早在19世紀(jì)初，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)某些晶體能使通過(guò)的偏振光振動(dòng)平面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的特性，有些是左旋有些是右旋，稱為旋光性或者手性。酒桶底部的酒石酸和這種結(jié)晶母液中制備出的另一種外消旋酸就表現(xiàn)出不一樣的特性，酒石酸能使偏振光轉(zhuǎn)動(dòng)而外消旋酸不能，其它的物化性質(zhì)完全一樣，成為當(dāng)時(shí)化學(xué)界的不解之謎。
直到1848年，博士畢業(yè)不久的路易斯·巴斯德（后來(lái)成為微生物領(lǐng)域的開創(chuàng)者）聽(tīng)到這個(gè)現(xiàn)象后非常好奇。他當(dāng)時(shí)正從事化學(xué)結(jié)晶體形態(tài)和結(jié)構(gòu)方面的研究，他就用他特別擅長(zhǎng)的顯微鏡觀測(cè)酒石酸銨鈉鹽，發(fā)現(xiàn)晶體是不對(duì)稱的，于是他猜想外消旋酸應(yīng)該是對(duì)稱的。出乎意料的是在顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)外消旋酸的晶體也是不對(duì)稱的，晶面方向還不一樣。
巴斯德用鑷子在顯微鏡下將晶面不同的晶體一粒粒挑出來(lái)分為兩組，并配成溶液，測(cè)旋光性，發(fā)現(xiàn)兩組溶液的旋光方向正好相反，將兩者溶液等比混合后旋光性消失。于是巴斯德得出結(jié)論，旋光性是物質(zhì)分子層面上的信息，與分子結(jié)構(gòu)相關(guān)，從而揭開了立體化學(xué)研究的序幕。
化學(xué)上第一個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)叻锻蟹颍ê商m）因提出碳的價(jià)鍵理論來(lái)解答鏡像分子的構(gòu)成問(wèn)題，后來(lái)成為立體化學(xué)中解釋分子結(jié)構(gòu)不對(duì)稱性的經(jīng)典理論。
圖1. 碳的價(jià)鍵理論示意圖
關(guān)于立體化學(xué)的詳細(xì)理論，在經(jīng)典的化學(xué)教材上都給出了詳細(xì)的推導(dǎo)，我們這里就不一一贅述，我們只給出幾條重要的結(jié)論：
1) 有機(jī)化合物是否有旋光性（手性），取決于有機(jī)物本身結(jié)構(gòu)。
2) 含有一個(gè)手性碳原子的分子往往具有手性。
3) 含有多個(gè)手性碳原子的分子不一定都具有手性。
4) 一個(gè)分子是否是手性分子，可以通過(guò)研究分子的對(duì)稱因素來(lái)判斷。常見(jiàn)的幾種對(duì)稱因素包括對(duì)稱中心、對(duì)稱面、對(duì)稱軸等。
手性光譜儀的基本原理
常用的手性光譜儀包括旋光儀，圓二色譜儀，圓偏振熒光光譜儀。下面我們就前兩類儀器的相關(guān)的光譜原理和儀器構(gòu)造原理分別作詳細(xì)的介紹。
1. 旋光儀
旋光儀是測(cè)量物質(zhì)旋光度的儀器，也可以通過(guò)旋光度來(lái)確定物質(zhì)的濃度、糖度、純度等。旋光儀的設(shè)計(jì)原理相對(duì)簡(jiǎn)單，下面我們先以旋光儀為例介紹光譜儀的原理和結(jié)構(gòu)。
圖1. 平面偏振光的產(chǎn)生
振動(dòng)方向和光波前進(jìn)方向構(gòu)成的平面叫做振動(dòng)面，光的振動(dòng)面只限于某一固定方向的，叫做平面偏振光或線偏振光，振動(dòng)方程表示為簡(jiǎn)諧振動(dòng)的形式x = Acos(ωt+Φ)。自然光經(jīng)過(guò)Nicols棱晶(由方解石晶體加工制成)后， 由于Nicols棱晶只能使與其晶軸相平行的平面內(nèi)振動(dòng)的光線通過(guò)，平面偏振光得以產(chǎn)生。
