El dicroismo circular ( CD ) es un dicroismo que involucra luz polarizada circularmente , es decir, la absorcióndiferencial de la luz de la mano izquierda y la mano derecha . [1] [2] La luz polarizada circular izquierda (LHC) y circular derecha (RHC) representa dos estados de momento angular de giro posibles para un fotón, por lo que el dicroismo circular también se conoce como dicroismo para el momento angular de giro. [3] Este fenómeno fue descubierto por Jean-Baptiste Biot , Augustin Fresnel y Aimé Cotton en la primera mitad del siglo XIX. [4]Se exhibe en las bandas de absorción de moléculas quirales ópticamente activas . La espectroscopia de CD tiene una amplia gama de aplicaciones en muchos campos diferentes. En particular, UV CD se utiliza para investigar la estructura secundaria de las proteínas. [5] El CD UV / Vis se utiliza para investigar las transiciones de transferencia de carga . [6] El CD de infrarrojo cercano se usa para investigar estructuras geométricas y electrónicas al sondear transiciones metal d → d . [2] Dicroismo vibracional circular. , que utiliza la luz de la región de energía infrarroja , se utiliza para estudios estructurales de pequeñas moléculas orgánicas, y más recientemente proteínas y ADN.
Principios físicos [ editar ]
Polarización circular de la luz [ editar ]
La radiación electromagnética consiste en un campo eléctrico (E) y magnético (B) que oscilan perpendiculares entre sí y en la dirección de propagación, [7] una onda transversal . Mientras linealmente polarizadola luz se produce cuando el vector del campo eléctrico oscila solo en un plano, la luz polarizada circularmente ocurre cuando la dirección del vector del campo eléctrico gira alrededor de su dirección de propagación, mientras que el vector mantiene una magnitud constante. En un solo punto en el espacio, el vector polarizado circularmente trazará un círculo durante un período de la frecuencia de onda, de ahí el nombre. Los dos diagramas a continuación muestran los vectores eléctricos de la luz polarizada lineal y circularmente, en un momento del tiempo, para un rango de posiciones; la gráfica del vector eléctrico polarizado circularmente forma una hélice a lo largo de la dirección de propagación (k). Para la luz polarizada circularmente a la izquierda (LCP) con propagación hacia el observador, el vector eléctrico gira hacia la izquierda . [2] Para la luz polarizada circularmente hacia la derecha (RCP), el vector eléctrico gira en sentido horario.
Interacción de la luz polarizada circularmente con la materia [ editar ]
Cuando la luz polarizada circularmente pasa a través de un medio ópticamente activo absorbente, las velocidades entre las polarizaciones derecha e izquierda difieren (c L ≠ c R ), así como su longitud de onda (λ L ≠ λ R ) y la medida en que se absorben (ε L ≠ ε R ). Dicroísmo circular es la diferencia Δε ≡ ε L - ε R . [5] El campo eléctrico de un haz de luz provoca un desplazamiento lineal de carga cuando interactúa con una molécula ( dipolo eléctrico ), mientras que su campo magnético provoca una circulación de carga ( dipolo magnético).). Estos dos movimientos combinados causan una excitación de un electrón en un movimiento helicoidal, que incluye la traslación y la rotación y sus operadores asociados . La relación determinada experimentalmente entre la resistencia rotacional (R) de una muestra y la Δε está dada por
La fuerza de rotación también se ha determinado teóricamente,
Vemos a partir de estas dos ecuaciones que para tener un valor distinto de cero , los operadores de momento dipolo eléctricos y magnéticos ( y ) Debe transformarse como la misma representación irreducible . y son los únicos grupos de puntos donde esto puede ocurrir, haciendo que solo las moléculas quirales CD estén activas.
En pocas palabras, dado que la luz polarizada circularmente en sí misma es "quiral", interactúa de manera diferente con las moléculas quirales . Es decir, los dos tipos de luz polarizada circularmente se absorben en diferentes grados. En un experimento de CD, cantidades iguales de luz polarizada circularmente hacia la izquierda y hacia la derecha de una longitud de onda seleccionada se irradian alternativamente en una muestra (quiral). Una de las dos polarizaciones se absorbe más que la otra, y se mide esta diferencia de absorción dependiente de la longitud de onda, lo que produce el espectro de CD de la muestra. Debido a la interacción con la molécula, el vector de campo eléctrico de la luz traza una trayectoria elíptica después de pasar a través de la muestra.
