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文档简介
同步辐射圆二色光谱技术中国科技大学国家同步辐射2008-041同步辐射圆二色光谱技术1,圆二色光谱概念及其意义2,基本原理3,同步辐射圆二色光谱的优势4,同步辐射圆二色光谱测量方法5,国家同步辐射
圆二色光谱仪器简介2光的偏振性3光的偏振性光的偏振性5光的偏振性光的偏振性7Plane-polarized
waves
in
an
absorbing
medium8Circularly
polarized
waves
in
an
absorbing
medium9Plane-polarized
waves
in
a
refracting
medium10Circularly
polarized
waves
in
a
refracting
medium11Plane-polarized
waves
in
amedium
showing
circular
dichroismcircular
dichroism
makes
plane-polarized
lighliptically
1po2lar13Plane-polarized
waves
in
amedium
showing
circular
birefringencecircular
birefringence
rotates
the
plane
of
polarization
of
plane-polarized
light.Plane-polarized
waves
in
a
medium
showing
both14circular
dichroism
and
circular
birefringenceWhat
is
Circular
Dichroism
(CD)物质吸收圆偏振光时,如
果对左旋和右旋圆偏振光
的吸收表现出一定的差异,则称该物质具有圆二色性。1516圆二色光谱的意义生物大分子如蛋白质和DNA是由光学活性基团组成,并且它们可以采取不同的三维结构,因此,每一种分子都有特征的CD谱。研究蛋白质和DNA最有用的光谱区是紫外和真空紫外区(160
to
300
nm),因为来自蛋白质的缩氨酸主链和侧链以及DNA的嘌呤和嘧啶的电子跃迁就发生在这一光谱能量区。氨基酸是蛋白质的单体。天然存在于蛋白质中的氨基酸共有20种。氨基酸由肽键相连形成多肽链。蛋白质结构17蛋白质结构的层次一级结构氨基酸序列二级结构主要由氢键稳固的局部构象,如-helix,-sheet等三级结构三维构象四级结构多个多肽链的组合18蛋白质的结构CD19XRDNMR二级结构与圆二色谱20二级结构与圆二色谱-helix:
19x
nm
(+)208nm,
222nm
(-)21-sheet:
195nm
(+)antiparallel:
red
shiftparallel:
blue
shift215-7nm
(-)Unordered
structure:(-)
below
200nm(+)
218nm
weak
band-turn:180-190nm
(-)200-205nm
(+)225nm
(+)
band,
weakredshift,s[
]
,[
][
]
,t[
]
,圆二色光谱的解析Circular
dichroism
spectra
oftriosephosphate
isomerase(H:0.52,
S:0.14,
T:0.11,O:0.23),
hen
egg
lysozyme(H:0.36,
S:0.09,
T:0.32,O:0.23),
myoglobin
(H:0.78,S:0.0,
T:0.12,
O:0.10),
andchymotrypsin
(H:0.10,
S:0.34,T:0.20,
O:0.36).22[
]
f
[
]
,
fs
[
]
,s
ft
[
]
,t
f
[
],
...Cartoon
drawings
of:
A)
triosephosphate
isomerase
(H:0.52,
S:0.14,
T:0.11,
O:0.23);
B)henegg
lysozyme
(H:0.36,
S:0.09,
T:0.32,
O:0.23);
C)
myoglobin
(H:0.78,
S:0.0,
T:0.12,O:0.10);
and
D)
chymotrypsin
(H:0.10,
S:0.34,
T:0.20,
O:0.36).
Secondary
structuresarecolor
codedred:helix.
green:strand,
andyellow:other.23圆二色光谱的解析ysing
hydro2ge4n
bonds.CCAConvex
constraintalgorithm
(Perczel
et
al)CONTINImplementation
of
ridge
regression
algorithm.
