圓偏振熒光的淺析及對教學科研的啟示

李軍峰 楊成龍 陳瑛

摘要：手性是自然界的普遍特征，不對稱是生命的物質基礎。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原理。商品化圓偏振光譜儀的出現，啟示我們教學與科研相互統一，相互促進、缺一不可。

關鍵詞：不對稱破缺；圓偏振熒光（CPL）；不對稱因子；教學與科研

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）50-0185-02

手性是宇宙間的普遍特征，體現著生命的產生和演變過程。自然界存在的糖、核酸、淀粉及纖維素中的糖單元，是D-構型，生物大分子的基元材料α-氨基酸，絕大多數為L-構型；蛋白質和DNA的螺旋構象是右旋的；還發現海螺的螺紋和纏繞植物絕大部分是右旋的。進一步研究發現，生物體內存在手性環境，作用于生物體內的藥物及農藥，其藥效作用多與它們和體內靶分子間的手性匹配和手性相關。因此，手性藥物和手性農藥的研究尤其重要。手性藥物的不同對映異構體，在生理過程中會顯示不同的藥效。尤其是當手性藥物的一種對映異構體對治療有效，而另一種異構體表現為有害性質時，情況更為嚴重。20世紀60年代的“反應停Thalidom ide悲劇”就是一個突出的例子。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，手性技術已在人們的日常生活中得到了廣泛的應用，深入的應用型研究正在進行當中。圓偏振熒光（CPL）的經過科學家的幾十年不斷通常光源發出的光為各向同性的自然光，在光的轉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%。如使用有機圓偏振發光材料（CPL）作為發光器件的發光層，能使光源的利用率幾乎達到100%。科學家發現，將手性引入有機化合物中能夠獲得圓偏振熒光，經過不斷地開拓和發展，有機化合物的手性得到不斷的拓展和應用。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、信息存儲、CPL激光、非線性光學、生物探針等領域有廣泛的用途和應用前景，引起科學家極大的關注和興趣。

關于手性的概念、判斷方法、絕對構型的判斷方法、旋光度的概念、圓二色譜（CD）等相關科學知識，大學有機化學教材都有詳細報道與介紹，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、圓偏振熒光的檢測設備原理，及商品化圓偏振光譜儀的出現給予我們在教學與科研方面的啟示。

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，右旋偏振光的電矢量隨時間的變化順時針旋轉，而右旋偏振光在三維空間中電矢量左旋。

1972年以后，在圓二色的基礎上，人們發現圓偏振熒光的左、右圓偏振光的強度不同。通常以左、右圓偏振熒光的強度差△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映體反-β-茚滿酮、反-β-硫代茚滿酮及Co（en）3（ClO4）3溶液，測量了其發射光的左、右偏振光的相應強度[1，2]。相應的偏振熒光材料極化程度即不對稱因子（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度，glum在[-2，2]之間，對于純的左旋或右旋偏振光，glum=±2，而對于非偏振光，glum=±0。吸收不對稱因子（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和右圓偏振光的摩爾吸收系數。由兩者公式可以推斷出，glum和gabs可作為物質手性強弱的量度，g值愈大手性愈強，反之，手性愈弱。進一步而言，glum是分子激發態手性的量度，gabs是分子基態手性的量度。圓二色和圓偏振發光最大的差別在于前者反映的是分子基態的手性，而后者反映的是分子激發態的手性。因此，圓偏振熒光能夠提供分子激發態的結構信息，圓二色譜提供分子基態的結構信息。

二、圓偏振熒光測量設備

以前文獻報道的CPL檢測都是在相關科研工作者自己設計和建造的儀器上進行的[3]。目前已有商品化的儀器，如JASCO-CPL-300及OLIS公司生產的圓偏振光譜儀。我們主要介紹圓偏振光譜儀的測量原理。

根據Steinberg、Gafni、Shatwell、McCaffery和Richardson的設計和建造圓偏振光譜儀的原理[4-6]，結合JASCO和OLIS公司設計理念。如圖2，介紹圓偏振熒光光譜儀的基本結構方框圖。其基本組成部分為：激發源、單色器、樣品、光學彈性調制器、發射單色器、光電倍增管、鎖相放大器及記錄儀。現在商品化的光源基本為150 W的氙燈，能夠滿足檢測的需要。若用激光作為激發光源或當激發單色器的輸出明顯偏振時，都需要加去偏振片。

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

圓偏振熒光的記錄儀記錄光電倍增管提供的電信號，并鑒別圓偏振熒光的可變信號及比例于總發射強度的可變信號，包括：（1）CPL的強度△I；（2）總發光強度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知，最初的檢測設計，到商品化圓偏振光譜儀的出現，加深了對圓偏振光的認識與研究。另一方面，商品化圓偏振光譜儀的出現，促使我們進一步研究手性在生命演化過程中擔當的角色及手性在材料科學方面的重要價值。

綜上所述，本論文介紹手性在生命科學和材料科學的方面重要價值，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，啟示我們教學與研究相互統一，缺一不可，相互促進。科研已經成為高等學校的一種職能和任務，也是培養人才和促進經濟文化建設的一種重要手段。

參考文獻：

[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 Ihydrure de sodium dans Ihexamethylphosphotriamide （HMPT） anhydre ou aqueux[J]. Tetrahedron 1969，（25）：2469.

[3]嚴蘩詩.圓偏振發光光譜及其應用[J].化學通報，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.