Es importante que la quiralidad de la molécula pueda ser conformacional en lugar de estructural. Es decir, por ejemplo, una molécula de proteína con una estructura secundaria helicoidal puede tener un CD que cambia con los cambios en la conformación.
Delta absorbancia [ editar ]
Por definición,
donde ΔA (Delta Absorbance) es la diferencia entre la absorbancia de la luz polarizada circularmente a la izquierda (LCP) y polarizada circularmente a la derecha (RCP) (esto es lo que generalmente se mide). ΔA es una función de la longitud de onda , por lo que para que una medición sea significativa, la longitud de onda a la que se realizó debe ser conocida.
Dicroísmo circular molar [ editar ]
dónde
- ε L y ε R son los coeficientes de extinción molar para la luz LCP y RCP,
- C es la concentración molar ,
- l es la longitud del camino en centímetros (cm).
Entonces
Es el dicroísmo circular molar. Esta propiedad intrínseca es lo que normalmente se entiende por el dicroismo circular de la sustancia. Ya que es una función de la longitud de onda, un valor de dicroísmo circular molar () debe especificar la longitud de onda a la que es válida.
Efectos extrínsecos de dicroísmo circular [ editar ]
En muchas aplicaciones prácticas del dicroismo circular (CD), como se discute más adelante, el CD medido no es simplemente una propiedad intrínseca de la molécula, sino que depende de la conformación molecular. En tal caso, el CD también puede ser una función de la temperatura, la concentración y el entorno químico, incluidos los disolventes. En este caso, el valor de CD informado también debe especificar estos otros factores relevantes para que sea significativo.
Elipticidad molar [ editar ]
Aunque generalmente se mide ΔA, por razones históricas, la mayoría de las mediciones se informan en grados de elipticidad. La elipticidad molar es el dicroismo circular corregido por concentración. El dicroismo circular molar y la elipticidad molar, [ θ ], se interconvierten fácilmente mediante la ecuación:
![[\ theta] = 3298.2 \, \ Delta \ varepsilon. \,](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/c66e42a40570e3d3cb312c0eadd95d59170dc258)
dónde
- E R y E L son las magnitudes de los vectores de campo eléctrico de la luz polarizada circular derecha y circular circular izquierda, respectivamente.
Cuando E R es igual a E L (cuando no hay diferencia en la absorbancia de la luz polarizada circular derecha e izquierda), θ es 0 ° y la luz está polarizada linealmente . Cuando E R o E L es igual a cero (cuando hay una absorbencia completa de la luz polarizada circular en una dirección), θ es 45 ° y la luz está polarizada circularmente .
En general, el efecto de dicroismo circular es pequeño, por lo que tanθ es pequeño y puede aproximarse a θ en radianes . Dado que la intensidad o la irradiancia , I, de la luz es proporcional al cuadrado del vector del campo eléctrico, la elipticidad se convierte en:
La elipticidad ahora se puede escribir como:
Desde ΔA << 1, esta expresión se puede aproximar al expandir las exponenciales en una serie de Taylor a primer orden y luego descartar los términos de ΔA en comparación con la unidad y convertir de radianes a grados:
La dependencia lineal de la concentración de soluto y la longitud de la trayectoria se elimina definiendo elipticidad molar como,
![[\ theta] = \ frac {100 \ theta} {\ text {Cl}} \,](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/17937dcb872d465ae30a0ca841fba3e953e1e9b2)
Luego, combinando las dos últimas expresiones con la ley de Beer , la elipticidad molar se convierte en:
![[\ theta] = 100 \, \ Delta \ varepsilon \ left (\ frac {\ ln 10} {4} \ right) \ left (\ frac {180} {\ pi} \ right) = 3298.2 \, \ Delta \ varepsilon](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/88756c2cb3877d28ff0932ef432b0a5e4861ab58)
Las unidades de elipticidad molar son históricamente (grados · cm 2 / dmol). Para calcular la elipticidad molar, deben conocerse la concentración de la muestra (g / L), la longitud de la trayectoria celular (cm) y el peso molecular (g / mol).
