振動円二色性

振動円二色性（VCD）は、サンプルを通過する左円偏光と右円偏光の減衰の差を検出する分光技術です。これは、円二色性分光法を赤外線および近赤外線領域に拡張したものです。 ^[1]

VCD は分子内の異なる基の相互配向に敏感なので、3 次元構造情報を提供します。したがって、エナンチオマーの VCD スペクトルをab initio計算を使用してシミュレートできるため、強力な手法であり、それによって VCD スペクトルから溶液中の小分子の絶対配置を特定できます。有機小分子のキラル特性から生じる VCD スペクトルのこのような量子計算には、密度汎関数理論(DFT) とゲージ包含原子軌道(GIAO) に基づくものがあります。VCD によって得られた実験結果の簡単な例として、重水溶液中の21 個のアミノ酸の炭素-水素 (CH) 伸縮領域内で得られたスペクトル データがあります。したがって、振動光学活性 (VOA) の測定は、小分子だけでなく、筋肉タンパク質 (ミオシンなど ) やDNAなどの大きくて複雑な生体高分子にも、さまざまな用途があります。

赤外線吸収に関連する基本的な量は双極子強度ですが、微分吸収は回転強度にも比例します。回転強度は電気および磁気双極子遷移モーメントの両方に依存する量です。円偏光に対する分子の利き手の感度は、回転強度の形状によって決まります。VCD の厳密な理論的展開は、南カリフォルニア大学の故 PJ Stephens 教授 (FRS) [ 2 ^{] [3]}と英国ケンブリッジ大学の AD Buckingham 教授 (FRS) のグループ^[4]によって同時に進められ、RD Amos によって Cambridge Analytical Derivative Package (CADPAC) で初めて解析的に実装されました^{[5] 。}オーストラリア国立大学の DP Craig と T. Thirmachandiman ^[6]およびシラキュース大学の Larry A. Nafie と Teresa B. Freedman ^[7]による以前の展開は理論的には正しかったものの、直接実装することができず、使用されていませんでした。 CADPAC に実装されている Stephens 形式論の開発によって初めて、キラル分子の VCD スペクトルの高速で効率的かつ理論的に厳密な理論計算が可能になりました。これにより、Biotools、Bruker、Jasco、Thermo-Nicolet (現在の Thermo-Fisher) による VCD 機器の商品化も促進されました。

溶液中のポリペプチドといくつかのタンパク質の両方について、広範な VCD 研究が報告されています。^{[8] [9] [10]最近のいくつかのレビューもまとめられています。 [11] [12] [13] [14]}広範囲ではあるが包括的ではない VCD 出版物リストも「参考文献」セクションに記載されています。過去 22 年間に発表されたレポートにより、VCD はタンパク質と核酸の 可視/UV 円二色性 (CD) または旋光分散(ORD)によって以前に得られた結果よりも優れた結果をもたらす強力な技術として確立されました。

アミノ酸やペプチドの構造（コンフォーマーと両性イオン種）の安定化に対する溶媒の影響と、振動円二色性（VCD）とラマン光学活性スペクトル（ROA）に見られる対応する影響は、L-アラニンとN-アセチルL-アラニンN'-メチルアミドに関する理論的および実験的研究の組み合わせによって最近文書化されました。^{[15] [16]同様の影響は、}ウィスコンシン大学マディソン校のワイズとワイシャーNMRグループによる核磁気共鳴（NMR）スペクトルでも確認されています。^[17]

ヌクレオチド、合成ポリヌクレオチド、および DNA を含むいくつかの核酸の VCD スペクトルが報告され、A-DNA、B-DNA、および Z-DNA に存在するヘリックスのタイプと数に基づいて割り当てられています。

VCDは比較的最近の技術であると言えます。振動光学活性、特に振動円二色性は古くから知られていましたが、最初のVCD機器が開発されたのは1973年^[18]で、市販の機器が利用可能になったのは1997年になってからでした^[19]。

タンパク質や核酸などのバイオポリマーの場合、左旋性構成と右旋性構成の吸光度の差は、対応する（非偏光）吸光度よりも 5 桁小さくなります。したがって、バイオポリマーの VCD には、非常に感度の高い、特別に構築された機器の使用と、そのような感度の高い VCD 分光計であっても、比較的長い時間間隔での時間平均化が必要です。ほとんどの CD 機器は、左円偏光と右円偏光の光を生成し、次に正弦波または矩形波に変調し、検出された信号の位相敏感検出とロックイン増幅を行います。FT-VCD の場合、光弾性変調器（PEM）が FTIR 干渉計セットアップと組み合わせて使用​​されます。一例として、VCD スペクトルの記録に必要な追加の偏光光学系/アクセサリを備えた Bomem モデル MB-100 FTIR 干渉計があります。干渉計のサイドポートから平行ビームが出て、最初にワイヤグリッド直線偏光子を通過し、次に八角形の ZnSe 結晶 PEM を通過します。PEM は、偏光ビームを 37.5 kHz などの固定の低周波数で変調します。ZnSe などの機械的に応力を受けた結晶は、隣接する圧電トランスデューサによって応力を受けると複屈折を示します。直線偏光子は、ZnSe 結晶軸の近くに、45 度の角度で配置されます。検出器に焦点を合わせた偏光放射は、PEM と干渉計セットアップの両方によって二重に変調されます。MCT (HgCdTe) などの非常に低ノイズの検出器も、VCD 信号位相敏感検出用に選択されます。市場に投入された最初の専用 VCD 分光計は、1997 年の Bomem/BioTools, Inc. の ChiralIR でした。今日、Thermo-Electron、Bruker、Jasco、および BioTools は、VCD アクセサリまたはスタンドアロンの計測機器を提供しています。^[20]検出器の飽和を防ぐために、適切な長波通過フィルターが超低ノイズMCT検出器の前に配置され、1750 cm ^{−1未満の放射線のみがMCT検出器に到達します。ただし、MCT検出器は750 cm −1}までの放射線のみを測定します。次に、選択されたサンプル溶液のFT-VCDスペクトルの蓄積が実行され、インラインコンピューターによってデジタル化および保存されます。さまざまなVCD方法を比較したレビューも公開されています。^{[21] [22]}

VCDスペクトルは外部磁場を印加した状態でも報告されている。^[23]この方法は小分子のVCDスペクトル分解能を高めることができる。^{[24] [25] [26] [27] [28]}

ROA はVCD を補完する技術であり、特に 50～1600 cm ^{−1 のスペクトル領域で有用であり、600 cm −1}未満の光子エネルギーの光学活性を決定するための最適な技術と考えられています。