Линейный дихроизм - Linear dichroism

Линейный дихроизм (LD) или диаттенуация разница между поглощение света поляризованный параллельна и поляризована перпендикулярно оси ориентации.[1] Это свойство материала, коэффициент пропускания зависит от ориентации линейно поляризованный свет падает на него. Как метод, он в основном используется для изучения функциональности и структуры молекулы. Измерения LD основаны на взаимодействии между веществом и светом и, таким образом, представляют собой форму электромагнитного спектроскопия.

Этот эффект был применен к ЭМ спектр, где разные длины волн света может исследовать множество химических систем. Преобладающее использование LD в настоящее время находится в изучении биологическихмакромолекулы (например. ДНК ) а также синтетические полимеры.

Основная информация

Линейная поляризация

LD использует линейно поляризованный свет, который был светом поляризованный только в одном направлении. Это создает волну, вектор электрического поля, который колеблется только в одной плоскости, что дает начало классическому синусоидальная волна форма, когда свет проходит через пространство. Используя свет, параллельный и перпендикулярный направлению ориентации, можно измерить, насколько больше энергии поглощается в одном измерении молекулы относительно другого, предоставляя информацию экспериментатору.

Поскольку свет взаимодействует с исследуемой молекулой, если молекула начнет поглощать свет, тогда электронная плотность внутри молекулы будет смещена, поскольку электрон становится возбужденный. Это движение заряда известно как электронный переход, направление которого называется поляризацией электрического перехода. Это свойство, для которого LD является мерой.

LD ориентированной молекулы можно рассчитать с помощью следующего уравнения:

LD = A║- А┴

Где║ это поглощение параллельно оси ориентации и A┴ - оптическая плотность, перпендикулярная оси ориентации.

Обратите внимание, что для генерации LD-сигнала можно использовать свет любой длины волны.

Таким образом, генерируемый LD-сигнал имеет два ограничения на сигнал, который может быть сгенерирован. Для химической системы, электрический переход которой параллелен оси ориентации, можно записать следующее уравнение:

LD = A║- А┴ = А║ > 0

Для большинства химических систем это представляет собой электрический переход, поляризованный по длине молекулы (т. Е. Параллельно оси ориентации).

В качестве альтернативы можно найти, что поляризация электрического перехода совершенно перпендикулярна ориентации молекулы, что дает следующее уравнение:

LD = A║- А┴ = - А┴ < 0

Это уравнение представляет собой сигнал LD, зарегистрированный, если электрический переход поляризован по ширине молекулы (т.е. перпендикулярно оси ориентации), которая в случае LD является меньшей из двух исследуемых осей.

Следовательно, LD можно использовать двумя способами. Если ориентация молекул в потоке[требуется разъяснение ] известно, то экспериментатор может взглянуть на направление поляризации в молекуле (что дает представление о химической структуре молекулы), или, если направление поляризации неизвестно, его можно использовать как средство определения того, как ориентирована в молекуле. поток молекулы есть.

УФ линейный дихроизм

Ультрафиолетовый (УФ) LD обычно используется при анализе биологических молекул, особенно больших, гибких, длинных молекул, которые сложно определить структурно такими методами, как ЯМР и дифракция рентгеновских лучей.

ДНК

ДНК почти идеально подходит для обнаружения УФ-ЛД. Молекула очень длинная и очень тонкая, что позволяет легко ориентироваться в потоке. Это дает сильный сигнал LD. Системы ДНК, которые были изучены с использованием УФ-ЛД, включают ДНК-фермент комплексы и ДНК-лиганд комплексы,[2] образование последнего легко наблюдать в кинетических экспериментах.

Волокнистый белок

Волокнистые белки, такие как белки, участвующие в болезни Альцгеймера и прион Белки удовлетворяют требованиям УФ-ЛД в том смысле, что они представляют собой класс длинных и тонких молекул. К тому же, цитоскелет белки[3] также можно измерить с помощью LD.

Мембранные белки

Включение мембранные белки в липидная мембрана контролировали с помощью LD, предоставляя экспериментатору информацию об ориентации белка относительно липидной мембраны в различные моменты времени.

Кроме того, другие типы молекул были проанализированы УФ-ЛД, в том числе углеродные нанотрубки[4] и связанные с ними лигандные комплексы.

Методы совмещения

Поток Куэтта

В Поток Куэтта Система ориентации - наиболее широко используемый метод ориентации образца для УФ ЛД. Он обладает рядом характеристик, которые делают его очень подходящим в качестве метода выравнивания образцов. Течение Куэтта в настоящее время является единственным известным средством ориентации молекул в фазе раствора. Для этого метода также требуется очень небольшое количество анализируемой пробы (20-40 мкл), чтобы получить спектр LD. Постоянная рециркуляция пробы - еще одно полезное свойство системы, позволяющее проводить много повторных измерений каждой пробы, уменьшая влияние шума на окончательный записанный спектр.

Его режим работы очень прост: образец зажат между вращающейся трубкой и неподвижным стержнем. Когда образец вращается внутри ячейки, световой луч проходит через образец, параллельное поглощение рассчитывается из горизонтально поляризованного света, перпендикулярное поглощение из вертикально поляризованного света. Куэтт Flow UV LD в настоящее время является единственным коммерчески доступным средством ориентации LD.

