Messung des Zirkulardichroismus

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Grundlegendes zum Zirkulardichroismus (CD)

Zirkulardichroismus (CD) ist ein faszinierendes Phänomen, das uns erlaubt, einen tiefen Blick in die Welt der chiralen (optisch aktiven) Moleküle zu werfen. Der Schlüssel zum Verständnis des Zirkulardichroismus liegt in der Interaktion von chiralen Molekülen mit zirkular polarisiertem Licht. Stell dir vor, Licht kann neben seiner bekannten Wellennatur auch wie eine spiralförmig drehende Welle voranschreiten - einmal im Uhrzeigersinn (rechtszirkular polarisiert) und einmal gegen den Uhrzeigersinn (linkszirkular polarisiert). Chirale Moleküle zeigen nun eine besondere Eigenschaft: Sie absorbieren rechts- und linkszirkular polarisiertes Licht unterschiedlich stark. Diese unterschiedliche Absorption liefert uns wertvolle Informationen über die dreidimensionale Struktur und Chiralität eines Moleküls, ohne dass es in seiner natürlichen Umgebung gestört wird.

Das Prinzip des Zirkulardichroismus1

Wie funktioniert ein CD-Spektrometer?

Ein CD-Spektrometer, auch Dichrograph genannt, ist ein ausgeklügeltes Instrument, das darauf ausgelegt ist, diese feinen Unterschiede in der Lichtabsorption präzise zu messen. Es besteht aus einer sorgfältig abgestimmten Reihe von Komponenten:

  • Lichtquelle: Am Anfang steht eine Lichtquelle, die Licht aussendet. Dieses Licht ist zunächst noch nicht polarisiert.
  • Monochromator: Das von der Lichtquelle emittierte Licht wird durch den Monochromator geleitet. Dieser filtert das Licht, so dass nur monochromatisches Licht (Licht einer einzigen Wellenlänge) ausgesendet wird.
  • Polarisator: Das monochromatische Licht wird anschließend durch einen Polarisator geleitet, der das Licht linear polarisiert. Das heißt, das Licht schwingt nur in einer Ebene.
  • Modulator: Eine zentrale Rolle spielt der Modulator. Er wandelt das linear polarisierte Licht in zirkular polarisiertes Licht um, und zwar sowohl in rechts- als auch in linkszirkular polarisiertes Licht.
  • Probe: Die eigentliche Messung findet statt, indem die Probe mit diesem zirkular polarisierten Licht bestrahlt wird. Die Probe absorbiert den einen Lichttyp stärker als den anderen, abhängig von ihrer chiralen Natur.
  • Photomultiplier: Das Licht, das die Probe durchquert hat, erreicht schließlich den Photomultiplier. Dieser detektiert das durchgelassene Licht und verstärkt das Signal.

Was sagt uns das CD-Spektrum?

Das CD-Spektrum eines Moleküls ist gleichsam sein optischer Fingerabdruck und trägt eine Menge Information in sich. Einige Schlüsselkonzepte sind:

  • Absorptionsmaxima: Diese markieren die Wellenlängen, bei denen die Absorption von rechts- oder linkszirkular polarisiertem Licht maximal ist. Sie geben Aufschluss über die optischen Eigenschaften der Probe.
  • Elliptizität: Änderungen in der Elliptizität über verschiedene Wellenlängen geben Einblicke in die molekulare Struktur und die chirale Umgebung innerhalb der Probe.
  • Nullpunkte und Cotton-Effekt: Die Stellen, an denen das CD-Spektrum die Nulllinie kreuzt, sowie die besondere Form des Cotton-Effekts, der charakteristische Peaks im Spektrum darstellt, sind essenziell für die Interpretation der Chiralität und Stereochemie der untersuchten Moleküle.
Warum ist der Cotton-Effekt wichtig?

Der Cotton-Effekt ist ein kritischer Indikator für die Anwesenheit und Natur chiraler Zentren in einem Molekül. Durch die Analyse dieses Effekts und seine Relation zur Wellenlänge können Wissenschaftler wertvolle Einblicke in die atomiche Anordnung und die spezifische Konfiguration chiraler Moleküle gewinnen.

Anwendungsbereiche der CD-Spektroskopie

Die CD-Spektroskopie findet breite Anwendung in der Chemie, Biochemie und Pharmazie zur Aufklärung der absoluten Konfiguration stereogener Zentren, zur Untersuchung der Sekundärstruktur von Proteinen und Polypeptiden und zur Qualitätskontrolle chiraler Arzneistoffe. Insbesondere im Bereich der Arzneimittelforschung liefert die CD-Spektroskopie unersetzliche Informationen über die räumliche Anordnung atomarer Gruppierungen, was für die Entwicklung neuer Medikamente von entscheidender Bedeutung ist.

Zusammenfassung

  • Aufbau und Funktionsweise eines Dichrographen: Ein Dichrograph, verwendet für Zirkulardichroismus-Messungen, umfasst eine Lichtquelle, einen Monochromator, einen Polarisator, einen Modulator, die Probe und einen Photomultiplier.
  • Grundprinzip des Zirkulardichroismus (CD): Zirkulardichroismus tritt auf, wenn chirale Substanzen links- und rechtszirkular polarisiertes Licht unterschiedlich absorbieren, was Rückschlüsse auf die absolute Konfiguration und dreidimensionale Struktur des Analyten erlaubt.
  • Interpretation von CD-Spektren: Die Unterschiede in der Absorption von links- und rechtszirkular polarisiertem Licht ergeben charakteristische CD-Spektren, wobei das Spektrum eines Enantiomers das gespiegelte Bild des anderen ist.
  • Cotton-Effekt: Ein charakteristisches Signal in CD-Spektren, das aus zwei entgegengesetzten Maxima besteht und Aufschluss über die Konfiguration von chiralen Substanzen gibt.
  • Anwendungsbereiche: Zirkulardichroismus wird unter anderem in der Strukturbiologie eingesetzt, um Sekundärstrukturen von Proteinen zu untersuchen und in der Chemie zur Aufklärung chiraler Moleküle.

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Footnotes

  1. Credits Das Prinzip des Zirkulardichroismus Grafik: Auto unbekannt. Fffred~commonswiki assumed (based on copyright claims)., Circular dichroism, als gemeinfrei gekennzeichnet, Details auf Wikimedia Commons↩︎