الاستقطاب الدائري

📅 آخر تحديث: ٢٤ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٤ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 45 صور
الموسوعة الحرة
الاستقطاب الدائري (CD) هو الامتصاص التفاضلي للضوء المستقطب دائريًا يسارًا ويمينًا بواسطة جزيء كيرالي.

الاستقطاب الدائري ( CD ) هو ظاهرة ثنائية اللون تتضمن الضوء المستقطب دائريًا ، أي الامتصاص التفاضلي للضوء ذي الاستقطاب الدائري الأيسر والأيمن . [ 1 ] [ 2 ] يمثل الضوء المستقطب دائريًا الأيسر (LHC) والضوء المستقطب دائريًا الأيمن (RHC) حالتين محتملتين لعزم الدوران المغزلي للفوتون، ولذلك يُشار إلى الاستقطاب الدائري أيضًا باسم الاستقطاب الدائري لعزم الدوران المغزلي. [ 3 ] اكتشف هذه الظاهرة كل من جان باتيست بيو ، وأوغستين فرينل ، وإيمي كوتون في النصف الأول من القرن التاسع عشر. [ 4 ] يُعد الاستقطاب الدائري والانكسار الدائري من مظاهر النشاط البصري ، ويظهران في نطاقات امتصاص الجزيئات الكيرالية النشطة بصريًا . يُستخدم مطياف الاستقطاب الدائري على نطاق واسع في العديد من المجالات المختلفة، ومن أبرزها استخدام الاستقطاب الدائري في نطاق الأشعة فوق البنفسجية البعيدة لدراسة البنية الثانوية للبروتينات. [ 5 ] يُستخدم قياس الاستقطاب الدائري في نطاق الأشعة فوق البنفسجية/المرئية لدراسة انتقالات نقل الشحنة . [ 6 ] يُستخدم قياس الاستقطاب الدائري في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة لدراسة البنية الهندسية والإلكترونية من خلال فحص انتقالات d → d في المعادن . [ 2 ] يُستخدم قياس الاستقطاب الدائري الاهتزازي ، الذي يستخدم الضوء من منطقة طاقة الأشعة تحت الحمراء ، في الدراسات البنيوية للجزيئات العضوية الصغيرة، ومؤخرًا البروتينات والحمض النووي DNA. [ 5 ]

المبادئ الفيزيائية

الاستقطاب الدائري للضوء

يتكون الإشعاع الكهرومغناطيسي من مجال كهربائيهـ{\displaystyle {\boldsymbol {E}}}ومغناطيسيب{\displaystyle {\boldsymbol {B}}}المجال الذي يتذبذب عموديًا على بعضه البعض وعلى اتجاه الانتشار، [ 7 ] موجة مستعرضة . بينما يحدث الضوء المستقطب خطيًا عندما يتذبذب متجه المجال الكهربائي في مستوى واحد فقط، يحدث الضوء المستقطب دائريًا عندما يدور اتجاه متجه المجال الكهربائي حول اتجاه انتشاره مع احتفاظ المتجه بقيمة ثابتة. عند نقطة واحدة في الفضاء، يرسم متجه الاستقطاب الدائري دائرة خلال دورة واحدة من تردد الموجة، ومن هنا جاءت التسمية. يوضح الرسمان البيانيان أدناه متجهات المجال الكهربائي للضوء المستقطب خطيًا ودائريًا، في لحظة زمنية واحدة، لمجموعة من المواضع؛ يشكل رسم متجه المجال الكهربائي المستقطب دائريًا حلزونًا على طول اتجاه الانتشار.ك{\displaystyle {\boldsymbol {ك}}}بالنسبة للضوء المستقطب دائريًا يسارًا (LCP) المنتشر باتجاه الراصد، يدور متجه المجال الكهربائي عكس اتجاه عقارب الساعة . [ 2 ] أما بالنسبة للضوء المستقطب دائريًا يمينًا (RCP)، فيدور متجه المجال الكهربائي مع اتجاه عقارب الساعة.

تفاعل الضوء المستقطب دائريًا مع المادة

عندما يمر الضوء المستقطب دائريًا عبر وسط ماص نشط بصريًا، تختلف السرعات بين الاستقطاب الأيمن والاستقطاب الأيسر (جل≠جR{\displaystyle c_{\mathrm {L} }\neq c_{\mathrm {R} }}) وكذلك طول موجاتها (λل≠λR{\displaystyle \lambda _{\mathrm {L} }\neq \lambda _{\mathrm {R} }}) ومدى استيعابها (εل≠εR{\displaystyle \varepsilon _{\mathrm {L} }\neq \varepsilon _{\mathrm {R} }}الاستقطاب الدائري هو الفرقΔε≡εل-εR{\displaystyle \Delta \varepsilon \equiv \varepsilon _{\mathrm {L} }-\varepsilon _{\mathrm {R} }}[ 5 ] يتسبب المجال الكهربائي لشعاع ضوئي في إزاحة خطية للشحنة عند تفاعله مع جزيء ( ثنائي قطب كهربائي )، بينما يتسبب مجاله المغناطيسي في دوران الشحنة ( ثنائي قطب مغناطيسي ). يؤدي اجتماع هاتين الحركتين إلى إثارة الإلكترون في حركة حلزونية، تشمل الانتقال والدوران والمؤثرات المرتبطة بهما . العلاقة المحددة تجريبياً بين قوة الدورانR{\displaystyle R}من عينة وΔε{\displaystyle \Delta \varepsilon }يُعطى بواسطة

Rهـxص=3حج103ln⁡(10)32π3شمالأ∫Δενدν{\displaystyle R_{\mathrm {exp}}={\frac {3hc10^{3}\ln(10)}{32\pi ^{3}N_{\mathrm {A} }}}\int {\frac {\Delta \varepsilon }{\nu }}\mathrm {d} {\nu }}

تم تحديد قوة الدوران نظرياً أيضاً،

Rتحهـo=12مجأنام∫Ψزم^(هـلهـج.دأناصoلهـ)Ψهـدτ∙∫Ψزم^(مأز.دأناصoلهـ)Ψهـدτ$$ {(mag.dipole)} }\Psi _{e}\mathrm {d} \tau }

نلاحظ من هاتين المعادلتين أنه لكي تكون القيمة غير صفريةΔε{\displaystyle \Delta \varepsilon }، ومؤثرات عزم ثنائي القطب الكهربائي والمغناطيسي (م^(هـلهـج.دأناصoلهـ){\displaystyle {\widehat {M}}_{\mathrm {(elec.dipole)} }}وم^(مأز.دأناصoلهـ){\displaystyle {\widehat {M}} _ {\mathrm {(mag.dipole)} }}يجب أن يتحول ) بنفس التمثيل غير القابل للاختزال .جن{\displaystyle \mathrm {C} _{n}}ودن{\displaystyle \mathrm {D} _{n}}هي المجموعات النقطية الوحيدة التي يمكن أن يحدث فيها هذا، مما يجعل الجزيئات الكيرالية فقط نشطة في مجال الاستقطاب الدائري.

ببساطة، بما أن الضوء المستقطب دائريًا "كيرالي"، فإنه يتفاعل بشكل مختلف مع الجزيئات الكيرالية . أي أن نوعي الضوء المستقطب دائريًا يُمتصان بدرجات متفاوتة. في تجربة الاستقطاب الدائري، تُشع كميات متساوية من الضوء المستقطب دائريًا يسارًا ويمينيًا بطول موجي محدد بالتناوب على عينة (كيرالية). يُمتص أحد الاستقطابين أكثر من الآخر، ويُقاس هذا الاختلاف في الامتصاص تبعًا للطول الموجي، مما يُنتج طيف الاستقطاب الدائري للعينة. نتيجةً للتفاعل مع الجزيء، يرسم متجه المجال الكهربائي للضوء مسارًا بيضاويًا بعد مروره عبر العينة.

من المهم أن تكون الكيرالية في الجزيء ذات شكل فراغي وليست بنيوية. على سبيل المثال، يمكن لجزيء بروتين ذي بنية ثانوية حلزونية أن يمتلك طيف استقطاب دائري يتغير بتغيرات الشكل الفراغي.

امتصاص دلتا

بحسب التعريف،

Δأ=أل-أR{\displaystyle \Delta A=A_{\mathrm {L} }-A_{\mathrm {R} }\,}

أينΔأ{\displaystyle \Delta A}(امتصاص دلتا) هو الفرق بين امتصاص الضوء المستقطب دائريًا يسارًا (LCP) والضوء المستقطب دائريًا يمينًا (RCP) (وهذا ما يتم قياسه عادةً).Δأ{\displaystyle \Delta A}هي دالة للطول الموجي ، لذلك لكي يكون القياس ذا معنى، يجب معرفة الطول الموجي الذي تم إجراؤه عنده.