圖2. 平面偏振光的檢測(cè)
Nicols棱晶（偏振片）具有使單方向振動(dòng)光通過(guò)的能力，所以常常被用作起偏器和檢偏器來(lái)檢測(cè)偏振光的振動(dòng)方向。如圖2所示，當(dāng)一束自然光通過(guò)第一個(gè)偏振片時(shí)，只有與晶軸平行的光能通過(guò)，變?yōu)槠矫嫫窆猓绾螜z測(cè)此平面偏振光的偏振方向？只有存在第二個(gè)同樣的偏振片時(shí)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)第二個(gè)偏振片的角度，觀察出射光的光強(qiáng)，當(dāng)光強(qiáng)達(dá)到最大值時(shí)，此時(shí)晶軸方向和入射光方向相同，即為偏振光的振動(dòng)方向。根據(jù)此原理，很容易設(shè)計(jì)出旋光儀的基本構(gòu)造。如圖3所示，自然光通過(guò)起偏器后轉(zhuǎn)變?yōu)榫€偏光，線偏光通過(guò)旋光性樣品會(huì)由于樣品結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性而發(fā)生角度偏轉(zhuǎn)，檢偏器通過(guò)改變角度去保證出射光強(qiáng)最大值，濾光片的作用是因?yàn)闄z測(cè)旋光的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是以鈉光源589 nm的信息為主，最后檢測(cè)器會(huì)檢測(cè)到589 nm的偏振光的旋光度，從而反推出樣品的手性和結(jié)構(gòu)信息。
圖3. 旋光儀的基本光路
旋光物質(zhì)通常具有以下特性：
① 旋光物質(zhì)：每種旋光物質(zhì)有特定的旋光度
② 測(cè)量波長(zhǎng)：波長(zhǎng)越小，旋光度越大
③ 溫度：溫度不同，旋光度不一樣
④ 旋光物質(zhì)的厚度：厚度越大，旋光度越大
⑤ 旋光物質(zhì)的濃度：濃度越大，旋光度越大
為了比較物質(zhì)旋光性能的大小，消除不可比因素的影響，通常采用比旋光度來(lái)描述。比旋光度可以描述為一定溫度下，旋光管長(zhǎng)度為1dm，試樣濃度為g/mL，測(cè)試波長(zhǎng)為589 nm時(shí)所測(cè)的旋光度。
2. 圓二色光譜儀
圖4. 圓偏振光的傳播方式
前一部分我們講述了什么是線偏光及線偏光如何得到，那么偏振光家族中另一個(gè)重要的成員圓偏振光又是如何產(chǎn)生的？簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，光矢量繞著光的傳播方向旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)角速度對(duì)應(yīng)光的角頻率；光矢量端點(diǎn)的軌跡是一個(gè)圓(橢圓)，光沿著這個(gè)軌跡振動(dòng)傳播就是圓偏振光。
光在傳播方向上存在互相垂直的電場(chǎng)矢量 E 和磁場(chǎng)矢量 B 振動(dòng)，振動(dòng)的矢量以電場(chǎng)作用力E為主，磁場(chǎng)的作用可忽略不計(jì)，E的大小直接決定振動(dòng)能量的多少，也就是振幅A的大小。所以通常可以用E直接表示振幅，光的合成也遵循矢量合成:
（證明過(guò)程參考能流密度的定義）
下面我們從兩垂直的線偏光的合成來(lái)詳細(xì)論述圓二色光譜儀的原理。
（1），（2）式的x, y 為兩互相垂直的線偏振光的振動(dòng)方程。變換后可得
以cosΦ2乘以(1)式，cosΦ1 乘以(2)式，再兩式相減得
以sinΦ2乘以(1)式，sinΦ1乘以(2)式后兩式相減得
(3)式、(4)式分別平方后相加得合振動(dòng)的軌跡方程