Si la muestra es una proteína, el peso medio de los residuos (peso molecular promedio de los residuos de aminoácidos que contiene) se usa a menudo en lugar del peso molecular, esencialmente tratando la proteína como una solución de aminoácidos. El uso de la elipticidad media de los residuos facilita la comparación del CD de proteínas de diferente peso molecular; El uso de este CD normalizado es importante en estudios de estructura de proteínas.
La media de elipticidad residuo [ editar ]
Los métodos para estimar la estructura secundaria en polímeros, proteínas y polipéptidos en particular, a menudo requieren que el espectro de elipticidad molar medido se convierta en un valor normalizado, específicamente un valor independiente de la longitud del polímero. La elipticidad media de los residuos se utiliza para este propósito; es simplemente la elipticidad molar medida de la molécula dividida por el número de unidades monoméricas (residuos) en la molécula.
Aplicación a moléculas biológicas [ editar ]
En general, este fenómeno se exhibirá en bandas de absorción de cualquier molécula ópticamente activa . Como consecuencia, el dicroísmo circular es exhibida por moléculas biológicas, debido a su dextrorotary y levógiro componentes. Aún más importante es que una estructura secundaria también impartirá un CD distinto a sus respectivas moléculas. Por lo tanto, la hélice alfa de las proteínas y la doble hélice de los ácidos nucleicosDisponen de firmas espectrales en CD representativas de sus estructuras. La capacidad del CD para dar una firma estructural representativa lo convierte en una poderosa herramienta en bioquímica moderna con aplicaciones que se pueden encontrar en prácticamente todos los campos de estudio.
El CD está estrechamente relacionado con la técnica de dispersión óptica rotatoria(ORD) y, en general, se considera que es más avanzado. La CD se mide en o cerca de las bandas de absorción de la molécula de interés, mientras que la ORD se puede medir lejos de estas bandas. La ventaja del CD es evidente en el análisis de los datos. Los elementos estructurales se distinguen más claramente ya que sus bandas grabadas no se superponen ampliamente en longitudes de onda particulares como lo hacen en ORD. En principio, estas dos mediciones espectrales pueden interconvertirse a través de una transformación integral ( relación Kramers-Kronig ), si se incluyen todas las absorciones en las mediciones.
El espectro de proteínas de rayos UV ( UV ) lejano puede revelar características importantes de su estructura secundaria . Los espectros de CD pueden usarse fácilmente para estimar la fracción de una molécula que está en la conformación de hélice alfa , la conformación de hoja beta , la conformación de giro beta o alguna otra conformación (por ejemplo, bobina aleatoria ). [9] [10]Estas asignaciones fraccionarias imponen importantes restricciones a las posibles conformaciones secundarias en las que puede estar la proteína. La CD no puede, en general, decir dónde están ubicadas las hélices alfa que se detectan dentro de la molécula o incluso predecir completamente cuántas hay. A pesar de esto, el CD es una herramienta valiosa, especialmente para mostrar cambios en la conformación. Puede, por ejemplo, usarse para estudiar cómo cambia la estructura secundaria de una molécula en función de la temperatura o de la concentración de agentes desnaturalizantes, por ejemplo, cloruro de guanidinio o urea . De esta manera, puede revelar información termodinámica importante sobre la molécula (como la entalpía y la energía libre de Gibbs).de desnaturalización) que de otro modo no pueden obtenerse fácilmente. Cualquier persona que intente estudiar una proteína encontrará en el CD una herramienta valiosa para verificar que la proteína está en su conformación nativa antes de realizar experimentos extensos y / o costosos con ella. Además, hay una serie de otros usos para la espectroscopia de CD en química de proteínas no relacionada con la estimación de la fracción de hélice alfa.