Several
versions
available...
the
latest
contin/ll
incorporates
thelocally
linearised
model
of
van
Stokkum
et
al.CDFITLinear
least
squares
fit
method
configured
for
JASCO
formatted
files.CDPROSuite
of
programmes
including
the
latest
versions
of
CONTIN
SELCON
and
CDSSTR.CDSSTRModified
version
of
the
variable
selection
programme
by
Johnson
et
al
(Varslc)
to
utilisea
numberof
differentreference
datasets.DichroProt/Antheprotysisdesigned
for
windows
but
with
sourcecodes
availableforSuite
of
programmes
for
protein
structureVarslc.K2DNeural
network
approachfrom
Andrade
et
alBLinear
combination
least
squares
method
available
with
CCASELCONThe
self-consistent
method
(Sreerama
&
Woody).
Several
verions
available.VARSLCThe
original
version
of
the
variable
selection
method
by
Johnson
et
al.XTLSSTRA
programme
from
Johnson
to
obtain
structure
fractions
from
PDB
files
by解谱程序25圆二色光谱的优点简单、快捷样品不需要做过多准备在溶液状态下测量相对少的样品用量、低浓度微秒时间分辨适用于任何尺寸的大分子样品26CD
vs
XRD(NMR)CD约30分钟XRD、NMR几天——几个月:筛选、优化结晶条件,得到蛋白质晶体获得衍射图、确定相位建立模型并优化,最终获得结构信息27测定不能结晶的蛋白质的二级结构研究结合在蛋白质二级结构上的药物的功能动态过程如蛋白质折叠的研究研究环境对蛋白质结构的影响研究膜蛋白的二级及超二级结构研究基质引起的构型变化碳水化合物构型研究研究蛋白质-蛋白质及蛋白质-核酸的相互作用识别折叠状态圆二色光谱的意义基本原理——数学描述
AClI
I010
I010A
AL
AR
LCl
RCl
028圆二色定量描述:对左旋和右旋圆偏振光吸收度的差异y’y
L
=
tg-1[(|ER
-
EL|)/(ER
+
EL)]圆二色性的描述——椭圆率θElErxRx’基本原理——数学描述29旋光色散与圆二色性1
光在介质中的Rate:
c
/
n
,
(n
折射率) n
=fdirection光强I:A=lg(I0
/I)=Cl
f2
ORD(optical
rotatory
dispersion)?圆双折射(Circular
birefringence):nl导致左、右旋圆偏振光相位不同nrChiral
compd.Optical
active
object
L
nn
=
nl
-
nr
f
(
)偏转角度(旋光度)与波长所建立起的函数关系3031比旋光度
[]
(the
specific
rotation)摩尔比旋光度
[]
(the
molar
rotation)平均残基旋光度
[m]
(the
mean
residue
rotation)[]
=
/Cl[]
[]
[Mw/100][m]
=
[]
[MRw/100]单位:(*****)C
:
g/mLl
:
dmMw:
molecular
weightMRw:
the
mean
residue
Mw旋光色散与圆二色性旋光色散与圆二色性3
CD
(circular
dichroism)光强不同、或左右旋圆偏振光的吸收率或消光度不同A=
Al
-
Ar
,
=
l
-
r
=
A
/
ClA
or
f
(
)
33.00
A
Cl
(the
specific
ellipticity比椭圆率)[
]
Cw
l[
]
Mw
[
]/100
(the
molar
ellipticity摩尔椭圆率)[
]MRw
MRw
[
]/100
(the
mean
residue
ellipticity平均残基椭圆率)旋光色散与圆二色性[
]
100
Cl
=
3300
C:摩尔浓度
l:光程(cm)[
]
[deg.
mol-1
.
cm-1
]
or
[deg
.
cm2
.
