线性二色性

线性二色性（英語：Linear dichroism，简称LD）是主要用于研究分子功能和结构的光谱技术。LD可以通过平行或垂直于一个取向方向轴的光吸收的差异测得^[1]。LD的测量基于光和物质之间的相互作用，是电磁光谱的一种形式，如今主要应用在研究生物高分子（如DNA）及人工合成的聚合物方面。

基本原理

线性偏振

LD是使用线性偏振光，即被偏振（极化）仅在一个方向上波动的光。光产生的波由仅在一个面内振动的电场向量，使光以典型的正弦曲线形式传播通过空间。通过使用平行和垂直于分子取向方向的偏振光，可以测量某一个一维的分子相对于其他分子多吸收了多少能量，为实验主义者提供了信息。

已知光和分子的相互作用，当分子开始吸收光，由于电子被光子激发，能级升高，进入分子的光强将发生变化。这个电子变化称为电子跃迁，其方向称为电子跃迁极化。LD测量正是依据这个性质。

一个取向分子的LD值可以被下列等式计算： LD = A║- A┴ ， A║是平行于取向轴的光吸收，A┴ 是垂直于取向轴的光吸收。

注意：任何波长的光可被用于产生LD信号。

LD信号因此有两个极限。对于一个电子跃迁方向平行于取向轴的化学系统，可写作下式：

LD = A║- A┴ = A║ > 0

对大部分化学系统这代表电跃迁极化顺着分子的长度（即，平行于取向轴）。

或者，电子跃迁极化可被视为完全垂直于分子的取向，给出下式：

LD = A║- A┴ = - A┴ < 0

这个等式代表记录到的LD信号是电跃迁极化顺着分子的宽度（即，垂直于取向轴），是两个轴中较小的一个。

因而，LD可用在两个方面。如果已知分子在流动中的取向，实验者可观测分子极化（偏振化）的方向，进而考虑分子的化学结构；或者如果极化方向是已知的，则可用来测定分子在流动中的取向。

对大分子而言，一些定性的信息如发色基在空间中如何取向可以通过LD信号简单的获得。而分子取向多数情况下遵循这样一个定量的描述：

${\displaystyle LD^{r}={\frac {LD}{A}}={\frac {A\rVert -A\bot }{A}}={\frac {3}{2}}S(3cos^{2}\alpha -1)}$ 

这里LD^r是 所谓的简化LD。S是一个比例常数（取向因子），对完美取向来说S=1，对随机取向来说S=0，决定了宏观取向的效率。α是特定波长吸 收光产生 的跃迁矩和参考系坐标轴的夹角（如果有在同一波长有多个跃迁吸收那么取平均值）。A是在各项同性溶液中的吸收度，即无定向条件下。注意：A、A║、A┴和 LD一样有相同的浓度c和厚度l。因此我们不需要知道样品的浓度和厚度。

此方程表明在任何取向系统，跃迁矩和参考坐标轴有夹角α，则在以轴为中心形成圆锥上的可能性相等。例如发色团沿着一个螺旋结构存在。

若样品满足宏观上单轴的条件，如在聚合物薄膜上向一个方向拉伸或者存在于电场中的极性分子，A║、A┴和A有一个简单的关系，使得不需要同时测定这三个量。

A=1/3(A║+ 2A┴)

紫外线二色光谱

UV LD

有一部分生物分子，特别是大型的，易弯曲的，长的分子，通过如NMR和X光衍射法较难判定结构。UV LD（200-400nm）是应用于分析此类分子的代表性方法。尤其是测定DNA构型和药物-DNA系统的几何键合情况。

测定DNA的基本理论

DNA非常适合于UV LD测定，分子很长且薄，使得它很容易在流动中取向，产生强烈的LD信号。用UV LD测定的DNA系统包括DNA-酶复合物和DNA-配体复合物^[2]，后者的构成易通过动力学实验观察。

核酸吸收和LD谱容易在UV区（最小到180-190nm）处测得，这是被嘌呤和嘧啶的π→π^*所控制，此跃迁均于碱基平面内极化。

DNA配体键合

一 旦明白了DNA自身取向，下一步就是运用LD来探测DNA和小配体分子的键合和取向情况。一个关键的LD研究特性是如果没有明确的键合，就没有配体跃迁的 LD。相反，假象的配体LD信号从吸收带中的消失证实了配体的键合。尽管LD不能告诉我们配体在何处和DNA键合，但它可用来测定配体的取向（如果配体跃 迁矩已知）。这经常给键合模式提供有意义的线索。配体和DNA的键合可以以多种形式，包括对序列和取向的考虑。一般而言以以下几种形式：