El espectro de CD cercano a los rayos UV (> 250 nm) de las proteínas proporciona información sobre la estructura terciaria . Las señales obtenidas en la región de 250 a 300 nm se deben a la absorción, la orientación del dipolo y la naturaleza del ambiente circundante de los aminoácidos fenilalanina, tirosina, cisteína (o puentes disulfuro de SS ) y triptófano . A diferencia del CD UV lejano, el espectro del CD cercano a UV no se puede asignar a ninguna estructura 3D en particular. Más bien, los espectros de CD cercano a la radiación UV proporcionan información estructural sobre la naturaleza de los grupos protésicos en las proteínas, por ejemplo, los grupos hemo en la hemoglobina y el citocromo c .
La espectroscopia de CD visible es una técnica muy poderosa para estudiar las interacciones metal-proteína y puede resolver transiciones electrónicas d-d individuales como bandas separadas. Los espectros de CD en la región de luz visible solo se producen cuando un ión metálico está en un entorno quiral, por lo que no se detectan iones metálicos libres en solución. Esto tiene la ventaja de solo observar el metal unido a la proteína, por lo que la dependencia del pH y las estequiometrías se obtienen fácilmente. La actividad óptica en los complejos de iones de metales de transición se ha atribuido a los efectos configuracionales, conformacionales y próximos. Klewpatinond y Viles (2007) han producido un conjunto de reglas empíricas para predecir la aparición de espectros de CD visibles para los complejos cuadrados cuadrados Cu 2+ y Ni2 + que incluyen histidina y coordinación de la cadena principal.
La CD proporciona información estructural menos específica que la cristalografía de rayos X y la espectroscopia de RMN de proteínas , por ejemplo, que proporcionan datos de resolución atómica. Sin embargo, la espectroscopia de CD es un método rápido que no requiere grandes cantidades de proteínas o un extenso procesamiento de datos. Por lo tanto, el CD puede usarse para estudiar una gran cantidad de condiciones de solventes , temperatura variable , pH , salinidad y la presencia de varios cofactores.
La espectroscopia de CD se usa generalmente para estudiar proteínas en solución y, por lo tanto, complementa los métodos que estudian el estado sólido. Esto también es una limitación, ya que muchas proteínas están incrustadas en las membranas en su estado nativo, y las soluciones que contienen estructuras de membrana a menudo están muy dispersas. CD a veces se mide en películas delgadas.
Limitaciones experimentales [ editar ]
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El CD también se ha estudiado en carbohidratos , pero con un éxito limitado debido a las dificultades experimentales asociadas con la medición de los espectros de CD en la región del espectro ultravioleta (VUV) del vacío (100–200 nm), donde se encuentran las correspondientes bandas de CD de carbohidratos no sustituidos . Los carbohidratos sustituidos con bandas por encima de la región VUV se han medido con éxito.
La medición de CD también se complica por el hecho de que los sistemas de tampón acuoso típicos a menudo absorben en el rango donde las características estructurales exhiben absorción diferencial de luz polarizada circularmente. Los tampones de fosfato , sulfato , carbonato y acetato son generalmente incompatibles con CD, a menos que estén extremadamente diluidos, por ejemplo, en el rango de 10–50 mM. El sistema de búfer TRIS debe evitarse por completo al realizar CD de UV lejano. Compuestos de borato y onio.se utilizan a menudo para establecer el rango de pH apropiado para los experimentos de CD. Algunos experimentadores han sustituido el fluoruro por el ion cloruro porque el fluoruro absorbe menos en el UV lejano, y algunos han trabajado en agua pura. Otra técnica, casi universal, consiste en minimizar la absorción de solvente mediante el uso de celdas de longitud de recorrido más cortas cuando se trabaja en el UV lejano; las longitudes de recorrido de 0,1 mm no son infrecuentes en este trabajo.
Además de medir en sistemas acuosos, el CD, particularmente el CD de UV lejano, se puede medir en disolventes orgánicos, por ejemplo, etanol, metanol, trifluoroetanol (TFE). Este último tiene la ventaja de inducir la formación de proteínas en la estructura, induciendo láminas beta en algunas hélices alfa en otras, que no se mostrarían en condiciones acuosas normales. Sin embargo, los disolventes orgánicos más comunes, como el acetonitrilo , el THF , el cloroformo y el diclorometano , son incompatibles con los CD ultravioleta.