圖5. 兩個(gè)互相垂直的線偏光的合成
由軌跡方程和軌跡圖所示，當(dāng) ΔΦ=±π/2 為橢圓偏振光，振幅相同時(shí)為圓偏振光。
這里我們講兩個(gè)互相垂直的線偏光合成圓偏光的過(guò)程。在一定條件下，兩組旋轉(zhuǎn)方向相反的圓偏光同樣也可以合成線偏光。
圖6. 線偏光與圓偏光的關(guān)系
上圖是我們用圖示來(lái)描述兩者之間的關(guān)系，為了更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)卣f(shuō)明兩者之間的關(guān)系，我們用方程加以說(shuō)明。
從兩互相垂直的線偏光方程知道，相位差為π/2，所以我們假設(shè)左圓偏光方程的振幅為
則右圓偏光為
振幅相等 (E=El=Er) 的線偏光合成出圓偏光
合振幅滿足簡(jiǎn)諧振動(dòng)方程的表達(dá)式，左右圓偏光在特定條件下合成了平面偏振光。
然而，在通常情況下， El≠Er ，左旋分量的振幅不等于右旋分量的振幅。假定左旋分量<右旋分量，即El<Er，
左右圓偏光的合成只滿足以下的一般式：
兩旋轉(zhuǎn)方向相反的左、右圓偏光通過(guò)一光學(xué)活性的物質(zhì)后，其平面偏振光的偏轉(zhuǎn)角會(huì)不同，合振幅會(huì)發(fā)生變化，所以合成光將不再是平面偏振光，在大多數(shù)情況下都是橢圓偏振光。圓二色光譜儀正是通過(guò)這個(gè)原理來(lái)設(shè)計(jì)的：通過(guò)檢測(cè)兩束旋轉(zhuǎn)方向相反的圓偏振光透過(guò)樣品所產(chǎn)生的橢圓的不同來(lái)判斷樣品的結(jié)構(gòu)信息。下面簡(jiǎn)單推導(dǎo)下橢圓率θ與ΔA之間的關(guān)系。
根據(jù)以上原理就很容易理解圓二色光譜儀的光路設(shè)計(jì)，如下圖所示。
圖7. 圓二色光譜儀的光路圖和原理圖
由上面的公式我們知道 θ 與 ΔA 的關(guān)系是線性關(guān)系，要想得到橢圓率 θ，如何取得 ΔA 甚為關(guān)鍵。
如果AL > AR，則IR > IL，即通過(guò)樣品后的右旋圓偏振光的強(qiáng)度大于左旋圓偏振光
當(dāng)強(qiáng)度這樣變化的光照射到檢測(cè)器（雪崩式二極管或者光電倍增管）時(shí)，
采集樣品輸出信號(hào)中的吸收后光強(qiáng)之和 IA以及光強(qiáng)之差 IS
從而可以測(cè)出兩束圓偏光通過(guò)樣品后的 θ。
以上我們分別詳細(xì)介紹了兩種最主要的手性測(cè)量?jī)x器的原理，總結(jié)出以下幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：
1) 線偏振光可以分解成兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向相反的圓偏光
2) 手性樣品對(duì)兩種圓偏光會(huì)產(chǎn)生不同程度地吸收，導(dǎo)致出射的光不再是線偏光，而是橢圓偏振光
3) 通過(guò)測(cè)量出射的不同波長(zhǎng)橢圓偏振光的橢偏率就得到圓二色光譜
4) 與旋光儀不同，旋光儀測(cè)量的角度是偏轉(zhuǎn)角度，而圓二色光譜的角度是由橢圓率換算出來(lái)的角度
目前，手性光譜儀得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，包括生物大分子材料，手性納米材料，聚合物手性材料等，今后我們還將總結(jié)儀器在這些應(yīng)用的使用方法和技巧，更好地支撐大家從光譜原理、到光譜儀器原理，再到儀器應(yīng)用的多層次、多角度地把握實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析。
本文來(lái)源：西湖大學(xué)官網(wǎng)，作者：陳中博士