圆二色谱与cd谱电化学的特点及其发展

圆二色谱与cd谱电化学的特点及其发展

自1968年kuwaya的第一篇文章发表以来，光谱电气工程经历了建立、发展和完善的阶段，成为电气工程等科学家的通用工具。有许多文章和讨论[2、3、4、5、6、7、8、9、10、11和12]。然而，作为光谱电气工程的成员，圆形二色光度电气的发展并不顺利。为什么cd谱电气工程的发展阻碍了d谱电气的发展？本文总结了cd谱和cd谱电气工程的特点及其发展，并寻求了答案，促进了cd谱电气工程的发展。1cd谱电化学将CD谱与电化学技术相结合,构成CD光谱电化学,用于研究手性分子和生物大分子的电化学行为.1977年Hawkridge首次将CD谱与电化学相结合,在光透薄层电化学池上研究了菠菜素中的铁氧化还原蛋白质的电化学过程,给出了还原过程中不同电位下CD谱强度的稳态响应.1990年,Hawkridge发表了第2篇文章,此后,其他科学家相继发表文章[9,10,11,12,13,14,15,16,17].随着光谱电化学池的改进和新的数据处理方法的建立,CD谱电化学研究开始有较大的发展,最近又有一些文章发表[18,19,20,21,22,23,24,25,26].CD谱与电化学相结合兼有两者的特点如下:(1)灵敏度较高,可在光透薄层池中现场监测手性分子的电化学过程.(2)可以获得分子手性信息和分子所处手性环境的信息,优于可见/紫外光谱.(3)当电化学活性中心和光学活性中心一致时,电化学反应不仅引起吸收光谱的变化,而且也引起CD谱的变化,CD谱与吸收光谱作用相似;当电化学活性中心与光学活性中心不一致时,吸收光谱不随电化学反应而变化,但能改变分子的手性环境(电偶极矩和磁偶极矩的变化),引起CD谱的改变,而用于检测电化学过程.(4)CD谱是观察生物分子构象变化的敏锐工具,它不仅能监测分子构象变化的过程,而且通过适当的数学处理,可获得各构象组分的分数及其变化规律,优越于可见/紫外吸收光谱.(5)可用于监测电化学诱导CD谱,即由于电化学或电场引起的不对称环境对生色团的影响而产生的CD谱,是生物分子电化学特别是生物大分子电化学研究中不可多得的重要工具之一.(6)可用于研究电化学控制下物质的不同氧化还原态间的结构变化及其规律.2带明显就是光程长和可能在不同的电极下表达光学状态目前常用的两种薄层CD谱电化学池如图1所示.其一为国外学者使用较多的光垂直入射式的光透薄层池.多以铂网或镀In2O3的石英玻璃片为工作电极.由于光程短,CD信号较弱的物质常需进行信号的多次叠加.由于光穿过工作电极,电极的应力及电极表面状态对CD谱的影响较大,常常需要采用信号的多次平均(100～1000次),这可能是限制CD谱电化学广泛应用的原因之一.另一种为光平行入射的插入式长光程薄层池.采用石英比色皿为光学窗,没有光学窗的应力.光平行于电极表面通过薄层溶液,仅监测靠近工作电极表面的薄溶液层中的物质,不受电极应力和状态的影响.光程长(1.0cm),大多数物质在较低的浓度下都能给出较大的CD信号,不需要信号叠加,干扰信号小,噪音低.仅在200～240nm波长范围内最多需要9点平滑一次,就可得到平滑的CD谱线.该电解池的缺点有:(1)对光路比较困难;(2)有一定的散射光干扰.在生物大分子电化学过程研究中,影响200～240nm波长范围内的CD谱,不利于蛋白质二级结构的解析,而对生物小分子的研究没有影响.3d-光谱电阻器和方法3.1化学氧化还原反应目前,圆二色谱电化学主要作为一种光谱电化学工具,用于物质的氧化还原机理的研究.研究的体系包括:(1)生物小分子和药物分子的电化学研究;(2)氧化还原蛋白质等生物大分子氧化还原的研究.3.2双对数分析方法在厚度和电化学中的应用在CD谱电化学方法在光谱电化学技术方面,由于采用薄层电解池,一般的薄层光谱电化学技术在此处仍然适用.如(1)单电位跃法-波长扫描和固定波长计时法;(2)双电位跃-固定波长计时法.下面,从CD光谱的解析和数据处理方法方面给出几个成功地利用CD谱电化学方法获得物质电化学参数的典型例子.(1)Nernst绘图方法Nemst绘图方法是最早用于薄层光谱电化学数据处理的方法,根据薄层条件下耗竭性电解原理,按照可逆体系Nemst的热力学方程,计算物质氧化还原反应的热力学参数:电子转移数和式电位.由于CD光谱强度也正比于物质浓度,像紫外-可见光谱一样,可获得可逆体系的电化学反应的热力学参数.Nemst绘图方法用于简单的不可逆体系,有时也可获得电化学反应的电子转移系数和电子转移数之积(αn)及表观式电位(E0’).对于复杂体系,Nernst绘图常常不能给出直线关系.(2)数值模拟方法数值模拟技术是一种模型技术,即首先假定电化学过程的机理,建立电化学反应的模型.