Puede ser interesante observar que los espectros de la proteína CD utilizados en la estimación de la estructura secundaria están relacionados con las absorciones orbitales π a π * de los enlaces amida que unen los aminoácidos. Estas bandas de absorción se encuentran parcialmente en el llamado ultravioleta de vacío(longitudes de onda inferiores a aproximadamente 200 nm). La región de interés de la longitud de onda es realmente inaccesible en el aire debido a la fuerte absorción de luz por el oxígeno en estas longitudes de onda. En la práctica, estos espectros no se miden en vacío, sino en un instrumento sin oxígeno (lleno de gas nitrógenopuro ).
Una vez que se haya eliminado el oxígeno, quizás el segundo factor técnico más importante para trabajar por debajo de 200 nm es diseñar el resto del sistema óptico para tener bajas pérdidas en esta región. En este sentido, es crítico el uso de espejos aluminizados cuyos recubrimientos han sido optimizados para bajas pérdidas en esta región del espectro.
La fuente de luz habitual en estos instrumentos es una lámpara de xenón de arco corto de alta presión . Las lámparas de arco de xenón normales no son adecuadas para su uso en condiciones de UV bajo. En su lugar, se deben usar lámparas especialmente construidas con sobres hechos de sílice fundida sintética de alta pureza .
La luz de las fuentes de sincrotrón tiene un flujo mucho mayor en longitudes de onda cortas y se ha utilizado para grabar CD hasta 160 nm. En 2010, se utilizó el espectrofotómetro de CD en la instalación de anillo de almacenamiento de electrones ISA en la Universidad de Aarhus en Dinamarca para registrar los espectros de CD de estado sólido hasta 120 nm. [11] En el nivel de la mecánica cuántica , la densidad de características del dicroismo circular y la rotación óptica son idénticas. La dispersión rotatoria óptica y el dicroismo circular comparten el mismo contenido de información cuántica .
En ingeniería eléctrica y ciencia de materiales , la coercividad , también llamada coercividad magnética , campo coercitivo o fuerza coercitiva , es una medida de la capacidad de un material ferromagnético para resistir un campo magnético externo sin desmagnetizarse . Una propiedad análoga, la coercitividad eléctrica , es la capacidad de un material ferroeléctrico para soportar un campo eléctrico externo sin volverse despolarizado .
Para material ferromagnético, la coercitividad es la intensidad del campo magnético aplicado requerido para reducir la magnetización de ese material a cero después de que la magnetización de la muestra haya sido conducida a la saturación . Así, la coercitividad mide la resistencia de un material ferromagnético a desmagnetizarse. Coercitividad se mide generalmente en Oersted o amperios unidades / metro y se denota H C . Se puede medir utilizando un analizador BH o un magnetómetro .
Los materiales ferromagnéticos con alta coercividad se denominan materiales magnéticamente duros y se utilizan para hacer imanes permanentes . Los materiales con baja coercitividad se dice que son magnéticamente blandos . Estos últimos se utilizan en núcleos de transformadores e inductores , cabezales de grabación , dispositivos de microondas y blindaje magnético .
Determinación experimental [ editar ]
| Material | Coercitividad [ Oe (kA / m)] |
|---|---|
| Supermalloy (16 Fe : 79 Ni : 5 Mo ) | 0,0025 (0,0002) [1] : 131,133 |
| Permalloy ( Fe : 4 Ni ) | 0.01–1 (0.00080–0.07958) [2] |
| Limaduras de hierro (0.9995 wt ) | 0.05–470 (0.0040–37.4014) [3] [4] |
| Acero electrico (11Fe: Si) | 0.4–0.9 (0.032–0.072) [5] |
| Hierro crudo (1896) | 2 (0.16) [6] |
| Níquel (0,99 wt) | 0.7–290 (0.056–23.077) [4] [7] |
| Imán de ferrita (Zn x FeNi 1 − x O 3 ) | 15–200 (1.2–15.9) [8] |
| 2Fe: Co, [9] palo de hierro | 240 (19) [4] |
| Cobalto (0.99 wt) | 10–900 (0.80–71.62) [10] |
| Alnico | 380–1,900 (30–151) [11] |
| Medio de grabación de la unidad de disco ( Cr : Co : Pt ) | 1,700 (140) [12] |
| Imán de neodimio (NdFeB) | 10,000–12,000 (800–950) [13] [14] |
| 12 Fe : 13 Pt (Fe 48 Pt 52 ) | ≥ 12,300 (980) [15] |
| ( Dy , Nb , Ga ( Co ): 2 Nd : 14 Fe : B ) | 25,600–26,300 (2,040–2,090) [16] [17] |
| Imán de samario-cobalto (2 Sm : 17 Fe : 3 N ; 10 K ) | <500 font="" nbsp="">[18] [19] |
| Imán de samario-cobalto | 40,000 (3,200) [20] |
Normalmente, la coercitividad de un material magnético se determina mediante la medición del bucle de histéresis magnética , también llamada curva de magnetización , como se ilustra en la figura. El aparato usado para adquirir los datos es típicamente un magnetómetro de muestra vibrante o de gradiente alterno . El campo aplicado donde la línea de datos cruza cero es la coercitividad. Si hay un antiferromagneto en la muestra, las coercitividades medidas en los campos en aumento y en disminución pueden ser desiguales como resultado del efecto de sesgo de intercambio .