Растянутая пленка

Линейный дихроизм растянутой пленки - это метод ориентации, основанный на встраивании молекул образца в полиэтиленовую пленку.[5] Затем полиэтиленовую пленку растягивают, заставляя произвольно ориентированные молекулы на пленке «следовать» за движением пленки. Растяжение пленки приводит к ориентации молекул образца в направлении растяжения.

Связанные методы

Круговой дихроизм

LD очень похож на Круговой дихроизм (CD), но с двумя важными отличиями. (i) CD-спектроскопия использует свет с круговой поляризацией, тогда как LD использует линейно поляризованный свет. (ii) В экспериментах с CD молекулы обычно свободны в растворе, поэтому они ориентированы случайным образом. Тогда наблюдаемый спектр является функцией только хиральный или асимметричный характер молекул в растворе. С биомакромолекулами CD особенно полезен для определения вторичной структуры. Напротив, в экспериментах LD молекулы должны иметь преимущественную ориентацию, иначе LD = 0. С биомакромолекулами часто используется ориентация потока, другие методы включают растянутые пленки, магнитные поля и сжатые гели. Таким образом, LD дает такую ​​информацию, как выравнивание на поверхности или связывание небольшой молекулы с ориентированной в поток макромолекулой, наделяя ее функциональностью, отличной от других спектроскопических методов. Различия между LD и CD дополняют друг друга и могут быть мощным средством для выяснения структуры биологических молекул при использовании в сочетании друг с другом, комбинация методов раскрывает гораздо больше информации, чем один метод в отдельности. Например, CD сообщает нам, когда мембранный пептид или белок сворачивается, тогда как LD сообщает, когда он вставляется в мембрану.[6]

Обнаружена флуоресценция Линейный дихроизм

Флуоресценция -детектируемый линейный дихроизм (FDLD) - очень полезный метод для экспериментатора, поскольку он сочетает в себе преимущества УФ-ЛД, а также предлагает конфокальный обнаружение флуоресцентного излучения.[7] FDLD находит применение в микроскопии, где может использоваться как средство двумерного картирования поверхности с помощью дифференциальной поляризационной спектроскопии (DPS), где анизотропия сканированного объекта позволяет записать изображение. FDLD также может использоваться вместе с вставка флуоресцентные красители (которые также можно контролировать с помощью УФ-ЛД). Разница в интенсивности, регистрируемая между двумя типами поляризованного света для считывания флуоресценции, пропорциональна УФ-сигналу LD, что позволяет использовать DPS для изображения поверхностей.

использованная литература

  1. ^ Бенгт Норден, Элисон Роджер и Тимоти Даффорн Линейный дихроизм и круговой дихроизм. Учебник по спектроскопии поляризованного света. ISBN  978-1-84755-902-9. Королевское химическое общество - Лондон, 2010 г.
  2. ^ Хэннон, М.Дж., Морено, В., Прието, М.Дж., Мольдерхейм, Э., Слеттен, Э., Мейстерманн, И., Исаак, К.Дж., Сандерс, К.Дж., Роджер, А. «Внутримолекулярное свертывание ДНК, опосредованное супрамолекулярным металлом ”Angewandte Chemie, 2001, 40, 879−884
  3. ^ Элейн Смолл, Рэйчел Маррингтон, Элисон Роджер, Дэвид Дж. Скотт, Кэтрин Слоан, Дэвид Ропер, Тимоти Р. Даффорн и Стивен Дж. Аддиналл. Объединение полимеров FtsZ в пакеты с помощью Escherichia coli ZapA Orthologue, YgfE, включает изменение конформации в привязанном GTP '2007, Журнал молекулярной биологии, 369: 210-221.
  4. ^ Элисон Роджер, Рэйчел Маррингтон, Майкл А. Гивз, Мэтью Хикс, Лахари де Алвис, Дэвид Дж. Хэлсолл и Тимоти Р. Даффорн «Взгляд на длинные молекулы в растворе: что происходит, когда они подвергаются воздействию потока Куэтта?» 2006, Physical Chemistry Химическая физика, 8: 3161-3171.
  5. ^ Хайнц Фальк, Гюнтер Формайр, Леон Маргулис, Стефани Мец и Иегуда Мазур «Исследование линейного дихроизма пиррометен-, пиррометенон- и билатриен-abc-производных» 1986, Monatshefte fur Chemie, 117: 849-858.
  6. ^ Hicks, M.R .; Damianoglou, A .; Роджер, А .; Dafforn, T.R .; «Сворачивание и внедрение в мембрану порообразующего пептида грамицидина происходит как согласованный процесс» Journal of Molecular Biology, 2008, 383, 358-366
  7. ^ Габор Штайнбах, Иштван Помози, Отто Зирос, Анико Пай, Габор В. Хорват, Гьозо Гараб «Визуализация флуоресценции обнаружила линейный дихроизм стенок растительных клеток в лазерном сканирующем конфокальном микроскопе» 2008, Cytometry Part A, 73A: 202-208.