ثنائية اللون الدائرية المولية

ويمكن التعبير عنها أيضاً، بتطبيق قانون بير ، على النحو التالي:

Δأ=(εل-εR)جل{\displaystyle \Delta A=(\varepsilon _{\mathrm {L} }-\varepsilon _{\mathrm {R} })Cl\,}

أين

εل{\displaystyle \varepsilon _{\mathrm {L} }}وεR{\displaystyle \varepsilon _{\mathrm {R} }}هي معاملات الامتصاص المولية للضوء المستقطب دائريًا يسارًا (LCP) والضوء المستقطب دائريًا يمينًا (RCP).
ج{\displaystyle C}هو التركيز المولي ،
ل{\displaystyle l}يمثل طول المسار بالسنتيمترات (سم).

ثم

Δε=εل-εR{\displaystyle \Delta \varepsilon =\varepsilon _{\mathrm {L} }-\varepsilon _{\mathrm {R} }\,}

هي خاصية الاستقطاب الدائري المولي. هذه الخاصية الجوهرية هي ما يُقصد عادةً بالاستقطاب الدائري للمادة.Δε{\displaystyle \Delta \varepsilon }هي دالة للطول الموجي، وقيمة الاستقطاب الدائري المولي (Δε{\displaystyle \Delta \varepsilon }يجب أن يحدد الطول الموجي الذي يكون عنده صالحًا.

التأثيرات الخارجية على ثنائية اللون الدائرية

في العديد من التطبيقات العملية للاستقطاب الدائري (CD)، كما سيتم توضيحه لاحقًا، لا يُعد الاستقطاب الدائري المقاس خاصيةً جوهريةً للجزيء فحسب، بل يعتمد أيضًا على بنيته الجزيئية. في هذه الحالة، قد يكون الاستقطاب الدائري دالةً لدرجة الحرارة والتركيز والبيئة الكيميائية، بما في ذلك المذيبات. لذا، يجب أن تُحدد قيمة الاستقطاب الدائري المُبلغ عنها هذه العوامل الأخرى ذات الصلة لتكون ذات دلالة.

في البنى المنتظمة التي تفتقر إلى التناظر الدوراني الثنائي، يعتمد النشاط البصري [ 8 ] [ 9 ]، بما في ذلك النقل التفاضلي [ 10 ] (والانعكاس [ 11 ] ) للموجات المستقطبة دائريًا، على اتجاه انتشارها عبر المادة. في هذه الحالة، ترتبط ما يُسمى بالكيرالية ثلاثية الأبعاد الخارجية بالتوجه المتبادل لشعاع الضوء والبنية.

الإهليلجية المولية

بالرغم منΔأ{\displaystyle \Delta A}عادةً ما تُقاس، ولأسباب تاريخية، تُبلغ معظم القياسات بدرجات الإهليلجية. الإهليلجية المولية هي ثنائية اللون الدائرية المصححة حسب التركيز. ثنائية اللون الدائرية المولية والإهليلجية المولية،[θ]{\displaystyle [\theta ]}، ويمكن تحويلها بسهولة عن بعضها البعض من خلال المعادلة التالية:

يتكون الضوء المستقطب الإهليلجي (البنفسجي) من مساهمات غير متساوية من الضوء المستقطب الدائري الأيمن (الأزرق) والأيسر (الأحمر).
[θ]=3298.2Δε.{\displaystyle [\theta ]=3298.2\,\Delta \varepsilon .\,}

تُستنتج هذه العلاقة من خلال تعريف شكل الاستقطاب الإهليلجي على النحو التالي:

لون برونزي⁡θ=هـR-هـلهـR+هـل{\displaystyle \tan \theta ={\frac {E_{\mathrm {R} }-E_{\mathrm {L} }}{E_{\mathrm {R} }+E_{\mathrm {L} }}}\,}

أين

هـR{\displaystyle E_{\mathrm {R} }}وهـل{\displaystyle E_{\mathrm {L} }}تمثل هذه القيم مقادير متجهات المجال الكهربائي للضوء المستقطب دائريًا يمينًا والضوء المستقطب دائريًا يسارًا، على التوالي.

متىهـR{\displaystyle E_{\mathrm {R} }}يساويهـل{\displaystyle E_{\mathrm {L} }}(عندما لا يكون هناك فرق في امتصاص الضوء المستقطب دائريًا يمينًا ويسارًا)،θ{\displaystyle \theta }تكون الزاوية 0° ويكون الضوء مستقطباً خطياً . عندما يكون أي منهـR{\displaystyle E_{\mathrm {R} }}أوهـل{\displaystyle E_{\mathrm {L} }}يساوي الصفر (عندما يكون هناك امتصاص كامل للضوء المستقطب دائريًا في اتجاه واحد)،θ{\displaystyle \theta }تبلغ زاوية الاستقطاب 45 درجة ويكون الضوء مستقطباً دائرياً .

بشكل عام، يكون تأثير الاستقطاب الدائري صغيراً، لذالون برونزي⁡θ{\displaystyle \tan \theta }صغيرة ويمكن تقريبها على النحو التاليθ{\displaystyle \theta }بالراديان . بما أن الشدة أو الإشعاع ،أنا{\displaystyle I}وبما أن شدة الضوء تتناسب مع مربع متجه المجال الكهربائي، فإن الإهليلجية تصبح:

θ(الراديان)=(أناR1/2-أنال1/2)(أناR1/2+أنال1/2){\displaystyle \theta ({\text{radians}})={\frac {(I_{\mathrm {R} }^{1/2}-I_{\mathrm {L} }^{1/2})}{(I_{\mathrm {R} }^{1/2}+I_{\mathrm {L} }^{1/2})}}\,}

ثم بالتعويض عن I باستخدام قانون بير في صيغة اللوغاريتم الطبيعي :

أنا=أنا0هـ-أln⁡10{\displaystyle I=I_{0}\mathrm {e} ^{-A\ln 10}\,}

يمكن الآن كتابة الإهليلجية على النحو التالي:

θ(الراديان)=(هـ-أR2ln⁡10-هـ-أل2ln⁡10)(هـ-أR2ln⁡10+هـ-أل2ln⁡10)=هـΔأln⁡102-1هـΔأln⁡102+1{\displaystyle \theta ({\text{radians}})={\frac {(\mathrm {e} ^{{\frac {-A_{\mathrm {R} }}{2}}\ln 10}-\mathrm {e} ^{{\frac {-A_{\mathrm {L} }}{2}}\ln 10})}{(\mathrm {e} ^{{\frac {-A_{\mathrm {R} }}{2}}\ln 10}+\mathrm {e} ^{{\frac {-A_{\mathrm {L} }}{2}}\ln 10})}}={\frac {\mathrm {e} ^{\Delta A{\frac {\ln 10}{2}}}-1}{\mathrm {e} ^{\Delta A{\frac {\ln 10}{2}}}+1}}\,}

منذΔأ≪1{\displaystyle \Delta A\ll 1}يمكن تقريب هذا التعبير عن طريق توسيع الدوال الأسية في متسلسلة تايلور إلى الدرجة الأولى ثم حذف الحدود منΔأ{\displaystyle \Delta A}بالمقارنة مع الوحدة والتحويل من الراديان إلى الدرجات:

θ(الدرجات العلمية)=Δأ(ln⁡104)(180π){\displaystyle \theta ({\text{degrees}})=\Delta A\left({\frac {\ln 10}{4}}\right)\left({\frac {180}{\pi }}\right)\,}

يتم التخلص من العلاقة الخطية بين تركيز المذاب وطول المسار عن طريق تعريف الإهليلجية المولية على النحو التالي:

[θ]=100θجل{\displaystyle [\theta ]={\frac {100\theta }{Cl}}\,}

ثم بدمج التعبيرين الأخيرين مع قانون بير ، تصبح الإهليلجية المولية كما يلي:

[θ]=100Δε(ln⁡104)(180π)=3298.2Δε{\displaystyle [\theta ]=100\,\Delta \varepsilon \left({\frac {\ln 10}{4}}\right)\left({\frac {180}{\pi }}\right)=3298.2\,\Delta \varepsilon \,}

تُقاس الإهليلجية المولية تاريخياً بوحدة (درجة·سم² / ديسيمول). لحساب الإهليلجية المولية، يجب معرفة تركيز العينة (غ/لتر)، وطول مسار الخلية (سم)، والوزن الجزيئي (غ/مول).

إذا كانت العينة بروتينًا، فغالبًا ما يُستخدم متوسط ​​وزن البقايا (متوسط ​​الوزن الجزيئي لبقايا الأحماض الأمينية التي يحتويها) بدلًا من الوزن الجزيئي، ما يعني التعامل مع البروتين كمحلول من الأحماض الأمينية. يُسهّل استخدام متوسط ​​الإهليلجية للبقايا مقارنة الاستقطاب الدائري للبروتينات ذات الأوزان الجزيئية المختلفة؛ ويُعدّ استخدام هذا الاستقطاب الدائري المُعَيَّر مهمًا في دراسات بنية البروتين.

