27）：5741.