CN106546538B - 一种利用圆偏振激光脉冲检测分子的内消旋与外消旋的方法 - Google Patents

一种利用圆偏振激光脉冲检测分子的内消旋与外消旋的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用圆偏振激光脉冲检测分子的内消旋与外消旋的方法，包括下述步骤：S1对分子样本进行预处理，使其沿着激光场取向排列；S2采用左旋圆偏振激光脉冲和右旋圆偏振激光脉冲分别作用于预处理后的分子样本上后产生高次谐波，获得各阶高次谐波的强度；其中，由左旋圆偏振激光脉冲产生的第i阶的高次谐波强度为Sl(i)，由右旋圆偏振激光脉冲产生的第i阶的高次谐波强度为Sr(i)；S3根据Sl(i)和Sr(i)计算左旋与右旋圆偏振激光脉冲得到的高次谐波强度的差异量，判断所述差异量是否大于阈值，若是，则分子样本为内消旋的样本；若否，则分子样本是外消旋的样本。

Description

一种利用圆偏振激光脉冲检测分子的内消旋与外消旋的方法
技术领域
本发明属于超快激光技术领域，更具体地，涉及一种利用圆偏振激光脉冲检测分子的内消旋与外消旋的方法。
背景技术
分子内的手性中心可分为左旋中心(S-type)与右手性中心(R-type)，一个分子中可以存在多个手性中心。如果一个分子中的手性中心都是左手性(或右手性)的，那么分子整体表现为左手性(或右手性)，称为左手性分子(或右手性分子)。如果分子的两个手性中心的旋性不一样，那么分子的两个手性相互抵消，其整体并不表现出手性，称为内消旋分子。如果分子样本中同时包含左手性分子和右手性分子，那么宏观上该样本也不表现出手性，称其为外消旋样本。
因为内消旋分子和外消旋分子的样本都不体现旋光性，所以传统的光学方法无法区分这两种分子样本。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种利用圆偏振激光脉冲检测分子的内消旋与外消旋的方法，旨在解决现有技术中采用光学方法无法区分分子样本的旋光性的问题。
本发明提供了一种利用圆偏振激光脉冲检测分子的内消旋与外消旋的方法，包括下述步骤：
S1对分子样本进行预处理，使其沿着激光场取向排列；
S2采用左旋圆偏振激光脉冲和右旋圆偏振激光脉冲分别作用于预处理后的分子样本上后产生高次谐波，获得各阶高次谐波的强度；
其中，由左旋圆偏振激光脉冲产生的第i阶的高次谐波强度为Sl(i)，由右旋圆偏振激光脉冲产生的第i阶的高次谐波强度为Sr(i)；
S3根据Sl(i)和Sr(i)计算左旋与右旋圆偏振激光脉冲得到的高次谐波强度的差异量，判断所述差异量是否大于阈值，若是，则分子样本为内消旋的样本；若否，则分子样本是外消旋的样本。
更进一步地，对分子样本进行预处理的步骤具体为：采用椭偏激光脉冲驱动所述分子样本中的分子旋转，使得分子样本依据其极化率的各向异性分布沿激光电场取向。由于所需的产生的高次谐波依赖于分子结构的各向异性，分子本身的结构信息也需要包含在所产生高次谐波中，所以分子样本的排列是必要的。如果分子样本不排列，分子在激光脉冲的响应下表现为各向同性，所测量的谐波就无法包含分子本身的信息，无法完成最终的检测目的。
更进一步地，椭偏激光脉冲的波长为1064nm，强度为6×1011W/cm2，脉宽为10ns。由于分子的电离能通常较小，这种的激光强度既能保证分子样本不发生电离、解离等破坏样本的过程，而且又能实现对分子样本进行排列的目的。激光脉宽为10ns是为了实现绝热排列，以达到分子在无外场下也会排列的目的。
更进一步地，左旋圆偏振激光脉冲和所述右旋圆偏振激光脉冲的激光波长为800nm，强度为1014W/cm2量级，激光脉宽为20fs-30fs。为了激发分子样本产生高次谐波，激光脉冲的强度需要达到1014W/cm2量级，而激光器为了使激光脉冲的强度达到这一量级，需将脉宽压缩到20fs-30fs。800nm是激光器产生激光脉冲的典型波长。
更进一步地，差异量为Q参量，其中Sl(i)为左旋圆偏振激光脉冲得到的第i阶高次谐波的强度，Sr(i)为右旋圆偏振激光脉冲得到的第i阶高次谐波的强度。Q参量是一种常用的表征圆二色性的参量，它能很好地反映圆二色性的大小。
更进一步地，当差异量为Q参量时，阈值为0.4。这一阈值是根据实际的计算经验总结出来的，它能够很好地界定分子样本是否存在圆二色性。