La coercitividad de un material depende de la escala de tiempo en la cual se mide una curva de magnetización. La magnetización de un material medido en un campo invertido aplicado que es nominalmente más pequeño que la coercitividad puede, a lo largo de una escala de tiempo prolongada, relajarse lentamente a cero. La relajación se produce cuando la inversión de la magnetización por el movimiento de la pared del dominio se activa térmicamente y está dominada por la viscosidad magnética . [21] El aumento del valor de la coercitividad a altas frecuencias es un serio obstáculo para el aumento de las tasas de datos en la grabación magnética de alto ancho de banda , agravado por el hecho de que el aumento de la densidad de almacenamiento generalmente requiere una mayor coercitividad en los medios. Elcita requerida ]
Teoría [ editar ]
En el campo coercitivo, el componente vectorial de la magnetización de un ferromagneto medido a lo largo de la dirección del campo aplicado es cero. Hay dos modos principales de inversión de magnetización : rotación de dominio único y movimiento de pared de dominio . Cuando la magnetización de un material se invierte por rotación, el componente de magnetización a lo largo del campo aplicado es cero porque el vector apunta en una dirección ortogonal al campo aplicado. Cuando la magnetización se invierte por el movimiento de la pared del dominio, la magnetización neta es pequeña en cada dirección del vector porque los momentos de todos los dominios individuales se suman a cero. Curvas de magnetización dominadas por rotación y anisotropía magnetocristalina.Se encuentran en materiales magnéticos relativamente perfectos utilizados en investigaciones fundamentales. [22] El movimiento de la pared del dominio es un mecanismo de inversión más importante en los materiales de ingeniería reales, ya que los defectos como los límites de grano y las impurezas sirven como sitios de nucleación para los dominios de magnetización inversa. El papel de las paredes de dominio en la determinación de la coercitividad es complicado, ya que los defectos pueden pinchar las paredes de dominio además de nuclearlas. La dinámica de las paredes de dominio en los ferromagnetos es similar a la de los límites de grano y la plasticidad en la metalurgia, ya que tanto las paredes de dominio como los límites de grano son defectos planares.
Significado [ editar ]
Al igual que con cualquier proceso histerético , el área dentro de la curva de magnetización durante un ciclo representa el trabajo que el campo externo realiza en el material para revertir la magnetización, y se disipa como calor. Los procesos disipativos comunes en los materiales magnéticos incluyen la magnetoestricción y el movimiento de la pared de dominio. La coercitividad es una medida del grado de histéresis magnética y, por lo tanto, caracteriza la pérdida de materiales magnéticos blandos para sus aplicaciones comunes.
La cuadratura (la remanencia de la saturación dividida por la magnetización de la saturación ) y la coercitividad son cifras de mérito para los imanes duros, aunque el producto energético (la magnetización de la saturación por la coercitividad) se cita con mayor frecuencia. La década de 1980 vio el desarrollo de imanes de tierras raras con productos de alta energía pero con temperaturas de Curie indeseablemente bajas . Desde la década de 1990, se han desarrollado nuevos imanes duros de intercambio con altas coercitividades.
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