線二色性

線二色性（LD）または二減衰は、配向軸に平行に偏光した光の吸収と垂直に偏光した光の吸収の差です。 ^{[1]これは、入射する}直線偏光の方向に応じて透過率が変化する物質の特性です。技術としては、主に分子の機能性と構造を研究するために使用されます。LD測定は物質と光の相互作用に基づいているため、電磁分光法の一種です。

この効果はEM スペクトル全体に適用されており、さまざまな波長の光でさまざまな化学システムを調べることができます。LD は現在、主に生体高分子( DNAなど) や合成ポリマーの研究に使用されています。

LD は直線偏光を使用します。直線偏光とは、一方向にのみ偏光された光です。これにより、波、つまり電場ベクトルが生成されます。この波は 1 つの平面でのみ振動し、光が空間を進むときに典型的な正弦波の形になります。配向方向に平行な光と垂直な光を使用することで、分子の 1 つの次元で吸収されるエネルギーが他の次元に比べてどれだけ多いかを測定することができ、実験者に情報を提供します。

光が調査対象の分子と相互作用すると、分子が光を吸収し始めると、電子が光励起されて分子内の電子密度が変化します。この電荷の移動は電子遷移と呼ばれ、その方向は電気遷移分極と呼ばれます。LD はこの特性を測定するものです。

配向分子の LD は次の式を使用して計算できます。

LD = A _║ - A _┴

ここで、A _{║ は}配向軸に平行な吸光度であり、A _{┴ は}配向軸に垂直な吸光度です。

LD 信号を生成するために、任意の波長の光が使用できることに注意してください。

したがって、生成される LD 信号には、生成可能な信号に対する 2 つの制限があります。電気遷移が配向軸と平行である化学システムの場合、次の式で表すことができます。

LD = A _║ - A _┴ = A _║ > 0

ほとんどの化学システムでは、これは分子の長さにわたって分極した電気遷移（つまり、配向軸に平行）を表します。

あるいは、電気遷移分極は分子の方向に対して完全に垂直であることがわかり、次の式が生成されます。

LD = A _║ - A _┴ = - A _┴ < 0

この式は、電気遷移が分子の幅にわたって分極している場合（つまり、配向軸に垂直である場合）に記録される LD 信号を表します。LD の場合、これは 2 つの調査可能な軸のうち小さい方です。

したがって、LD は 2 つの方法で使用できます。流れの中の分子の方向^{[説明が必要]}がわかっている場合、実験者は分子の分極の方向を調べることができます (これにより、分子の化学構造についての洞察が得られます)。分極の方向が不明な場合は、分子が流れの中でどのように方向付けられているかを調べる手段として使用できます。

紫外線 (UV) LD は、通常、生物学的分子、特にNMRやX 線回折などの方法では構造を決定するのが難しい大きくて柔軟な長い分子の分析に使用されます。

DNAはUV LD検出にほぼ理想的です。分子は非常に長くて薄いため、流れの中で配向するのが非常に簡単です。これにより、強力なLD信号が発生します。UV LDを使用して研究されているDNAシステムには、DNA酵素複合体とDNAリガンド複合体があり、^[2]後者の形成は運動実験を通じて簡単に観察できます。

アルツハイマー病に関与するタンパク質やプリオンタンパク質などの繊維状タンパク質は、細長い分子のクラスであるという点でUV LDの要件を満たしています。さらに、細胞骨格タンパク質^[3]もLDを使用して測定できます。

膜タンパク質の脂質膜への挿入はLD を使用して監視されており、実験者はさまざまな時点での脂質膜に対するタンパク質の向きに関する情報を得ることができます。

さらに、カーボンナノチューブ^[4]やそれに関連するリガンド複合体など、他の種類の分子もUV LDによって分析されています。

クエットフロー配向システムは、UV LD のサンプル配向に最も広く使用されている方法です。サンプルの配置方法として非常に適した多くの特性を備えています。クエットフローは現在、溶液相で分子を配向する唯一の確立された方法です。この方法では、LD スペクトルを生成するために非常に少量の分析サンプル (20 - 40 μL) しか必要としません。サンプルの一定の再循環はシステムのもう 1 つの便利な特性であり、各サンプルで何度も繰り返し測定できるため、最終的に記録されたスペクトルに対するノイズの影響が軽減されます。

操作方法は非常にシンプルで、サンプルは回転するチューブと固定ロッドの間に挟まれます。サンプルがセル内で回転すると、光線がサンプルに照射され、平行吸光度は水平偏光から計算され、垂直吸光度は垂直偏光から計算されます。クエットフロー UV LD は現在、LD 配向の唯一の市販手段です。

延伸フィルム線二色性は、サンプル分子をポリエチレンフィルムに組み込むことに基づく配向法です。^[5] 次にポリエチレンフィルムを延伸すると、フィルム上のランダムに配向した分子がフィルムの動きに「追従」します。フィルムを延伸すると、サンプル分子は延伸方向に配向されます。

LD は円二色性(CD)と非常によく似ていますが、2 つの重要な違いがあります。(i) CD 分光法は円偏光を使用するのに対し、LD は直線偏光を使用します。(ii) CD 実験では、分子は通常溶液中で自由であるため、ランダムに配向しています。したがって、観察されるスペクトルは、溶液中の分子のキラルまたは非対称性のみの関数になります。生体高分子の場合、CD は二次構造を決定するのに特に役立ちます。対照的に、LD 実験では、分子は優先配向を持っている必要があり、そうでない場合は LD=0 になります。生体高分子の場合、流動配向がよく使用され、他の方法には、伸張フィルム、磁場、および圧縮ゲルが含まれます。したがって、LD は、表面上の配列や流動配向高分子への小分子の結合などの情報を提供し、他の分光技術とは異なる機能を付与します。 LDとCDの違いは相補的であり、両者を組み合わせて使用​​することで生物学的分子の構造を解明する強力な手段となり、技術の組み合わせにより、単独の技術よりもはるかに多くの情報が明らかになります。たとえば、CDは膜ペプチドまたはタンパク質がいつ折り畳まれるかを教えてくれますが、LDはそれが膜にいつ挿入されるかを教えてくれます。^[6]

蛍光検出直線二色性（FDLD）は、UV LDの利点を兼ね備えながら蛍光発光の共焦点検出も提供するため、実験者にとって非常に有用な技術です。 ^[7] FDLDは顕微鏡に応用されており、微分偏光分光法（DPS）による2次元表面マッピングの手段として使用できます。DPSでは、スキャンされたオブジェクトの異方性により画像を記録できます。FDLDは、インターカレーション蛍光染料（UV LDを使用して監視することもできます）と組み合わせて使用​​​​することもできます。蛍光読み取り用の2種類の偏光間で記録された強度差は、UV LD信号に比例するため、DPSを使用して表面を画像化できます。