متوسط ​​الإهليلجية المتبقية

تتطلب طرق تقدير البنية الثانوية في البوليمرات، والبروتينات، والببتيدات على وجه الخصوص، تحويل طيف الإهليلجية المولية المقاس إلى قيمة معيارية، وتحديدًا قيمة مستقلة عن طول البوليمر. ويُستخدم متوسط ​​إهليلجية البقايا لهذا الغرض؛ وهو ببساطة الإهليلجية المولية المقاسة للجزيء مقسومة على عدد وحدات المونومر (البقايا) في الجزيء.

التطبيق على الجزيئات البيولوجية

اللوحة العلوية: قياس طيف الاستقطاب الدائري في منطقة الأشعة فوق البنفسجية البعيدة (استقطاب دائري للأشعة فوق البنفسجية البعيدة) لبروتين MBP-سيتوكروم b6 المدمج في محاليل منظفات مختلفة. يُظهر هذا أن البروتين في محلول DM، وكذلك في محلول Triton X-100، استعاد بنيته. مع ذلك، تُظهر الأطياف المُستحصلة من محلول SDS انخفاضًا في الاستقطاب الإهليلجي في النطاق بين 200 و210  نانومتر، مما يشير إلى عدم اكتمال استعادة البنية الثانوية. اللوحة السفلية: محتوى البنى الثانوية المُتوقع من أطياف الاستقطاب الدائري باستخدام خوارزمية CDSSTR. يُظهر البروتين في محلول SDS زيادة في محتوى البنى غير المنتظمة وانخفاضًا في محتوى الحلزونات. [ 12 ]

يُعدّ قياس الاستقطاب الدائري (CD) أداةً فعّالة في البحوث الفيزيائية الحيوية والكيميائية الحيوية، إذ يُقدّم رؤىً فريدة حول الخصائص البنيوية والاستقرارية للجزيئات الحيوية. ولأنّ الاستقطاب الدائري ينشأ من الامتصاص التفاضلي للضوء المستقطب دائريًا يسارًا ويمينًا بواسطة الجزيئات النشطة بصريًا ، فهو حسّاس بطبيعته للطبيعة الكيرالية للجزيئات الحيوية الكبيرة. وهذا ما يجعله ذا قيمة خاصة لتحليل البنى الثانوية، كما يتضح في البصمات الطيفية المميزة للاستقطاب الدائري للحلزونات ألفا والصفائح بيتا في البروتينات والحلزونات المزدوجة في الأحماض النووية . وبينما تكشف تقنيات عالية الدقة، مثل علم البلورات بالأشعة السينية ، والرنين المغناطيسي النووي، والمجهر الإلكتروني فائق البرودة ، عن تفاصيل بنيوية على المستوى الذري، وتستكشف طرق تعتمد على التفاعل، مثل قياس الحرارة متساوي الحرارة (ITC) وبلازمون السطح الرنيني (SPR) ، التفاعلات الجزيئية، فإنّ قياس الاستقطاب الدائري يُوفّر وسيلة سريعة وخالية من الوسم للكشف عن التغيرات البنيوية وتحولات الاستقرار. إن قدرتها على توفير بيانات تكميلية تجعلها عنصرًا أساسيًا في أدوات الفيزياء الحيوية الحديثة، حيث تشمل تطبيقاتها جميع مجالات البحث الجزيئي الحيوي تقريبًا. ويُستخدم التحليل الطيفي للاستقطاب الدائري (CD) على نطاق واسع في الأوساط الأكاديمية وصناعة الأدوية الحيوية لدراسة الجزيئات الحيوية، وخاصة البروتينات والببتيدات. وتوفر أطياف الاستقطاب الدائري رؤى قيّمة حول كل من البنية الثانوية والثالثية .

تُستمد معلومات البنية الثانوية من الإشارات الناتجة عن روابط الببتيد التي تمتص في نطاق الأشعة فوق البنفسجية البعيدة (من 180  نانومتر إلى 260  نانومتر تقريبًا)، مما يُتيح تحديد العناصر البنيوية وتعيينها جزئيًا، مثل الحلزون ألفا ، والصفيحة بيتا ، والانعطاف بيتا ، واللفائف العشوائية . [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] تُفرض هذه التعيينات البنيوية قيودًا مهمة على التكوينات الثانوية المحتملة للبروتين. لا يُمكن لتقنية الاستقطاب الدائري (CD)، بشكل عام، تحديد موقع حلزونات ألفا المكتشفة داخل الجزيء، أو حتى التنبؤ بدقة بعددها. مع ذلك، تُعد تقنية الاستقطاب الدائري أداة قيّمة، خاصةً لإظهار التغيرات في التكوين. على سبيل المثال، يُمكن استخدامها لدراسة كيفية تغير البنية الثانوية للجزيء كدالة لدرجة الحرارة (في تجربة التمَسُّخ الحراري التدريجي) أو لتركيز عوامل التمَسُّخ (في تجربة التمَسُّخ الكيميائي)، مثل كلوريد الغوانيدينيوم أو اليوريا . بهذه الطريقة، يمكن الكشف عن معلومات ديناميكية حرارية هامة حول الجزيء (مثل المحتوى الحراري وطاقة غيبس الحرة للتفكك) والتي يصعب الحصول عليها بطرق أخرى. سيجد أي شخص يحاول دراسة بروتين ما أن تقنية الاستقطاب الدائري (CD) أداة قيّمة للتحقق من أن البروتين في بنيته الأصلية (أي كتقنية لمراقبة الجودة) قبل إجراء تجارب مكثفة و/أو مكلفة عليه. علاوة على ذلك، استُخدمت مطيافية الاستقطاب الدائري في دراسات التفاعلات بين المواد الحيوية وغير العضوية ؛ وتحديدًا، استُخدمت لتحليل الاختلافات في البنية الثانوية لبروتين مُهندس قبل وبعد معايرته بكاشف. [ 17 ]

تُستقى معلوماتٌ عن البنية الثالثية من المساهمات الطيفية للأحماض الأمينية العطرية ، التي تمتص في نطاق الأشعة فوق البنفسجية القريبة (الذي يمتد تقريبًا من 250  نانومتر إلى 350  نانومتر). تعود الإشارات المُستَحصَلة في هذه المنطقة إلى الامتصاص، وتوجيه ثنائي القطب، وطبيعة البيئة المحيطة بالأحماض الأمينية فينيل ألانين، وتيروسين، وسيستين (أو جسور ثنائي الكبريتيد SS )، وتربتوفان . على عكس طيف الاستقطاب الدائري في نطاق الأشعة فوق البنفسجية البعيدة، لا يُمكن ربط طيف الاستقطاب الدائري في نطاق الأشعة فوق البنفسجية القريبة بأي بنية ثلاثية الأبعاد مُحددة. بل يُمكن اعتبار نطاق الأشعة فوق البنفسجية القريبة منطقةً مميزةً، لأن شكله الطيفي يعتمد بشكلٍ كبير على تركيب البقايا العطرية، وتكوين سلاسلها الجانبية، وبيئتها.

توفر أطياف الاستقطاب الدائري المرئي (التي تغطي نطاقًا يتراوح تقريبًا بين 350  و700  نانومتر) معلومات هيكلية حول طبيعة المجموعات الوظيفية في البروتينات، مثل مجموعات الهيم في الهيموجلوبين والسيتوكروم ج . يُعدّ الاستقطاب الدائري المرئي تقنية فعّالة للغاية لدراسة تفاعلات المعدن مع البروتين، حيث يمكنه فصل انتقالات الإلكترون d-d الفردية كحزم منفصلة. عادةً ما تُنتج أطياف الاستقطاب الدائري في منطقة الضوء المرئي فقط عندما يكون أيون المعدن في بيئة كيرالية، وبالتالي، لا يمكن الكشف عن أيونات المعادن الحرة في المحلول. يتميز هذا بميزة رصد المعدن المرتبط بالبروتين فقط، مما يُسهّل الحصول على بيانات اعتماد الأس الهيدروجيني والنسب المولية. تُعزى الفعالية البصرية في معقدات أيونات المعادن الانتقالية إلى تأثيرات التكوين، والتشكيل، والتجاور. وضع كليوباتينوند وفيلز (2007) مجموعة من القواعد التجريبية للتنبؤ بظهور أطياف الاستقطاب الدائري المرئي لمركبات النحاس (II) والنيكل (II) ذات الشكل المربع المستوي والتي تتضمن الهيستيدين وتنسيق السلسلة الرئيسية. [ 18 ]

