DE60301764T2

DE60301764T2 - Gerät und Verfahren zum Nachweis von Zirkulardichroismus im Infrarotbereich

Info

Publication number: DE60301764T2
Application number: DE2003601764
Authority: DE
Inventors: Kenichi Hachioji-shi Akao; Jun Hachioji-shi Koshoubu
Original assignee: Jasco Corp
Current assignee: Jasco Corp
Priority date: 2002-06-20
Filing date: 2003-06-16
Publication date: 2006-07-13
Anticipated expiration: 2023-06-17
Also published as: US20030234937A1; JP2004020539A; DE60301764D1; EP1376099B1; US7002692B2; EP1376099A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fouriertransformationsgerät zum Nachweis von Zirkular-Dichroismus im Infrarotbereich und ein Verfahren zum Messen von Zirkular-Dichroismus im Infrarotbereich, und insbesondere eine Verkürzung der Messzeit und eine Verbesserung der Messgenauigkeit.
Bei vielen chemischen Substanzen ist die Ermittlung ihrer absoluten Strukturen und ihrer Stereostrukturen eine sehr grundlegende und wesentliche Information. Es kann auf eine Röntgenstrukturanalyse, eine spektrale Zirkular-Dichroismus-Analyse etc. als Mittel Bezug genommen werden zum Analysieren der Chiralität von physiologisch aktiven Substanzen wie beispielsweise Arzneimittel, Toxine und biologische Substanzen. Speziell die spektrale Zirkular-Dichroismus-Analyse wird häufig als wichtiges und wesentliches Mittel für Untersuchungen auf diesem Gebiet verwendet, da sie verhältnismäßig einfach zu handhaben ist.
Moleküle mit spiegelbildlich asymmetrischer Molekülstruktur haben die Eigenschaft, dass die Werte ihrer Absorption für linkszirkular polarisierte Lichtstrahlen und rechtszirkular polarisierte Lichtstrahlen unterschiedlich sind. Diese Eigenschaft wird als Zirkular-Dichroismus bezeichnet. Viele physiologisch aktive Substanzen sind optisch aktiv und Information über ihre molekularen Stereostrukturen kann durch Messen ihres Zirkular-Dichroismus erhalten werden. Die auf diesem Weg erhaltene Information wird verwendet, um ihre Strukturen zu bestimmen.
Eine Messung des Zirkular-Dichroismus im Infrarotbereich kann insbesondere verwendet werden, um die Strukturen von optisch akiven Substanzen zu ermitteln, welche beispielsweise im UV- oder im sichtbaren Bereich keine Absorption aufweisen.
Die internationale Offenlegungsschrift WO 01/63231 A1 betrifft Zirkular-Dichroismus-Spektroskopie, wobei der Einfluss durch lineare Doppelbrechung mittels der Versehung eines zweiten Phasenmodulators in die optische Anordnung eliminiert wird. Das amerikanische Patent US 6,070,093 betrifft ein Verfahren zum Messen wenigstens eines Parameters einer Probe, wobei wenigstens zwei verschiedene spektroskopische Messungen ausgeführt werden. Eine Breitbandlichtquelle wird zusammen mit einem abstimmbaren optischen Filter verwendet, um ein oder mehrere sehr enge Strahlungsbanden zu erzeugen, um ausgewählte Wellenlängen in dispersiven Spektrometermessungen bereitzustellen. Die JP 2000-206036 betrifft eine Vorrichtung des Fouriertransformationstyps zum Nachweis von Zirkular-Dichroismus im Infrarotbereich, welche eine Fouriertransformationsoperation ausführt, während eine AC Interferenz erfasst wird und die Zirkular-Dichroismus im Infrarotbereich messen kann.
5 zeigt eine schematische Darstellung einer herkömmlichen Vorrichtung zum Nachweis von Zirkular-Dichroismus im Infrarotbereich. In der in der Figur gezeigten Vorrichtung 1 zum Nachweis von Zirkular-Dichroismus im Infrarotbereich wird ein Interferenzlichtstrahl durch das Durchlaufen eines von einer IR-Lichtquelle 2 ausgestrahlten Infrarot-Lichtstrahls durch ein Michelson-Interferometer 3 erzeugt. In dem optischen Pfad des Interferenzlichtstrahls befindet sich ein Polarisator 4, ein fotoelastischer Modulator (PEM) 5, eine Probe 6 und ein Detektor 7. Der Interferenzlichtstrahl wird beim Durchlaufen des Polarisators 4 zu einem linear polarisierten Lichtstrahl und der linear polarisierte Lichtstrahl wird durch den PEM 5 in einen zirkular polarisierten Lichtstrahl umgewandelt, welcher alternierend mit einer vorbestimmten Modulationsfrequenz im Uhrzeigersinn und entgegen des Uhrzeigersinns links- und rechtsdrehend erzeugt wird. Die Modulationsfrequenz des PEM 5 wird durch eine PEM-Steuereinheit 8 gesteuert. Der auf diese Weise modulierte Interferenzlichtstrahl wird durch den Detektor 7 nach dem Durchlaufen der Probe 6 erfasst. Es wird ein solcher Detektor wie ein MCT-Detektor des PC-Typs als Detektor 7 verwendet, welche die PEM-Frequenz um 50 kHz bewältigen kann.