更进一步地，差异量为β参量，其中Sl(i)为左旋圆偏振激光脉冲得到的第i阶高次谐波的强度，Sr(i)为右旋圆偏振激光脉冲得到的第i阶高次谐波的强度，max表示取最大值，min表示取最小值。β参量也是衡量分子样本的圆二色性的一个重要标准。
更进一步地，当差异量为β参量时，阈值为0.15。这一阈值是根据实际的计算经验总结出来的，能够作为利用β参量判断是否存在圆二色性的依据。
通过本发明所构思的以上技术方案，由于现有的技术无法通过光学方法区分内消旋与外消旋的分子样本，本技术填补了这一领域的空白。相比于非光学方法，光学方法具有非接触式和无破坏性的优点。
附图说明
图1是本发明实施例提供的利用圆偏光检测分子内消旋与外消旋的方法的实现流程图。
图2为本发明所使用的酒石酸分子的同分异构体，图中的直角坐标系是任意给定的，具有x，y，z三个方向。图中标记为“C”，“H”和“O”的原子分别是碳原子，氢原子和氧原子。S表示具有左手性中心，R表示具有右手性中心。图2(a)中的分子具有两个右手性中心(RR)，是右手性分子，图2(b)中的分子具有一个左手性中心和一个右手性中心(RS)，它是内消旋分子，图2(c)中的分子具有两个左手性中心(SS)，是左手性分子。
图3为本发明所使用的圆偏振激光脉冲的三维示意图。Time轴表示时间，Ex和Ey分别表示激光场的x和y分量的电场强度。
图4是圆偏光下酒石酸分子的同分异构体以及其混合物的高次谐波谱。横轴表示高次谐波的阶次，纵轴表示高次谐波的强度。横实线表示左旋圆偏振激光脉冲下的高次谐波谱，虚方框线表示右旋圆偏振激光脉冲下的高次谐波谱。图4(a)是两个右手性中心的酒石酸分子(RR)在圆偏光下得到的高次谐波谱；图4(b)是同时具有一个左手性和右手性中心的酒石酸分子(RS)在圆偏光下的高次谐波谱，这种分子是内消旋分子；图4(c)是左手性和右手性酒石酸分子的混合物(RR+SS)在圆偏光下得到的高次谐波谱，这种混合物是外消旋的。
图5是利用Q参量和β参量定量比较内消旋(RS)和外消旋(RR+SS)圆偏振激光脉冲的高次谐波的差异的曲线示意图，其中，横轴表示高次谐波谱的阶次，纵轴表示Q参量或β参量的值。星虚线表示的是外消旋化合物，实圆线表示的是内消旋化合物。图5(a)为利用β参量定量比较内消旋(RS)和外消旋(RR+SS)的圆偏振激光脉冲的高次谐波的差异的曲线示意图；图5(b)为利用Q参量定量比较内消旋(RS)和外消旋(RR+SS)的圆偏振激光脉冲的高次谐波的差异的曲线示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明采用左旋与右旋偏振的圆偏振激光脉冲作为光源，分别作用到待检测的分子样本上，测量左旋与右旋圆偏振激光脉冲产生的高次谐波信号，比较它们各个阶次高次谐波的信号强度，如果二者的差异大于阈值标准，则说明分子样本是内消旋的，如果二者差异不大，则说明分子样本是外消旋的。
本发明提供了一种分辨分子样本内消旋与外消旋的方法，如图1所示，具体包括如下步骤：
S1采用椭偏激光脉冲(波长1064nm，强度6×1011W/cm2，脉宽10ns)驱动分子旋转，分子样本将依据其极化率的各向异性分布沿激光场取向。
S2分别将左旋与右旋的圆偏振激光脉冲(激光波长为800nm，强度为1014W/cm2量级，激光脉宽为20fs-30fs)作用于分子样本上，会产生高次谐波，测量各阶高次谐波的强度，左旋圆偏振激光脉冲产生的第i阶的高次谐波强度为Sl(i)，右旋圆偏振激光脉冲产生的第i阶的高次谐波强度为Sr(i)。
S3利用Sl(i)和Sr(i)计算左旋与右旋圆偏振激光脉冲得到的高次谐波强度的差异量，如果差异量大于阈值，则是内消旋的，否则是外消旋的。
差异量可分为Q参量和β参量，其定义分别为：
(1)其中Sl(i)为左旋圆偏振激光脉冲得到的第i阶高次谐波的强度，Sr(i)为右旋圆偏振激光脉冲得到的第i阶高次谐波的强度。Q参数判断标准的阈值为0.4。
(2)其中Sl(i)为左旋圆偏振激光脉冲得到的第i阶高次谐波的强度，Sr(i)为右旋圆偏振激光脉冲得到的第i阶高次谐波的强度，max表示取最大值，min表示取最小值。β参数判断标准的阈值为0.15。