إلى جانب البروتينات والببتيدات، يُعدّ التحليل الطيفي بالأشعة فوق البنفسجية مع الاستقطاب الدائري (UV-CD) أداةً فعّالةً لتوصيف البنية الثانوية للأحماض النووية، إذ يُتيح فهمًا أعمق للحلزونات الحمضية النووية (DNA) والوحدات البنائية للحمض النووي الريبي (RNA) مثل رباعيات G. تُظهر التكوينات المختلفة للحمض النووي - الحمض النووي A، والحمض النووي B، والحمض النووي Z - بصمات طيفية مميزة في الاستقطاب الدائري نتيجةً لاختلافات في تكديس القواعد والهندسة الحلزونية. [ 19 ] [ 20 ] وبالمثل، تُنتج بنى الحمض النووي الريبي، بما في ذلك الحلقات الجذعية والعقد الكاذبة ورباعيات G، أطياف استقطاب دائري فريدة تعكس أنماط طيها المحددة وتفاعلات قواعدها. تُظهر رباعيات G، على وجه الخصوص، نطاقات موجبة وسالبة مميزة في طيف الاستقطاب الدائري اعتمادًا على بنيتها (متوازية، أو متضادة التوازي، أو هجينة). [ 21 ] تجعل هذه الخصائص الطيفية من التحليل الطيفي بالأشعة فوق البنفسجية مع الاستقطاب الدائري تقنيةً أساسيةً لدراسة طي الأحماض النووية واستقرارها وتفاعلاتها مع الروابط.

توفر تقنية قياس الاستقطاب الدائري (CD) معلومات هيكلية أقل دقة من تقنيات أخرى مثل علم البلورات بالأشعة السينية وطيف الرنين النووي المغناطيسي للبروتينات ، والتي توفر بيانات بدقة ذرية. مع ذلك، تُعد تقنية قياس الاستقطاب الدائري طريقة سريعة لا تتطلب كميات كبيرة من البروتينات أو معالجة مكثفة للبيانات. لذا، يمكن استخدامها لدراسة العديد من ظروف المذيبات ، بما في ذلك تغيرات درجة الحرارة ، ودرجة الحموضة ، والملوحة ، ووجود عوامل مساعدة مختلفة.

تُستخدم مطيافية الاستقطاب الدائري (CD) عادةً لدراسة البروتينات في المحاليل، وبالتالي فهي تُكمّل الطرق التي تدرس الحالة الصلبة. إلا أن هذا يُعدّ قيدًا أيضًا، إذ أن العديد من البروتينات تكون مُدمجة في أغشية في حالتها الطبيعية، وغالبًا ما تكون المحاليل التي تحتوي على تراكيب غشائية ذات تشتت قوي. ويمكن أيضًا قياس الاستقطاب الدائري في الأغشية الرقيقة والمساحيق. على سبيل المثال، أُجريت مطيافية الاستقطاب الدائري على مواد شبه موصلة صلبة مثل ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂ ) للحصول على إشارات قوية في نطاق الأشعة فوق البنفسجية، حيث تحدث الانتقالات الإلكترونية للجزيئات الحيوية غالبًا. [ 22 ]

مقارنات البنية ذات الرتبة الأعلى

يُعدّ التحليل الطيفي الحديث للبروتينات بتقنية الاستقطاب الدائري (CD) أداةً بالغة الأهمية لإجراء تحليل مقارن للبنية الثانوية والثالثية، والمعروفة باسم مقارنات البنية عالية الرتبة (HOS). تشمل الأمثلة تقييم اتساق الدفعات في العلاجات الحيوية، وتقييم آثار الطفرات، ودراسة خصائص المتغيرات الشحنية أو المتغيرات السكرية للبروتين الأصلي. كما يُعدّ تحليل البنية عالية الرتبة فعالاً للغاية في دراسة تأثير سواغات التركيبة، ودرجة الحموضة، والقوة الأيونية على بنية البروتين.

تتمتع مقارنات HOS بمجموعة واسعة من التطبيقات وتلعب دورًا حاسمًا في كل مرحلة من مراحل تطوير العلاجات البيولوجية - من التقييمات التحليلية في المراحل المبكرة إلى مراقبة الجودة في المراحل المتأخرة؛ من تطوير التركيبة إلى تقييمات استقرار التخزين القسري.

تستفيد مقارنات البنية ذات الرتبة الأعلى من نطاقي الأطوال الموجية للأشعة فوق البنفسجية القريبة والبعيدة لتمكين تحليل بيانات إحصائي قوي وقابل للتكرار وقابل للقياس الكمي. تُقيّم مقارنة البنية ذات الرتبة الأعلى كميًا ما إذا كان هناك اختلاف بين طيفين، وبالتالي، ما إذا كانت معلوماتهما البنيوية الأساسية مختلفة. غالبًا ما يكون هذا صعبًا، إن لم يكن مستحيلاً، عن طريق الفحص البصري. يتطلب اكتشاف هذه الاختلافات الدقيقة أطيافًا مستقلة متعددة وتحليلًا إحصائيًا قويًا، حيث أن العديد من الاختلافات صغيرة جدًا بحيث لا يمكن تمييزها بالعين المجردة.

مخطط الفرق الطيفي المرجح (WSD) لمقارنة دفعات عينات المنتج الأصلي مقابل دفعات عينات المنتج الحيوي المماثل. إذا كانت قيم WSD لعدد كافٍ من تكرارات العينات تقع ضمن نطاق الجودة، تُعتبر العينة مشابهة للمرجع؛ وإلا، تُعتبر مختلفة.

توجد مناهج متنوعة لمقارنة HOS، وقد وُصفت العديد من طرق المقارنة الطيفية في الأدبيات العلمية. ومع ذلك، وبغض النظر عن طريقة المقارنة أو التطبيق، فإن جميع الطرق هي مناهج رياضية تهدف إلى الحصول على قيمة واحدة كمقياس للتشابه في المقارنات الطيفية الثنائية. ومن هذه الطرق طريقة الفرق الطيفي الموزون (WSD)، وهي طريقة لمقارنة HOS تحظى بشعبية لدى العديد من شركات الأدوية الحيوية والهيئات التنظيمية. [ 23 ] [ 24 ]

على مدى العقد الماضي، أصبحت مقارنات HOS أداةً أساسيةً لتوحيد بيانات CD في طلبات الحصول على تراخيص الأدوية البيولوجية الجديدة. وتُعدّ هذه المقارنات ضروريةً، لا سيما في تطوير الأدوية الحيوية المماثلة، لتلبية متطلبات إدارة الغذاء والدواء الأمريكية (FDA) ووكالة الأدوية الأوروبية (EMA) وغيرها من الهيئات التنظيمية. ويكمن الأساس المنطقي لهذه التوجيهات في تنظيم ومراقبة سلامة وجودة وفعالية العوامل العلاجية المتاحة للجمهور. [ 25 ]

التألق

تُستخدم قياسات التألق في مطيافية الاستقطاب الدائري، المسجلة بزاوية 90 درجة بالنسبة للضوء الساقط، كقناة بيانات تكميلية، تُوفر رؤى إضافية حول استقرار البروتين والتغيرات البنيوية. من خلال الكشف عن التألق الذاتي من البقايا العطرية مثل التربتوفان والتيروسين، يستطيع الباحثون تقييم التحولات البيئية المصاحبة للتحولات البنيوية. يمكن الحصول على بيانات التألق بالتزامن مع إشارات الاستقطاب الدائري، لا سيما في تجارب تغيير درجة الحرارة التدريجي، حيث تُساعد في رصد أحداث فك الطي من خلال تتبع التغيرات في شدة الانبعاث أو انزياحات الطول الموجي. يمكن متابعة هذه العملية بتسجيل أطياف الاستقطاب الدائري على فترات 1  درجة مئوية، على سبيل المثال، مع زيادة درجة الحرارة باستمرار بمعدل 1  درجة مئوية في الدقيقة. عادةً ما يكون عرض نطاق الإثارة المطلوب لأطياف التألق أكبر من عرض النطاق الطيفي المستخدم لقياسات الاستقطاب الدائري، لذا قد يكون من الضروري أحيانًا استخدام نطاقات طيفية مختلفة لقياسات الاستقطاب الدائري والتألق. يُعزز هذا النهج المزدوج تفسير سلوك البروتين في ظل ظروف متغيرة، مما يُحسّن الثقة في تقييمات البنية والاستقرار.

هناك طرق متعددة لجمع بيانات التألق، بما في ذلك استخدام أنبوب مضاعف ضوئي (PMT) لتسجيل التألق الكلي، أو استخدام مقياس تألق CCD لتسجيل طيف التألق الكامل، أو استخدام أحادي اللون للانبعاث الماسح (SEM) للسماح بمسح طيف التألق عند طول موجة إثارة ثابتة.

