圓二色譜與cd譜電化學(xué)的特點及其發(fā)展

圓二色譜與cd譜電化學(xué)的特點及其發(fā)展

自1968年kuwaya的第一篇文章發(fā)表以來，光譜電氣工程經(jīng)歷了建立、發(fā)展和完善的階段，成為電氣工程等科學(xué)家的通用工具。有許多文章和討論[2、3、4、5、6、7、8、9、10、11和12]。然而，作為光譜電氣工程的成員，圓形二色光度電氣的發(fā)展并不順利。為什么cd譜電氣工程的發(fā)展阻礙了d譜電氣的發(fā)展？本文總結(jié)了cd譜和cd譜電氣工程的特點及其發(fā)展，并尋求了答案，促進(jìn)了cd譜電氣工程的發(fā)展。1cd譜電化學(xué)將CD譜與電化學(xué)技術(shù)相結(jié)合,構(gòu)成CD光譜電化學(xué),用于研究手性分子和生物大分子的電化學(xué)行為.1977年Hawkridge首次將CD譜與電化學(xué)相結(jié)合,在光透薄層電化學(xué)池上研究了菠菜素中的鐵氧化還原蛋白質(zhì)的電化學(xué)過程,給出了還原過程中不同電位下CD譜強度的穩(wěn)態(tài)響應(yīng).1990年,Hawkridge發(fā)表了第2篇文章,此后,其他科學(xué)家相繼發(fā)表文章[9,10,11,12,13,14,15,16,17].隨著光譜電化學(xué)池的改進(jìn)和新的數(shù)據(jù)處理方法的建立,CD譜電化學(xué)研究開始有較大的發(fā)展,最近又有一些文章發(fā)表[18,19,20,21,22,23,24,25,26].CD譜與電化學(xué)相結(jié)合兼有兩者的特點如下:(1)靈敏度較高,可在光透薄層池中現(xiàn)場監(jiān)測手性分子的電化學(xué)過程.(2)可以獲得分子手性信息和分子所處手性環(huán)境的信息,優(yōu)于可見/紫外光譜.(3)當(dāng)電化學(xué)活性中心和光學(xué)活性中心一致時,電化學(xué)反應(yīng)不僅引起吸收光譜的變化,而且也引起CD譜的變化,CD譜與吸收光譜作用相似;當(dāng)電化學(xué)活性中心與光學(xué)活性中心不一致時,吸收光譜不隨電化學(xué)反應(yīng)而變化,但能改變分子的手性環(huán)境(電偶極矩和磁偶極矩的變化),引起CD譜的改變,而用于檢測電化學(xué)過程.(4)CD譜是觀察生物分子構(gòu)象變化的敏銳工具,它不僅能監(jiān)測分子構(gòu)象變化的過程,而且通過適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)處理,可獲得各構(gòu)象組分的分?jǐn)?shù)及其變化規(guī)律,優(yōu)越于可見/紫外吸收光譜.(5)可用于監(jiān)測電化學(xué)誘導(dǎo)CD譜,即由于電化學(xué)或電場引起的不對稱環(huán)境對生色團的影響而產(chǎn)生的CD譜,是生物分子電化學(xué)特別是生物大分子電化學(xué)研究中不可多得的重要工具之一.(6)可用于研究電化學(xué)控制下物質(zhì)的不同氧化還原態(tài)間的結(jié)構(gòu)變化及其規(guī)律.2帶明顯就是光程長和可能在不同的電極下表達(dá)光學(xué)狀態(tài)目前常用的兩種薄層CD譜電化學(xué)池如圖1所示.其一為國外學(xué)者使用較多的光垂直入射式的光透薄層池.多以鉑網(wǎng)或鍍In2O3的石英玻璃片為工作電極.由于光程短,CD信號較弱的物質(zhì)常需進(jìn)行信號的多次疊加.由于光穿過工作電極,電極的應(yīng)力及電極表面狀態(tài)對CD譜的影響較大,常常需要采用信號的多次平均(100～1000次),這可能是限制CD譜電化學(xué)廣泛應(yīng)用的原因之一.另一種為光平行入射的插入式長光程薄層池.采用石英比色皿為光學(xué)窗,沒有光學(xué)窗的應(yīng)力.光平行于電極表面通過薄層溶液,僅監(jiān)測靠近工作電極表面的薄溶液層中的物質(zhì),不受電極應(yīng)力和狀態(tài)的影響.光程長(1.0cm),大多數(shù)物質(zhì)在較低的濃度下都能給出較大的CD信號,不需要信號疊加,干擾信號小,噪音低.僅在200～240nm波長范圍內(nèi)最多需要9點平滑一次,就可得到平滑的CD譜線.該電解池的缺點有:(1)對光路比較困難;(2)有一定的散射光干擾.