该方法利用分子样本在左旋和右旋圆偏振激光脉冲下得到的高次谐波作为判断标准，实现了对分子样本的内消旋和外消旋的区分，从而可以作为检测这两种分子样本的一种有效手段。
为了更进一步的说明本发明实施例提供的一种利用圆偏振激光脉冲检测分子的内消旋与外消旋的方法，以下结合一个具体实施例对本发明方案做进一步说明。
图2为所采用酒石酸分子的同分异构体示意图。图2(a)中的分子具有两个右手性中心，是右手性分子；图2(b)中的分子具有一个左手性与一个右手性中心，是内消旋分子，其总体表现为不具旋性；图2(c)中的分子具有两个左手性中心，是左手性分子。图3为所采用的圆偏激光脉冲的电场的示意图。在本实施案例中，所选用的激光波长为800nm，激光偏振平面为x-y平面。圆偏光的强度为I＝8×1013W/cm2。电场表达式为 表示右旋偏振光，表示左旋偏振光。f(t)是电场的时间包络，其表达式为其中T是总的激光脉宽，本例采用了14个光周期的激光脉宽。
图4(a)为利用酒石酸分子的右手性同分异构体产生的高次谐波谱。图4(b)是利用酒石酸分子的内消旋同分异构体样本产生的高次谐波谱。图4(c)是利用酒石酸分子的左手性和右手性同分异构体的混合物产生的高次谐波谱。图5是利用Q参量和β参量定量地比较左旋与右旋圆偏振激光脉冲的高次谐波的差异。图5(a)利用了Q参量来衡量内消旋分子样本(RS)与外消旋分子样本(RR+SS)的高次谐波的强度差异，可以看到，内消旋样本的各阶的Q参量都大于阈值0.4，而外消旋样本的各阶的Q参量都小于阈值0.4，所以可以通过Q参量来检测内消旋与外消旋。图5(b)利用了β参量来衡量内消旋分子样本(RS)与外消旋分子样本(RR+SS)的高次谐波的强度差异，可以看到，内消旋样本的各阶的β参量都大于阈值0.15，而外消旋样本的各阶的β参量都小于0.15，所以可以通过β参量来检测内消旋与外消旋。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种利用圆偏振激光脉冲检测分子的内消旋与外消旋的方法，其特征在于，包括下述步骤：
S1对分子样本进行预处理，使其沿着激光场取向排列；
S2采用左旋圆偏振激光脉冲和右旋圆偏振激光脉冲分别作用于预处理后的分子样本上后产生高次谐波，获得各阶高次谐波的强度；
其中，由左旋圆偏振激光脉冲产生的第i阶的高次谐波强度为Sl(i)，由右旋圆偏振激光脉冲产生的第i阶的高次谐波强度为Sr(i)；
S3根据Sl(i)和Sr(i)计算左旋与右旋圆偏振激光脉冲得到的高次谐波强度的差异量，判断所述差异量是否大于阈值，若是，则分子样本为内消旋的样本；若否，则分子样本是外消旋的样本；
所述差异量为Q参量，其中Sl(i)为左旋圆偏振激光脉冲得到的第i阶高次谐波的强度，Sr(i)为右旋圆偏振激光脉冲得到的第i阶高次谐波的强度；
或所述差异量为β参量，其中Sl(i)为左旋圆偏振激光脉冲得到的第i阶高次谐波的强度，Sr(i)为右旋圆偏振激光脉冲得到的第i阶高次谐波的强度，max表示取最大值，min表示取最小值。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对分子样本进行预处理的步骤具体为：
采用椭偏激光脉冲驱动所述分子样本中的分子旋转，使得分子样本依据其极化率的各向异性分布沿激光电场取向。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述椭偏激光脉冲的波长为1064nm，强度为6×1011W/cm2，脉宽为10ns。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述左旋圆偏振激光脉冲和所述右旋圆偏振激光脉冲的激光波长为800nm，强度为1014W/cm2量级，激光脉宽为20fs-30fs。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述差异量为Q参量时，所述阈值为0.4。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述差异量为β参量时，所述阈值为0.15。
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