التشتت الدوراني البصري (ORD)

ترتبط تقنية التشتت الدائري (CD) ارتباطًا وثيقًا بتقنية التشتت الدوراني البصري (ORD). الدوران البصري هو دوران الضوء المستقطب خطيًا نتيجة مروره عبر مادة نشطة بصريًا، وهو ناتج عن اختلاف معامل الانكسار بين مكونات الاستقطاب الدائري الأيسر والأيمن للضوء (يمكن اعتبار الضوء المستقطب خطيًا مزيجًا متساويًا من الضوء المستقطب دائريًا أيمن وأيسر). أما التشتت الدوراني البصري فهو تغير الدوران البصري مع الطول الموجي. ينشأ كل من طيف ORD وطيف CD من تفاعل الضوء المستقطب (دائريًا أو خطيًا) مع الجزيئات الكيرالية، وهما مرتبطان ارتباطًا مباشرًا: إذ يمكن اشتقاق كل منهما من الآخر باستخدام تحويل كرامرز-كرونيغ . توفر قياسات ORD وCD معلومات متطابقة تقريبًا، ولكن عمليًا، تُفضل كل تقنية لتطبيقات محددة. تُعد تقنية CD ذات دقة أعلى لأنها تُلاحظ فقط عند الأطوال الموجية التي يمتص عندها الجزيء الكيرالي الضوء. وهذا يُسهل تفسير الأطياف المعقدة التي تتضمن نطاقات امتصاص متعددة. بدلاً من ذلك، يمكن الحصول على قياسات التشتت الدوراني البصري (ORD) عند أطوال موجية لا يمتص فيها الجزيء الكيرالي المراد قياسه الضوء بالضرورة. وهذا يعني إمكانية إجراء قياسات التشتت الدوراني البصري على مواد ذات تركيزات عالية أو حيث تكون نطاقات الامتصاص محجوبة بامتصاص المذيب أو أملاح المحلول المنظم. يُعد التشتت الدوراني البصري مفيدًا بشكل خاص للسكريات غير المستبدلة، لأن هذا النوع من الجزيئات الحيوية لا يحتوي على كروموفورات تمتص في نطاقات الأشعة فوق البنفسجية والمرئية التي يمكن الوصول إليها عبر أجهزة قياس الاستقطاب الدائري التجارية.

الاستقطاب الخطي (LD)

باستخدام الملحق المناسب، يمكن إجراء قياسات الاستقطاب الخطي (LD) على أجهزة قياس الاستقطاب الدائري (CD). الاستقطاب الخطي هو الفرق في امتصاص الضوء المستقطب بالتوازي والعمودي على محور التوجيه.

ΔA = A para - A perp

حيث A هي امتصاص الضوء المستقطب خطيًا، وتشير الرموز السفلية إلى الاستقطاب المتوازي والعمودي على التوالي. ولكي تمتلك عينة ما قيمة LD غير صفرية، يجب أن تكون غير متناحية الخواص؛ وقد يكون عدم التناحية جوهريًا، كما هو الحال في البلورات السائلة على سبيل المثال، أو قد يكون مُستحثًا، على سبيل المثال، عن طريق شد غشاء بوليمري، أو عن طريق تطبيق مجال كهربائي، أو عن طريق المحاذاة أو التشوه في مجال قص (مثل الأحماض النووية كالحمض النووي DNA).

يستخدم جهاز ليزر ديجيتال خلية كويت لتوليد مجال قص. توضع العينة في الفجوة الحلقية بين أسطوانتين كوارتزيتين متحدتي المركز، تدور الأسطوانة الخارجية (الدوار) حول محورها الأسطواني، بينما تبقى الأسطوانة الداخلية (الثابتة) ثابتة. سُمي هذا الترتيب نسبةً إلى مبتكره، موريس كويت .

يمكن أن يؤدي القص إلى اصطفاف أو تشوه الجزيئات الكبيرة في السائل. فعلى سبيل المثال، تصطف الجزيئات الصلبة الشبيهة بالقضبان، مثل أنابيب الكربون النانوية والألياف الزجاجية، بينما تتشوه الحويصلات والمذيلات والبوليمرات المرنة عن هيئتها المتوازنة، ممتدةً في اتجاه القص. ثم يُستخدم الاستقطاب الخطي لتحديد اتجاه انتقال الإلكترون الصافي في الكروموفور الممتص بالنسبة إلى اتجاه القص، وبالتالي بالنسبة إلى اتجاه اصطفاف الجزيئات الممتصة أو اتجاه تشوه بيئتها.

للحصول على مزيد من المعلومات حول LD وقياسه، راجع هذا الكتاب. [ 26 ]

الاستقطاب الدائري المغناطيسي (MCD)

الاستقطاب الدائري المغناطيسي (MCD) هو امتصاص تفاضلي للضوء المستقطب دائريًا يسارًا ويمينًا في وجود مجال مغناطيسي موازٍ لاتجاه انتشار الضوء. يختلف الاستقطاب الدائري المغناطيسي عن الاستقطاب الدائري الطبيعي في أنه لا يتطلب عينة كيرالية؛ كما أن أصول كل من الاستقطاب الدائري والاستقطاب الدائري المغناطيسي مختلفة تمامًا.

يتكون طيف MCD من ثلاثة مكونات، تُعرف باسم المكونات A وB وC. عند درجة حرارة الغرفة، يهيمن المكونان A وB، خاصةً بالنسبة للكروموفورات غير المغناطيسية، ويشكلان الجزء الأكبر مما يمكن ملاحظته في تجربة MCD قياسية.

ينشأ الحد A من انقسام زيمان للحالات المثارة المتماثلة نتيجة اختلاف اللف المغزلي. وينتج عن ذلك انزياح طفيف في أطوال موجات طيف الأشعة فوق البنفسجية والمرئية لكل حالة لف مغزلي، حيث تمتص كل حالة الضوء المستقطب دائريًا يسارًا أو يمينًا بشكل تفضيلي. يُرصد طيف MCD للحد A كمشتق لانتقال الامتصاص، مع انتقال حاد حول ذروة الامتصاص. وبسبب نطاقات الحد A، يكون طيف MCD أكثر تنظيمًا من طيف الامتصاص أو طيف CD الطبيعي، مما يُسهّل قياس العديد من الكروموفورات المتداخلة، كما يُتيح تتبع التغيرات في الكروموفورات الفردية.

ينشأ الحد B من اختلاط الحالات الأرضية غير المتماثلة. ويُلاحظ عادةً على شكل قمة امتصاص واحدة، قد تكون موجبة أو سالبة.

ينشأ الحد C من تغيرات في أعداد الجزيئات عبر مستويات زيمان الفرعية نتيجة استجابة الحالة الأرضية البارامغناطيسية للمجال. وتصبح هذه التغيرات ذات أهمية في طيف MCD فقط عند درجات حرارة منخفضة للغاية، وتتشابه متطلبات الأجهزة اللازمة لشدة المجال العالية ودرجات الحرارة المنخفضة جدًا مع تلك الخاصة بتقنية الرنين المغناطيسي الإلكتروني (EPR). يُعد هذا نظامًا مكلفًا ومتخصصًا، ولذلك فإن الوصول إلى حدود C يتجاوز نطاق ملحق MCD سهل الاستبدال في جهاز CD مكتبي.

تُشابه عملية جمع بيانات MCD عملية جمع بيانات CD الطبيعي، باستثناء وجود اتجاهين محتملين للمغناطيس، أحدهما أقرب إلى الكاشف والآخر إلى القطب الجنوبي. عادةً ما يتم الحصول على طيف مع وجود المغناطيس في كلا الاتجاهين؛ ولأن مساهمة MCD في الطيف تتغير إشارتها عند عكس اتجاه المجال المغناطيسي، بينما لا تتغير مساهمة CD الطبيعي، يمكن الحصول على كلتا المساهمتين عن طريق حساب متوسط ​​الطيفين.

للحصول على مزيد من المعلومات حول مرض ضمور العضلات، انظر هذا الكتاب. [ 27 ]

التألق المستقطب دائريًا (CPL)

يُعدّ الانبعاث الضوئي المستقطب دائريًا (CPL) نظيرًا لانبعاث الضوء المستقطب دائريًا (CD). فبينما يدرس CD هندسة الجزيئات في حالتها الأرضية، يُتيح CPL، الذي يُرصد عادةً بشكل عمودي على شعاع الضوء الساقط، فهمًا أعمق لهندسة الجزيئات في حالتها المثارة أو المتألقة. في تجربة CPL، يُحلل الضوء المنبعث لتحديد محتواه من الضوء المستقطب دائريًا يسارًا ويمينًا.