在生物大分子電化學(xué)過程研究中,影響200～240nm波長范圍內(nèi)的CD譜,不利于蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的解析,而對生物小分子的研究沒有影響.3d-光譜電阻器和方法3.1化學(xué)氧化還原反應(yīng)目前,圓二色譜電化學(xué)主要作為一種光譜電化學(xué)工具,用于物質(zhì)的氧化還原機理的研究.研究的體系包括:(1)生物小分子和藥物分子的電化學(xué)研究;(2)氧化還原蛋白質(zhì)等生物大分子氧化還原的研究.3.2雙對數(shù)分析方法在厚度和電化學(xué)中的應(yīng)用在CD譜電化學(xué)方法在光譜電化學(xué)技術(shù)方面,由于采用薄層電解池,一般的薄層光譜電化學(xué)技術(shù)在此處仍然適用.如(1)單電位躍法-波長掃描和固定波長計時法;(2)雙電位躍-固定波長計時法.下面,從CD光譜的解析和數(shù)據(jù)處理方法方面給出幾個成功地利用CD譜電化學(xué)方法獲得物質(zhì)電化學(xué)參數(shù)的典型例子.(1)Nernst繪圖方法Nemst繪圖方法是最早用于薄層光譜電化學(xué)數(shù)據(jù)處理的方法,根據(jù)薄層條件下耗竭性電解原理,按照可逆體系Nemst的熱力學(xué)方程,計算物質(zhì)氧化還原反應(yīng)的熱力學(xué)參數(shù):電子轉(zhuǎn)移數(shù)和式電位.由于CD光譜強度也正比于物質(zhì)濃度,像紫外-可見光譜一樣,可獲得可逆體系的電化學(xué)反應(yīng)的熱力學(xué)參數(shù).Nemst繪圖方法用于簡單的不可逆體系,有時也可獲得電化學(xué)反應(yīng)的電子轉(zhuǎn)移系數(shù)和電子轉(zhuǎn)移數(shù)之積(αn)及表觀式電位(E0’).對于復(fù)雜體系,Nernst繪圖常常不能給出直線關(guān)系.(2)數(shù)值模擬方法數(shù)值模擬技術(shù)是一種模型技術(shù),即首先假定電化學(xué)過程的機理,建立電化學(xué)反應(yīng)的模型.根據(jù)CD譜強度與反應(yīng)物及產(chǎn)物濃度的關(guān)系,通過改變模擬參數(shù),數(shù)值模擬實驗獲得的CD譜強度與電位或時間的關(guān)系曲線.如果模擬曲線與實驗曲線相符合,則認(rèn)為,電化學(xué)反應(yīng)可能按照假定的機理進(jìn)行.從模擬參數(shù)中可獲得電化學(xué)反應(yīng)過程的熱力學(xué)及動力學(xué)參數(shù).(3)雙對數(shù)分析方法雙對數(shù)分析方法是1993年董紹俊提出的,并用于色氨酸的CD譜電化學(xué)行為.經(jīng)過后來的理論研究,已經(jīng)成為處理不可逆體系的薄層光譜電化學(xué)數(shù)據(jù)的重要工具.該方法是以不可逆體系中,反應(yīng)物濃度與電位之間的近似雙指數(shù)關(guān)系,通過取兩次對數(shù),使反應(yīng)物濃度與電位之間的關(guān)系線性化.從雙對數(shù)曲線的形狀可判斷出電化學(xué)反應(yīng)機理,如E,EC或CE,EE,及電非活性產(chǎn)物吸附的自封閉、自阻礙和自加速過程.從雙對數(shù)曲線的斜率和截矩可分別獲得電子轉(zhuǎn)移數(shù)和電子轉(zhuǎn)移系數(shù)之積和標(biāo)準(zhǔn)異相電子轉(zhuǎn)移速率常數(shù).與非線性回歸相結(jié)合,從10幾個實驗數(shù)據(jù)點中最多可獲得7個與電化學(xué)過程有關(guān)的熱力學(xué)和動力學(xué)參數(shù).將雙對數(shù)方法用于去甲腎上腺素的CD譜電化學(xué)研究,發(fā)現(xiàn)去甲腎上腺素在中性條件下的電化學(xué)氧化遵循EC機理,而去甲腎上腺素醌和去甲腎上腺素紅的再還原遵循簡單的E機理;去甲腎上腺素在堿性溶液中的電化學(xué)氧化和還原都遵循EE機理;抗壞血酸在中性條件下發(fā)生2電子的不可逆電化學(xué)氧化,伴隨著產(chǎn)物的強吸附,遵循吸附層的自加速機理;并同時獲得其電化學(xué)過程的熱力學(xué)和動力學(xué)參數(shù).維生素D2前體在乙醇溶液中電化學(xué)氧化CD譜的研究可較好地說明雙對數(shù)方法和CD譜電化學(xué)方法的特點.