dmol-1
]4
relationship
between
CD
and
ORD
and
Cotton
effectLightnl
,
nrxRx'Ly
y'
[]
f
(
)[
]
f(
)ORDCDKronig-
Kramerstransition33基本原理——数学描述2I
E2I0
E0
e2.303A
/
2E
E0
e2.303
AR
/
2
e2.303
AL
/
2tg
e2.303
AR
/
2
e2.303
AL
/
2R
A
)
/
4)L
tgh(2.303(
Atg
tgh[
]
2.303(
AL
AR
)434基本原理——数学描述I
()
I
()
I
()
I
()10
Al
(
)
I
()10
AR
(
)L
R
0
0
I
()10(
A(
)A(
)/
2)
I
()10(
A(
)A(
)
/
2)0
0A()
(AL
()
AR
())
/
2A()
AL
()
AR
()A()
A()
A(
)I
()
I0
()10
A()
I
()A()A()
I
()
I
()
10635常规圆二色光谱仪的组成锁相放大器光弹调制器器36同步辐射优越性同步辐射优越性同步辐射优越性真空紫外常规连续谱光源3940同步辐射优越性光
源波长范围(nm)光谱辐射峰值功率(mW/mm2.sr.nm)氢灯(1KW)165——2500.1(在230nm)氙灯150——2250.01(在170nm)氪灯125——1650.001(在150nm)同步辐射X-ray——IR1同步辐射优越性41同步辐射园二色光谱的优越性42同步辐射园二色光谱的优越性同步辐射园二色光谱的优越性44同步辐射优越性弯铁弯铁产生的同步辐射光的偏振特性:在 轨道平面内是线偏振光,在轨道平面上方及下方是手性相反的椭圆偏振光45同步辐射优越性水平与垂直偏振分量的归一化强度与波长、观察角的关系46在这个波长范围,由于有几种透光晶体材料,获得圆偏振光的方法有些类似常规的做法,即首先获得线偏振光,然后再通过光弹调制器得到圆偏振光。所不同的是,不再需要晶体线偏振器来获得线偏振光,而是直接利用同步辐射光的偏振特性。紫外-真空紫外区(120nm≤λ≤300nm)同步辐射圆偏振光的获得弯铁利用偏振挡光板获得线偏振同步辐射光,然后由光弹调制器转换为圆偏振光(用于
国家同步辐射光源NSLS)球面光栅球面反射镜狭
缝偏振挡光板光弹调制器47同步辐射圆偏振光的获得弯铁狭
缝光弹调制器利用镀金反射镜获得线偏振同步辐射光,然后由光弹调制器转换为圆偏振光镀金反射镜光栅48Major
requirements
for
VUV
Circular
DichroismBeamline
atNSRLWavelength
range:
120nm-300
nm49Resolution:High
flux
:0.3nm~1013
ph/sHigh
degree
of
linear
polarizationOptical
Layout
of
the
CD
BeamlineBendingMagnetElectronBeamCylindrical
GratingCylindrical
mirrorPolarization
plateslit
PEM3500mm1900mm220Sample50DetectorPrefocusing
MirrorGratingRefocusing
mirrorFigureCylindricalCylindricalToroidalDimension
(mm3)150x40x25150x40x2550x30x25Parameter(mm)r=2837.1R=2555.19R=341.08,
ρ=154.28Blank
MaterialFused
SilicaFused
SilicaFused
SilicaSurface
CoatingLine
DensityAl+MgF2Al+MgF2600l/mmAl+MgF2Parameters
of
the
Optical
Elements51Predicted
Characteristics-resolution1004Å997Å1000ÅSpot
diagram
on
slit(600g/mm、1000Å)52Predicted
Characteristics-total
flux
atsampleReflectivityof
the
mirror:
0.65Efficiency
of
the
grating:
0.1Resolution:
0.3nm53Predicted
Characteristics-Image
onsample54Predicted
Characteristics-Linear
Polarization
degreeVertical
aperture:
3.5mrad5556Photon
flux~1013photons/sec(200nm,0.3nm,300mA)Wavelength
Range120-300nmResolution0.3-3nmLinear
Polarization>70%(depending
on
vertical
aperture)Image
size
at
Sample(h×v)3×2
mm
for
CD
or
2×1mm(for
PA)Summary
ofthe
beamlineSketch
for
the
experimental
stationWavelength
ControlComputerWavelengthControlBeamlinePEM
ControlPEMVoltageCompareLock-inAc
Signaldc
SignalPMTHigh
VoltageSampleReference
frequency5758Drawing
of
the
BeamlinePicture
of
the
beamline59Picture
of
the
PEM-90
(Calcium
Fluoride)60Examples-Drug
discovery
and
developmentThe
high
precision
of
SRCD
measurements
allows
the
identificationof
verysmall
changes
in
secondary
structure.