يُعطى الفرق في شدة الضوء المنبعث المستقطب دائريًا يسارًا ويمينًا، Δ I ، بالصيغة التالية:

Δ I = I L – I R

حيث تمثل I <sub>L</sub> و I<sub> R </sub> شدة الضوء المنبعث المستقطب دائريًا يسارًا ويمينًا على التوالي. ويُعطى متوسط ​​شدة الإضاءة بالعلاقة التالية:

I = ( I L + I R ) / 2

يُقاس كل من ΔI و I بوحدات نسبية ، لأنه في تجارب التألق الضوئي، لا يُرصد كل الضوء المتألق، بل فقط ذلك الموجود في زاوية مجسمة محدودة. علاوة على ذلك، قد يصعب الحصول على قيمة مطلقة لتركيز الجزيئات المتألقة. لهذه الأسباب، يُعرَّف عامل عدم التماثل في التألق الضوئي على النحو التالي:

g lum = Δ I / I

حيث يمثل g lum رقمًا مطلقًا فريدًا لكل جزيء نشط CPL في ظل ظروف محددة.

يمكن تعديل العديد من أجهزة قياس الطيف الضوئي الدائري المتوفرة تجارياً باستخدام ملحق لقياس التألق المستقطب دائرياً للعينة.

تحليل العينات الصلبة

من الممكن تحليل عينات الحالة الصلبة باستخدام مطيافية الاستقطاب الدائري. وهناك عدة خيارات لتحقيق ذلك.

تُحضّر العينات عادةً على شكل أقراص، إما بالضغط باستخدام مُشتِّت خامل مثل بروميد البوتاسيوم أو كلوريد البوتاسيوم، أو بترسيب العينة كغشاء رقيق على سطح القرص. هذه التقنية راسخة في مطيافية امتصاص الأشعة تحت الحمراء، وقد استُخدمت أيضًا في مطيافية الأشعة فوق البنفسجية/المرئية. تُقاس العينة في وضعية النقل، حيث يمر الضوء عبرها إلى كاشف مُثبَّت في منفذ النقل الخاص بالمطياف. وللتخلص من تأثير التباين ، تُثبَّت العينة عادةً على عجلة، ويمكن تدويرها يدويًا لإجراء القياسات عند زوايا مختلفة. بعد ذلك، يُحسب متوسط ​​أطياف جميع الزوايا.

إذا كانت العينات الصلبة موجودة على شكل مسحوق، فيمكن قياسها عن طريق الانعكاس المنتشر باستخدام جهاز يُعرف باسم كرة التكامل .

طُوِّرت الكرات التكاملية في أوائل القرن العشرين، وكانت تُستخدم في الأصل لقياس إجمالي ناتج مصدر الضوء دون الرجوع إلى اتجاه الضوء الأصلي. وهي تُستخدم الآن بشكل شائع عند قياس أطياف امتصاص الأشعة فوق البنفسجية/المرئية أو الأشعة تحت الحمراء للعينات الصلبة، ويمكن توسيع نطاق استخدامها ليشمل مطيافية الاستقطاب الدائري للأشعة فوق البنفسجية/المرئية للمواد الصلبة.

يدخل الضوء إلى الكرة عبر منفذ الإدخال، وعادةً ما تكون الأسطح الداخلية للكرة بيضاء عاكسة ومشتتة، بحيث يتوزع الضوء بالتساوي داخل الكرة من خلال انعكاسات متعددة. يوضع كاشف عند منفذ الإخراج، ويتم قياس شدة الضوء. في مطيافية الاستقطاب الدائري (CD)، يمكن وضع العينة إما عند منفذ الإدخال، بحيث يمر الضوء من خلاله قبل دخول الكرة، أو عند نقطة على الكرة مقابل منفذ الإدخال، بحيث ينعكس الضوء بشكل منتشر من العينة بعد دخولها الكرة. يُطلق على نمطي التشغيل هذين اسمي النقل والانعكاس المنتشر، على التوالي. في كلتا الحالتين، تُحضّر العينة على شكل مسحوق. في نمط النقل، يجب تشتيتها إما في بروميد البوتاسيوم أو كلوريد البوتاسيوم وضغطها على شكل قرص. أما في نمط الانعكاس المنتشر، فتبقى العينة على شكل مسحوق حر، ويمكن تشتيتها، عند الضرورة، في مخفف مثل كبريتات الباريوم أو متعدد رباعي فلورو الإيثيلين (PTFE).

دراسة ردود الفعل السريعة

صُممت العديد من أجهزة قياس الطيف الضوئي الدائري المتوفرة تجاريًا لتكون مزودة بجهاز إيقاف التدفق لدراسة حركية التفاعلات السريعة في المحلول. في أبسط صور هذه التقنية، يُخلط محلولان من مادتين متفاعلتين بسرعة عن طريق دفعهما عبر حجرة خلط، وعند خروجهما منها يمر السائل المختلط عبر خلية مراقبة بصرية. عند نقطة زمنية معينة، يُوقف التدفق فجأة، ويُرصد التفاعل باستخدام مسبار طيفي مناسب، مثل الامتصاص، أو التألق، أو استقطاب التألق ، أو الاستقطاب الدائري. يُسجل التغير في الإشارة الطيفية كدالة للزمن، ومن ثم يمكن الحصول على ثوابت معدل التفاعل التي تحدد حركية التفاعل عن طريق مطابقة البيانات باستخدام نموذج مناسب.

القيود التجريبية

تمت دراسة الاستقطاب الدائري (CD) في الكربوهيدرات ، ولكن بنجاح محدود بسبب الصعوبات التجريبية المرتبطة بقياس أطياف الاستقطاب الدائري في منطقة الأشعة فوق البنفسجية الفراغية (VUV) من الطيف (100 إلى 200  نانومتر)، حيث تقع نطاقات الاستقطاب الدائري المقابلة للكربوهيدرات غير المستبدلة. وقد تم قياس الكربوهيدرات المستبدلة التي تقع نطاقاتها فوق منطقة الأشعة فوق البنفسجية الفراغية بنجاح.

تُظهر المحاليل المنظمة والأملاح امتصاصًا عاليًا بشكل مدهش في الطرف الأدنى من نطاق الأشعة فوق البنفسجية البعيدة، ويجب أخذ مساهمتها في إجمالي امتصاص العينة في الاعتبار.

يُعد قياس الاستقطاب الدائري في نطاق الأشعة فوق البنفسجية البعيدة أمرًا معقدًا نظرًا لأن أنظمة المحاليل المنظمة المائية النموذجية، عند تركيزات المحاليل المنظمة والأملاح الفسيولوجية، تمتص بشكل ملحوظ في نطاق الأشعة فوق البنفسجية البعيدة. يُمكن استخدام الفوسفات ، والتريس ، والهيبس ، ولكن يجب تقليل تركيزها إلى أدنى حد (مثاليًا، 10-20 ملي مولار). كما تُظهر أملاح المحاليل المنظمة امتصاصًا عاليًا بشكلٍ ملحوظ في الطرف الأدنى من نطاق الأشعة فوق البنفسجية البعيدة، ويجب الحرص على ألا يتجاوز تركيزها 50 ملي مولار تقريبًا (يعتمد على طول المسار). استبدل بعض الباحثين أيون الكلوريد بالفلورايد لأن الفلورايد يمتص بشكل أقل في نطاق الأشعة فوق البنفسجية البعيدة، وقد استخدم البعض الماء النقي. حتى الماء نفسه يمتص عند أطوال موجية أقل من 180  نانومتر تقريبًا. ومن الحلول الملحوظة استخدام الماء الثقيل (D₂O ) بدلًا من الماء العادي ( H₂O )، مما يُتيح إمكانية القياس عند أطوال موجية منخفضة تصل إلى 171 نانومتر. [ 28 ] نظرًا لأن قياس الاستقطاب الدائري (CD) هو في الأساس تقنية امتصاص وتخضع لقانون بير ، فإن إحدى الحيل الأخرى هي تقليل امتصاص المحلول المنظم باستخدام خلايا/أنابيب قياس ذات مسار ضوئي أقصر عند العمل في نطاق الأشعة فوق البنفسجية البعيدة؛ حيث أن أطوال المسار الضوئي من 0.1 إلى 0.5 مم شائعة في هذا المجال. من ناحية أخرى، لا تتأثر تجارب الأشعة فوق البنفسجية القريبة بمعظم هذه الاعتبارات، وعادةً ما تُجرى بتركيزات أعلى في أنابيب قياس قياسية ذات مسار ضوئي 10 مم. يشكل التركيز وطول المسار الضوئي حاصل ضرب رياضي لحساب الامتصاص، وبالتالي يمكن استبدالهما خطيًا للحصول على نفس قيمة الامتصاص.   