根据CD谱强度与反应物及产物浓度的关系,通过改变模拟参数,数值模拟实验获得的CD谱强度与电位或时间的关系曲线.如果模拟曲线与实验曲线相符合,则认为,电化学反应可能按照假定的机理进行.从模拟参数中可获得电化学反应过程的热力学及动力学参数.(3)双对数分析方法双对数分析方法是1993年董绍俊提出的,并用于色氨酸的CD谱电化学行为.经过后来的理论研究,已经成为处理不可逆体系的薄层光谱电化学数据的重要工具.该方法是以不可逆体系中,反应物浓度与电位之间的近似双指数关系,通过取两次对数,使反应物浓度与电位之间的关系线性化.从双对数曲线的形状可判断出电化学反应机理,如E,EC或CE,EE,及电非活性产物吸附的自封闭、自阻碍和自加速过程.从双对数曲线的斜率和截矩可分别获得电子转移数和电子转移系数之积和标准异相电子转移速率常数.与非线性回归相结合,从10几个实验数据点中最多可获得7个与电化学过程有关的热力学和动力学参数.将双对数方法用于去甲肾上腺素的CD谱电化学研究,发现去甲肾上腺素在中性条件下的电化学氧化遵循EC机理,而去甲肾上腺素醌和去甲肾上腺素红的再还原遵循简单的E机理;去甲肾上腺素在碱性溶液中的电化学氧化和还原都遵循EE机理;抗坏血酸在中性条件下发生2电子的不可逆电化学氧化,伴随着产物的强吸附,遵循吸附层的自加速机理;并同时获得其电化学过程的热力学和动力学参数.维生素D2前体在乙醇溶液中电化学氧化CD谱的研究可较好地说明双对数方法和CD谱电化学方法的特点.维生素D2前体在乙醇溶液中发生不可逆氧化,对此过程进行光谱电化学研究.开路时,维生素D2前体的紫外吸收光谱分别在262,271,281和293nm有吸收峰,但这些吸收峰随电位的变化较小且无规律,不能给出有关电化学过程的信息.其CD光谱有较好的负Cotton效应:-69.245(261nm),-93.433(270nm),-85.915(281nm)和-37.116(293nm).随着电位从0.6V正移到1.2V,CD谱的强度降低,但没有峰位移如图2所示.可见CD谱电化学是研究此物质电化学行为的最好手段.(4)奇异值分解最小二乘方法奇异值分解最小二乘方法是将化学计量学中的奇异值分解和最小二乘法相结合用于解析动态光谱数据的一种新方法.通过奇异值分解,获得参与动态光谱变化的组分数和各组分的抽象光谱,基于获得的各组分的抽象光谱和实验获得的动态光谱进行最小二乘,不仅可获得各组分在实验条件下的真实光谱,而且可获得各组分分数的分布曲线.通过对组分分数分布曲线的分析(如双对数分析),可获得电化学过程机理的信息及其热力学和动力学信息.将图4中的CD光谱形成数据文件进行SVDLS分析,发现有3个主因子光谱,其特征值分别为226.5,73.02和30.08.最小二乘法的标准偏差为1.33,所得的CD光谱和其相对浓度随电位的分布曲线分别如图5所示.其中获得的去甲肾上腺素的CD谱与薄层条件下去甲肾上腺素在开路时的CD谱具有相似的形状,表明了DSVLS方法对CD谱拟合的有效性.由分布曲线不仅可以解释去甲肾上腺素的电氧化机理,而且根据组分分布曲线的初始部分的微分曲线的峰位置确定去甲肾上腺素氧化反应的表观式电位为0.20V.4pvd2的电化学行为CD谱仪器的昂贵,CD谱对电解池的特殊性要求,CD谱信号解析方法,以及从CD谱电化学数据中获得与电化学过程相关信息的方法的缺乏等是阻碍CD谱电化学发展的主要因素.通过使用合适的电解池,采用和发展一类像数值模拟、双对数、奇异值分解最小二乘等的方法,有望使CD谱电化学研究取得较大的发展.CD光谱电化学的发展方向是:(1)继续开展生物小分子及药物分子的电化学机理的研究,寻找电化学氧化还原与生物小分子结构间的关系及其变化规律;(2)开展生物大分子的结构-电化学研究.CD谱的最大特色是研究生物大分子二级,三级及四级结构的变化,也称为构象变化.生物大分子结构变化直接影响其生物活性和生物功能.在氧化还原蛋白质的生物电化学研究中已经证明,蛋白质的结构或构象变化直接影响其电化学活性.研究电化学过程中生物大分子的结构变化规律及其对该生物大分子的电化学活性、生物活性和生理功能的影响称为结构生物电化学,是CD谱电化学研究的新领域.将270nm处的CD谱高度对电位作图,为一S型曲线如图3(1)所示.将该曲线对电位微分获得微分曲线(见图3(2)).由微分曲线的峰位置估计其氧化过程的表观式电位为E0=1.00V,与循环伏安的结果一致.将CD光谱强度进行双对数处理,其双对数曲线为两条平行斜线,之间有一较大的过渡区如图3(3)所示.此双对数曲线表明PVD2的氧化过程为一电非活性产物吸附引起的自封闭过程.由平行斜线的斜率得到αnα=0.302,与循环伏安结果一致.利用E