Combined
with
the
speed
and
simplicityof
the
measurements,
this
makes
SRCD
a
suitable
techniquefor
the
screeningof
potential
drug
compounds
for
their
effect
on
protein
secondary
structure61Examples-Investigation
of
protein
foldingExamples-Polysaccharide
structure
for
the
development
of
foodand
pharmaceuticals63Examples-Amyloid
diseases4Examples-Materials
research
and
development6566SRS,
Daresbury;
UKNSLS,
Brookhaven
National
Laboratory,
USASTRID,
Aarhus
DenmarkHiSOR,
Hiroshima,
JapanBessy
II,
GermanyELSA,
Bonn,
GermanySRCD
today6768锁相放大器及其工作原理1962年第一台仪器问世,发现俄歇效应。据统计,已在几百种场合中得到应用。
在弱信号探测仪器中锁定放大器是一个
非常重要的品种。信噪比可低达10-5。BW=0.0004Hz(相当于Q值=108)。两个随机过程的相关性对两个信号x(t)和y(t),定义相关函数–
互相关函数Rxy
,Ryx
:T
y(t
)
x(t
)dtT
/
2T
/
21yxR
(
)
TLim69T
T
/2T
/2x(t
)
y(t
)dt1TRxy
(
)Lim随机过程的相关性–自相关函数:70T
)dtR(
)
T
/
2T
/
2x(t)x(t1TLim白噪声,自相关函数=0自相关检测积分器乘法器延迟S)Rss(τ)参考通道信号通道71自相关检测设有信号S(t),通过如上图所示的功能器件,则:
)
(
ST
T
/21
T
/2R(
)lim
[T(
)
(
)][
(
StSnttS[S(t)t(n))n(tT
T
/21
T
/2limTRSS
(
)RnS
(
)RSn
(
)Rnn
(
)RSS
(
)Rnn
(
)假定噪声的平均值等于零7273正弦波与噪声之和的自相关函数SignalS(t)V
cos(wt)21nn
R
(
)
)
VcosCorrelated function
R(积分器乘法器S)Rss(τ)参考通道信号通道延迟互相关检测74互相关检测设有信号S(t),通过如上图所示的功能器件,则:tS
StT
T
2/T
2/21())(][1R
)(
limT21
2S
SR
(
)RnS
(
)2((t)S(ST
T
/2T
/2211limT1
2S
SR
(
)75内□前置被测信号滤波器主放灵敏度乘法器T积分器DC放大输出参考信号产生振荡相位乘法器的工作过程V+-接差动积分器信号地参考信号77被测信号积分器工作过程低通滤波器及特性>f78100%乘法器(Phase-Sensitive
detector)输出Vpsd
=
Vsigsin(rt
+
sig)
VLsin(Lt
+
ref)=
1/2
VsigVLcos([r
-
L]t
+
sig
-
ref)-1/2
VsigVLcos([r
+
L]t
+
sig
+
ref)当r=L低通滤波器Vpsd
=
1/2
VsigVLcos(sig
-
ref)7980信号:10nV
sinewave
at
10
kHz1,
低噪声放大器:
about
5
nV/Hz
of
input
noise,bandwidth
100
kHz
,gain
1000output
:
10µV
of
signal
(10
nV
x
1000)1.6
mV
of
broadband
noise
(5
nV/Hz
x
100
kHz
x
1000).2,低噪声放大器加带通滤波器(
Q=100(a
VERY
good
filter),
centered
at
10
kHz)any
signal
in
a
100
Hz
bandwidth
will
be
detected(10kHz/Q).The
noise
in
the
filter
pass
band
will
be
50
µV(5
nV/Hz
x
100Hz
x
1000)and
the
signal
will
still
be
10
µV.The
output
noise
ismuchgreater
than
the
signal,but
an
accurate
measurement
can
not
be
made.3,低噪声放大器加相敏检测器(PSD).
The
PSD
can
detect
the
signal
at10kHz
with
a
bandwidth
as
narrow
as
0.01
Hz!In
this
case,the
noise
in
thedetection
bandwidth
will
be
only
0.5
µV(5
nV/Hz
x
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