إضافةً إلى القياس في الأنظمة المائية، يمكن قياس الاستقطاب الدائري، وخاصةً الاستقطاب الدائري في نطاق الأشعة فوق البنفسجية البعيدة، في المذيبات العضوية مثل الإيثانول والميثانول والأسيتونيتريل وثلاثي فلورو الإيثانول ( TFE ) بنسب متفاوتة. يتميز ثلاثي فلورو الإيثانول (TFE) بتحمله الجيد وقدرته على تحفيز تكوين بنية البروتينات، حيث يُحفز تكوين الصفائح بيتا في بعضها والحلزونات ألفا في البعض الآخر، وهي بنى لا تُلاحظ في الظروف المائية العادية. [ 29 ] في المقابل، فإن العديد من المذيبات العضوية الشائعة مثل الأسيتون ، ورباعي هيدرو الفوران (THF) ، والديوكسان ، والكلوروفورم ، وثنائي كلورو الميثان، لا تتوافق عمومًا مع الاستقطاب الدائري في نطاق الأشعة فوق البنفسجية البعيدة. [ 30 ]

من الجدير بالذكر أن أطياف الاستقطاب الدائري للبروتينات المستخدمة في تقدير البنية الثانوية ترتبط بانتقالات المدارات π إلى π* و n إلى π* لروابط الأميد في سلسلة الأحماض الأمينية. تقع نطاقات الامتصاص هذه جزئيًا في ما يُعرف بالأشعة فوق البنفسجية الفراغية (أطوال موجية أقل من 200 نانومتر تقريبًا  ). في الواقع، لا يمكن الوصول إلى نطاق الطول الموجي المطلوب في الهواء نظرًا لامتصاص الأكسجين القوي للضوء عند هذه الأطوال الموجية، مما يؤدي أيضًا إلى إنتاج الأوزون. الأوزون غاز شديد التفاعل، وهو ضار بالصحة وبالمكونات البصرية للمطياف. علاوة على ذلك، فإن حتى الكميات الضئيلة من الأكسجين أو الأوزون الموجودة في المصباح أو أحادي اللون ستعيق الحصول على بيانات الاستقطاب الدائري. يتميز الأوزون بذروة امتصاص قوية وعريضة عند حوالي 250  نانومتر، وذروة عريضة أخرى حول 600  نانومتر، مما يؤدي إلى إضعاف الضوء الصادر من مصباح المطياف عبر جزء كبير من نطاق أطواله الموجية، وخاصة في منطقة الأشعة فوق البنفسجية. من الناحية العملية، لا يتم قياس هذه الأطياف في الفراغ ولكن في جهاز خالٍ من الأكسجين (يتم تطهيره بغاز النيتروجين عالي النقاء من خزان أو وعاء ديوار).

بعد إزالة الأكسجين، ربما يكون ثاني أهم عامل تقني للعمل دون 200  نانومتر هو تصميم بقية النظام البصري بحيث يكون فقد الطاقة منخفضًا في هذه المنطقة. ومن الأمور الحاسمة في هذا الصدد استخدام مرايا مطلية بالألومنيوم، حيث تم تحسين طبقاتها لتقليل فقد الطاقة في منطقة الأشعة فوق البنفسجية البعيدة من الطيف.

مصدر الضوء المعتاد في هذه الأجهزة هو مصباح زينون عالي الضغط يعمل بقوس كهربائي . تتميز مصادر ضوء الزينون بثباتها العالي، وتُنتج طيف انبعاث واسعًا ومتجانسًا يمتد من الأشعة فوق البنفسجية البعيدة إلى الأشعة تحت الحمراء القريبة . مصابيح الزينون العادية غير مناسبة للاستخدام في نطاق الأشعة فوق البنفسجية المنخفضة. لذا، يجب استخدام مصابيح زينون مصممة خصيصًا بأغلفة مصنوعة من السيليكا المنصهرة الاصطناعية عالية النقاء.

يتميز الضوء المنبعث من مصادر السنكروترون بتدفق أعلى بكثير عند الأطوال الموجية القصيرة، وقد استُخدم لتسجيل الاستقطاب الدائري (CD) حتى 160  نانومتر. في عام 2010، استُخدم مطياف الاستقطاب الدائري في مرفق حلقة تخزين الإلكترونات ISA بجامعة آرهوس في الدنمارك لتسجيل أطياف الاستقطاب الدائري في الحالة الصلبة حتى 120  نانومتر. [ 31 ] على المستوى الكمي ، تتطابق كثافة خصائص الاستقطاب الدائري والدوران البصري . ويشترك كل من التشتت الدوراني البصري والاستقطاب الدائري في نفس محتوى المعلومات الكمية .