• 外部：键合在磷酸骨架上：这种模式的取向是不确定的而且引起的LD（和CD）信号很小。
• 夹层：键合在DNA碱基之间：这种模式需要平面状分子，DNA链解开，在临近的碱基对之间打开一个口子，配体像三明治一样的夹在其中。
• 在小槽中：这种模式被芳香型分子经常采用，包括有一定旋转自由度的核内键合。例如，长分子如纺锤菌素，偏段霉素，烟酸已可碱33258和DAPI（4',6二脒基-2-苯吲哚盐酸),可以顺着槽的曲率紧密结合在小槽内，太大而不能夹层的分子更喜欢这种键合模式。这些分子的长轴和DNA螺旋轴夹角α=45°，短轴与螺旋轴垂直（平行于碱基对）。
• 在大槽中：这种键合模式在多种调整蛋白中被发现，大槽有足够的空间使小配体分子在其中有多种取向。

LD较多应用在上述的第2，3种情况中。实际实验中，通常使用ct-DNA，A-T碱基聚合物，G-C碱基聚合物。分别测定ct-DNA的LD^r，ct-DNA和配体混合后的的LD^r,(A-T)_n和配体混合后的LD^r值，及(G-C)_n和配体混合后的LD^r值。通过纯DNA的LD^r，代入公式求出S（其中α=90°，即碱基对与螺旋轴的夹角），再分别由三种混合物的LD^r值，代入S，求得α，通过夹角判定键合模式。

多肽

典型的多肽吸收光谱在180-240nm区域内显示由三种电子跃迁决定的特征：酰胺残基在200nm周围的两个从π到π*的强烈激发跃迁矩，和一个220nm周围从n到π*的弱激发跃迁矩。对α螺旋的多肽来说，一个组分（210nm）顺着螺旋轴方向，另一个（190nm）垂直于螺旋轴。如果n→π*跃迁是由于一个只包含碳的发色基，它的偶极矩变化为0。对多肽来说，酰胺发色基的不对称性导致了π轨道的偶合，跃迁需要一些电特性和每个残基上的电子跃迁偶极矩。

可以通过拉伸在二氧化硅面上的潮湿薄膜定向聚L-谷氨酸并测定A║和A┴。A║指偏振光平行于薄膜拉展方向，这个方向可能和细丝状的α螺旋多肽分子更倾向的取向方向相同（螺旋轴）。

校准方法

即将分子排布方向保持一致的方法

库埃特流

库埃特流取向系统是应用最广泛的UV LD样品取向方法，是现在仅有的确立溶液相中平均分子取向的方法。此方法只需要极少量的样品（20-40微升）用于分析LD光谱。系统的另一个优点是对样品的循环使用，允许对每个样品的重复测定，减少了最终录得谱的背景噪声影响。

它的操作模式非常简单，将样品放在一个旋转的管和一个固定棒之间。样品在管中不断旋转，光束照射通过样品，从水平偏振光计算得平行吸收，从垂直偏振光计算得垂直吸收。库埃特流UV LD是现在唯一商业上适用的平均LD取向方法

拉伸薄膜

拉伸薄膜线二色性谱是基于合并样品分子和聚乙烯薄膜^[3]的取向方法。拉伸聚乙烯薄膜导致原本随机取向的分子'跟随'薄膜的运动。薄膜的拉伸导致样品分子和拉伸方向取向一致。

相关技术

• 圆二色性
• 环性二色谱
• 荧光探测线二色谱
• 红外线二色谱
• X光线二色谱显微镜法

参考书目

1. Alison Rodger and Bengt Nordén, Circular Dichroism and Linear Dichroism (1997) Oxford University Press, Oxford, UK. ISBN 019855897X.
2. Hannon, M.J., Moreno, V., Prieto, M.J., Molderheim, E., Sletten, E., Meistermann, I., Isaac, C.J., Sanders, K.J., Rodger, A. “Intramolecular DNA coiling mediated by a metallo supramolecular cylinder” Angewandte Chemie, 2001, 40, 879−884
3. Heinz Falk, Gunther Vormayr, Leon Margulies, Stephanie Metz and Yehuda Mazur ‘A Linear Dichroism Study of Pyrromethene-, Pyrromethenone- and Bilatriene-abc-Derivates’ 1986, Monatshefte fur Chemie, 117 : 849-858.