維生素D2前體在乙醇溶液中發(fā)生不可逆氧化,對此過程進(jìn)行光譜電化學(xué)研究.開路時,維生素D2前體的紫外吸收光譜分別在262,271,281和293nm有吸收峰,但這些吸收峰隨電位的變化較小且無規(guī)律,不能給出有關(guān)電化學(xué)過程的信息.其CD光譜有較好的負(fù)Cotton效應(yīng):-69.245(261nm),-93.433(270nm),-85.915(281nm)和-37.116(293nm).隨著電位從0.6V正移到1.2V,CD譜的強度降低,但沒有峰位移如圖2所示.可見CD譜電化學(xué)是研究此物質(zhì)電化學(xué)行為的最好手段.(4)奇異值分解最小二乘方法奇異值分解最小二乘方法是將化學(xué)計量學(xué)中的奇異值分解和最小二乘法相結(jié)合用于解析動態(tài)光譜數(shù)據(jù)的一種新方法.通過奇異值分解,獲得參與動態(tài)光譜變化的組分?jǐn)?shù)和各組分的抽象光譜,基于獲得的各組分的抽象光譜和實驗獲得的動態(tài)光譜進(jìn)行最小二乘,不僅可獲得各組分在實驗條件下的真實光譜,而且可獲得各組分分?jǐn)?shù)的分布曲線.通過對組分分?jǐn)?shù)分布曲線的分析(如雙對數(shù)分析),可獲得電化學(xué)過程機理的信息及其熱力學(xué)和動力學(xué)信息.將圖4中的CD光譜形成數(shù)據(jù)文件進(jìn)行SVDLS分析,發(fā)現(xiàn)有3個主因子光譜,其特征值分別為226.5,73.02和30.08.最小二乘法的標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.33,所得的CD光譜和其相對濃度隨電位的分布曲線分別如圖5所示.其中獲得的去甲腎上腺素的CD譜與薄層條件下去甲腎上腺素在開路時的CD譜具有相似的形狀,表明了DSVLS方法對CD譜擬合的有效性.由分布曲線不僅可以解釋去甲腎上腺素的電氧化機理,而且根據(jù)組分分布曲線的初始部分的微分曲線的峰位置確定去甲腎上腺素氧化反應(yīng)的表觀式電位為0.20V.4pvd2的電化學(xué)行為CD譜儀器的昂貴,CD譜對電解池的特殊性要求,CD譜信號解析方法,以及從CD譜電化學(xué)數(shù)據(jù)中獲得與電化學(xué)過程相關(guān)信息的方法的缺乏等是阻礙CD譜電化學(xué)發(fā)展的主要因素.通過使用合適的電解池,采用和發(fā)展一類像數(shù)值模擬、雙對數(shù)、奇異值分解最小二乘等的方法,有望使CD譜電化學(xué)研究取得較大的發(fā)展.CD光譜電化學(xué)的發(fā)展方向是:(1)繼續(xù)開展生物小分子及藥物分子的電化學(xué)機理的研究,尋找電化學(xué)氧化還原與生物小分子結(jié)構(gòu)間的關(guān)系及其變化規(guī)律;(2)開展生物大分子的結(jié)構(gòu)-電化學(xué)研究.CD譜的最大特色是研究生物大分子二級,三級及四級結(jié)構(gòu)的變化,也稱為構(gòu)象變化.生物大分子結(jié)構(gòu)變化直接影響其生物活性和生物功能.在氧化還原蛋白質(zhì)的生物電化學(xué)研究中已經(jīng)證明,蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)或構(gòu)象變化直接影響其電化學(xué)活性.研究電化學(xué)過程中生物大分子的結(jié)構(gòu)變化規(guī)律及其對該生物大分子的電化學(xué)活性、生物活性和生理功能的影響稱為結(jié)構(gòu)生物電化學(xué),是CD譜電化學(xué)研究的新領(lǐng)域.將270nm處的CD譜高度對電位作圖,為一S型曲線如圖3(1)所示.將該曲線對電位微分獲得微分曲線(見圖3(2)).由微分曲線的峰位置估計其氧化過程的表觀式電位為E0=1.00V,與循環(huán)伏安的結(jié)果一致.將CD光譜強度進(jìn)行雙對數(shù)處理,其雙對數(shù)曲線為兩條平行斜線,之間有一較大的過渡區(qū)如圖3(3)所示.此雙對數(shù)曲線表明PVD2的氧化過程為一電非活性產(chǎn)物吸附引起的自封閉過程.由平行斜線的斜率得到αnα=0.302,與循環(huán)伏安結(jié)果一致.利用E