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ ب. أتكينز؛ ج. دي باولا (2005). عناصر الكيمياء الفيزيائية (  الطبعة الرابعة). مطبعة جامعة أكسفورد . ISBN 978-0-7167-7329-0.
  2. 1 2 3 إدوارد آي. سولومون؛ إيه بي بي ليفر (3 فبراير 2006). البنية الإلكترونية غير العضوية والتحليل الطيفي . وايلي-إنترساينس . ص 78. ISBN  978-0-471-97124-5تم الاطلاع عليه بتاريخ 29 أبريل 2011 .
  3. ↑ مقدمة في نظرية الكم، الطبعة الثانية، ديفيد بارك، القسم 2.2، الصفحة 32 "... إن استقطاب شعاع الضوء هو بالضبط نفس الشيء الذي يدور فيه شعاع الإلكترونات، والاختلافات في المصطلحات لا تعكس سوى مصادفات الترتيب التاريخي للاكتشاف."
  4. ↑ جيرالد د. فاسمان (1996). الاستقطاب الدائري وتحليل التشكيل الجزيئي الحيوي . سبرينغر. ص 3–. ISBN  978-0-306-45142-3تم الاطلاع عليه بتاريخ 29 أبريل 2011 .
  5. 1 2 3 كوجي ناكانيشي؛ نينا بيروفا ؛ روبرت وودي (1994). ثنائية اللون الدائرية: المبادئ والتطبيقات . VCH. ص 473. ISBN  978-1-56081-618-8تم الاطلاع عليه بتاريخ 29 أبريل 2011 .
  6. ↑ سولومون، نيديغ؛ أ. ت. ويكسلر؛ ج. شينك؛ ت. ر. هولمان (2007). " دراسات حركية وطيفية لإنزيم ليبوكسيجيناز N694C: دراسة لآلية تنشيط الركيزة لإنزيم حديدي غير هيمي" . مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية . 129 (24): 7531-7537 . Bibcode : 2007JAChS.129.7531N . doi : 10.1021/ja068503d . PMC 2896304. PMID 17523638 .  
  7. ↑ أليسون رودجر؛ بنغت نوردين (1997). ثنائية اللون الدائرية وثنائية اللون الخطية . مطبعة جامعة أكسفورد. ISBN 978-0-19-855897-2تم الاطلاع عليه بتاريخ 29 أبريل 2011 .
  8. ↑ ر. ويليامز (1968). "التأثير الدوراني البصري في الطور السائل النيماتيكي لـ p-أزوكسي أنيسول". رسائل المراجعة الفيزيائية . 21 (6): 342. Bibcode : 1968PhRvL..21..342W . doi : 10.1103/PhysRevLett.21.342 .
  9. ↑ ر. ويليامز (1969). "القدرة الدورانية الضوئية والتأثير الكهروضوئي الخطي في البلورات السائلة النيماتية لـ p-أزوكسي أنيسول". مجلة الفيزياء الكيميائية . 50 (3): 1324. Bibcode : 1969JChPh..50.1324W . doi : 10.1063/1.1671194 .
  10. ↑ بلوم، إي.؛ فيدوتوف، ف.أ.؛ زيلوديف، ن.إ. (2008). "النشاط البصري في المواد الفوقية ذات الكيرالية الخارجية" (ملف PDF) . رسائل الفيزياء التطبيقية . 93 (19): 191911. arXiv : 0807.0523 . Bibcode : 2008ApPhL..93s1911P . doi : 10.1063/1.3021082 . S2CID 117891131 . 
  11. ↑ بلوم، إي.؛ فيدوتوف، ف.أ.؛ زيلوديف، ن.إ. (2016). "النشاط البصري المرآوي للأسطح الفوقية غير الكيرالية" (ملف PDF) . رسائل الفيزياء التطبيقية . 108 (14): 141905. Bibcode : 2016ApPhL.108n1905P . doi : 10.1063/1.4944775 . hdl : 10220/40854 .
  12. ↑ سورما، م. أ.؛ شتشيبانياك، أ.؛ كروليتشيفسكي، ج. (2014). "دراسات مقارنة حول إعادة تكوين الأبوكروم b6 بمساعدة المنظفات في طبقات الليبوزومات الثنائية ، باستخدام أجهزة زتاسايزر" . PLOS ONE . 9 (11) e111341. Bibcode : 2014PLoSO...9k1341S . doi : 10.1371/journal.pone.0111341 . ISSN 1932-6203 . PMC 4244035. PMID 25423011 .   
  13. ↑ هول، ف.، ناش، أ.، رودجر، أ. (2014). "SSNN، طريقة لتركيب البنية الثانوية للبروتين باستخدام بيانات الاستقطاب الدائري" (ملف PDF) . الأساليب التحليلية . 6 (17): 6721-26 . doi : 10.1039/C3AY41831F . مؤرشف (ملف PDF) من الأصل بتاريخ 9 أكتوبر 2022.
  14. ↑ هول، ف.، ناش، أ.، هاينز، إ.، رودجر، أ. (2013). "توضيح البنية الثانوية للبروتين باستخدام الاستقطاب الدائري والشبكة العصبية". مجلة الكيمياء الحاسوبية . 34 (32): 2774-2786 . Bibcode : 2013JCoCh..34.2774H . doi : 10.1002/jcc.23456 . PMID: 24122928. S2CID : 19685126 .  
  15. ↑ ويتمور إل، والاس بي إيه (2008). "تحليلات البنية الثانوية للبروتين باستخدام مطيافية الاستقطاب الدائري: الطرق وقواعد البيانات المرجعية". البوليمرات الحيوية . 89 (5): 392-400 . doi : 10.1002/bip.20853 . PMID 17896349 . 
  16. ↑ غرينفيلد، ن. ج. (2006). " استخدام أطياف الاستقطاب الدائري لتقدير البنية الثانوية للبروتين" . بروتوكولات الطبيعة . 1 (6): 2876-2890 . doi : 10.1038/nprot.2006.202 . PMC 2728378. PMID 17406547 .  
  17. ↑ التفاعل بين المواد الحيوية وغير العضوية: دراسات آلية لتخليق المواد النانوية الموجهة بالبروتين. (5 مايو 2016). تم الاطلاع عليه في 1 مارس 2019، من الرابط: https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acs.jpcc.6b02569
  18. ↑ روديكوفا، إيكاترينا أ.؛ كوفاليفسكي، أوليغ ف.؛ مايوروف، سيرجي ج.؛ بودارينا، جانا إ.؛ مارشينكوف، فيكتور ف.؛ ميلنيك، بوغدان س.؛ ليتش، أندرو ب.؛ نيكيتين، ديمتري ف.؛ شليابنيكوف، مايكل ج.؛ سولونين، ألكسندر س. (2007-03-20). "يرتبط ثنائيان من HlyIIR بتكرار معكوس مثالي طويل في مُشغِّل جين الهيموليسين II من بكتيريا Bacillus cereus". رسائل FEBS . 581 (6): 1190-1196 . Bibcode : 2007FEBSL.581.1190R . doi : 10.1016/j.febslet.2007.02.035 . ISSN 0014-5793 . PMID 17346714 .  
  19. ↑ بيكر، إيرين شاميل؛ باورز، مايكل ت. (2007-07-01). "استقرار حلزون الحمض النووي B في بيئة خالية من المذيبات" . مجلة الجمعية الأمريكية لعلم قياس الطيف الكتلي . 18 (7): 1188-1195 . Bibcode : 2007JASMS..18.1188B . doi : 10.1016/j.jasms.2007.03.001 . ISSN 1879-1123 . PMID 17434745 .  
  20. ^ قبرص، ياروسلاف؛ كيجنوفسكا، إيفا؛ رينسيوك، دانيال؛ فورليكوفا ، ميكايلا (2009-04-01). "ازدواج اللون الدائري وتعدد الأشكال المطابق للحمض النووي" . أبحاث الأحماض النووية . 37 (6): 1713-1725 . دوى : 10.1093/nar/gkp026 . ISSN 0305-1048 . بمك 2665218 . بميد 19190094 .   
  21. ↑ ديل فيلار-غيرا، رافائيل؛ ترينت، جون أو.؛ ​​تشيرز، جوناثان ب. (2018). "البنية الثانوية لـ G-Quadruplex المستخلصة من مطيافية الاستقطاب الدائري" . Angewandte Chemie International Edition . 57 (24): 7171–7175 . Bibcode : 2018ACIE...57.7171D . doi : 10.1002/anie.201709184 . ISSN 1521-3773 . PMC 5920796. PMID 29076232 .   
  22. ↑ ساركار، سومانت، وريان بيهونين، وجون ج. جيبس. "استجابة كهروضوئية تعتمد على الشكل للمواد النانوية الحلزونية النشطة بالأشعة فوق البنفسجية". رسائل نانو (2019). https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.9b03274
  23. ↑ تيسكا، براندون م.؛ لي، سينثيا؛ وين، برادلي س.؛ آرثر، كيلي ك.؛ جيانغ، ييجيا؛ غابريلسون، جون ب. (2013-03-01). "مقارنة طرق تحليل التشابه الطيفي الكمي لتأكيد البنية العليا للبروتين". الكيمياء الحيوية التحليلية . 434 (1): 153-165 . doi : 10.1016/j.ab.2012.11.018 . ISSN 1096-0309 . PMID 23219560 .  
  24. ↑ دينه، نيكيتا ن.؛ وين، برادلي س.؛ آرثر، كيلي ك.؛ غابريلسون، جون ب. (2014-11-01). "مقارنة طيفية كمية باستخدام الفرق الطيفي المرجح لتأكيد البنية العليا للبروتين". الكيمياء الحيوية التحليلية . 464 : 60-62 . doi : 10.1016/j.ab.2014.07.011 . ISSN 1096-0309 . PMID 25051254 .  
  25. ↑ مركز أبحاث وتقييم الأدوية (15 يونيو 2022). "تطوير الأدوية الحيوية المماثلة للبروتينات العلاجية: تقييم تحليلي مقارن وإرشادات أخرى متعلقة بالجودة للصناعة" . www.fda.gov . تاريخ الاطلاع: 17 فبراير 2025 .
  26. ↑ رودجر، أليسون؛ تشاب، جويل ج. (2023)، "ثنائية اللون الدائرية وثنائية اللون الخطية" ، موسوعة الكيمياء التحليلية ، جون وايلي وأولاده المحدودة، ص 1-42 ، doi : 10.1002/9780470027318.a5402.pub3 ، ISBN  978-0-470-02731-8تم الاطلاع عليه بتاريخ 17 فبراير 2025
  27. ↑ ماسون، دبليو. روي (8 نوفمبر 2006). دليل عملي لطيفية الاستقطاب الدائري المغناطيسي . وايلي. doi : 10.1002/9780470139233 . ISBN 978-0-470-06978-3.
  28. ↑ مايلز، أ. ج.؛ جينز، روبرت و.؛ والاس، ب. أ. (2021-06-15). "أدوات وأساليب مطيافية الاستقطاب الدائري للبروتينات: مراجعة تعليمية" . مجلة الجمعية الكيميائية . 50 (15): 8400-8413 . doi : 10.1039/d0cs00558d . PMC 8328188. PMID 34132259 .  
  29. ↑ روكاتانو، دانيلو؛ كولومبو، جورجيو؛ فيوروني، ماركو؛ مارك، آلان إي. (17-09-2002). "آلية تثبيت مخاليط 2،2،2-ثلاثي فلوروإيثانول/الماء لتكوين البنية الثانوية في الببتيدات: دراسة ديناميكية جزيئية" . وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم . 99 (19): 12179-12184 . Bibcode : 2002PNAS...9912179R . doi : 10.1073 / pnas.182199699 . PMC 129418. PMID 12196631 .  
  30. ↑ كيركباتريك، دوغلاس؛ فين، مارغريت؛ يانغ، جينغيو؛ تري، مايكل (يوليو 2018). "تحليل الشوائب المتماثلة باستخدام مطيافية الاستقطاب الدائري مع طرق الكروماتوغرافيا السائلة وفقًا لدستور الأدوية الأمريكي" . مجلة التحليل الصيدلاني والحيوي . 156 : 366-371 . doi : 10.1016/j.jpba.2018.04.033 . ISSN 0731-7085 . PMC 6033541. PMID 29754067 .   
  31. ^ يو مايرهنريش. جي جي فيليبي؛ جيم مينيرت؛ جيه إتش بريدهوفت؛ ج. تاكاهاشي؛ ل. ناهون؛ إن سي جونز؛ إس في هوفمان (2010). "ازدواجية اللون الدائرية للأحماض الأمينية في منطقة الفراغ فوق البنفسجية" . أنجو. الكيمياء. كثافة العمليات. إد . 49 (42): 7799– 7802. بيب كود : 2010ACIE...49.7799M . دوى : 10.1002/anie.201003877 . بميد 20845349 .