Zu diesem Zeitpunkt wird ein in 6 gezeigtes Signal durch den Detektor 7 erfasst. Dies bedeutet beispielsweise, wenn ein links- und rechtszirkular polarisiert Lichtstrahl bei einer Modulationsfrequenz von 50 kHz durch die PEM-Steuereinheit erzeugt wird, besitzt das detektierte Signal, nachdem es die Probe durchlaufen hat, eine Wechselstromkomponente, welche mit der Modulationsfrequenz der PEM 5 moduliert ist, da die Probe eine optisch akive Substanz ist, welche unterschiedliche Absorptionswerte für einen linkszirkular polarisierten Lichtstrahl und einen rechtszirkular polarisierten Lichtstrahl besitzt. Somit wird ein doppelt moduliertes Signal erfasst, in welchem die Wechselstromkomponente der Modulation (bei unter 3 kHz) durch das Interferometer 3 überlagert ist.
Interferogramme, die durch jede links- und rechtszirkular polarisierten Lichtstrahlen erzeugt werden, werden aus dem am Detektor 7 erfassten Signal durch das Durchlaufen eines Bandpass-Filters 10, eines Lock-in-Verstärkers 11 und eines Datenerfassungsschaltkreises 12 gewonnen, nachdem das Signal mit einem Vorverstärker 9 verstärkt wurde. D.h., der Bandpass-Filter 10 lässt nur ein Signal in einem vorbestimmten Frequenzband hindurch, das die Modulationsfrequenz des PEM 5 einschließt, und der Lock-in-Verstärker 11 erfasst die Komponente mit der Modulationsfrequenz des PEM 5 unter Verwendung eines Synchronisationssignals. Hierbei wird die detektierte Komponente mit einer vorbestimmten Zeitkonstante erfasst (die Zeitdauer zwischen dem Zeitpunkt, bei welchem der Lock-in-Verstärker ein gemessenes Signal ausgibt und dem Zeitpunkt, bei welchem der Verstärker das nächste gemessene Signal ausgibt), und ein Wechselstrom wird erhalten mit einer Werteschwankung der durch das Interferometer 3 modulierten Komponente von kleiner 3 kHz.
Andererseits wird ein Infrarot-Absorptions-Interferogramm gewonnen, indem das Signal durch einen Tiefpassfilter 13 und den Datenerfassungsschaltkreis 12 läuft, nachdem das an dem Detektor 7 erfasste Signal verstärkt wurde.
Auf der Grundlage der durch die links- und rechtszirkular polarisierten Lichtstrahlen erzeugten Interferogramme und der, wie oben beschrieben, gewonnenen, aus der Infrarot-Absorption erzeugten Interferogramme wird durch einen Haupt PC 14 eine Fouriertransformation ausgeführt, um ein Zirkular-Dichroismus-Spektrum zu berechnen, das das Differenz-Spektrum (ΔA) zwischen den Absorptionsspektren ist, welche jeweils durch die links- und rechtszirkular polarisierten Lichtstrahlen erzeugt wurden.
Bei einer Messung des Zirkular-Dichroismus im Infrarotbereich ist die erhaltene Signalstärke schwach, und deshalb wird eine Messung unter Verwendung eines Fouriertransformationsinfrarotspektrometers ausgeführt durch das gleichzeitige Bestrahlen einer Probe mit einem Infrarot-Lichtstrahl, der eine Vielzahl von Wellenlängen umfasst. Deshalb weist die Messung die folgenden Probleme auf.
Zuerst wird ein zirkular polarisierter Lichtstrahl bei der zentralen Wellenlänge des PEM wirkungsvoll erzeugt, d.h., in einem engen Bereich, in dem die Wellenlänge des Lichtstrahls den höchsten Wirkungsgrad zur Erzeugung eines zirkular polarisierten Lichtstrahls besitzt. In einem Wellenlängenbereich entfernt zu diesem engen Bereich ist jedoch der Wirkungsgrad zur Erzeugung eines zirkular polarisierten Lichtstrahls vermindert und die Messgenauigkeit herabgesetzt.
Darüber hinaus ist die bei der Modulationsfrequenz des PEM modulierte Wechselstromkomponente sehr schwach (der Absorptionsgrad A liegt üblicherweise um 1, jedoch um 10^–4–10^–5 für Messungen zum Nachweis des Zirkular-Dichroismus), da der Unterschied zwischen den Absorptionsspektren für links- und rechtszirkular polarisierten Lichtstrahlen sehr gering ist. Aus die sem Grund ist eine Vielzahl von Messungen notwendig, um das Signal-Rausch-Verhältnis (S/N) zu verbessern, und eine Messung kann nicht in einer kurzen Zeit ausgeführt werden (beispielsweise ist eine Integration über eine oder zwei Stunden notwendig).
Andererseits ist die Intensität des erfassten Lichtstrahls sehr hoch, da zur gleichen Zeit Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen in dem Lichtstrahl umfasst sind. Wenn ein MCT-Detektor des PC-Typs als Detektor verwendet wird, der schnell antwortet, um die PM-Frequenz um 50 kHz zu bewältigen, kann ein Signal proportional zu der Lichtstrahlintensität nicht in den Bereichen ausgegeben werden, bei welchen die erfasste Lichtstrahlintensität zu groß ist und ein nicht lineares Antwortverhalten tritt auf, wodurch die Messgenauigkeit nachteilig beeinflusst wird.
Da die Intensität eines modulierten Signals (Interferogramm), das aus einem Interferenzlichtstrahl erzeugt wurde, wie in 6 gezeigt, schnell abgeschwächt wird, ist der Auslaufabschnitt, in welchem die Intensität schwach ist, stark durch Rauschen beeinflusst. Aus diesem Grund ist der dynamische Bereich in diesem Abschnitt aufgrund des S/N-Verhältnisses beschränkt, was durch den Einfluss und den Quantisierungsfehler, der während einer AD-Wandlung auftritt, verursacht wird.
In Bezug auf eine Verbesserung des S/N-Verhältnisses ist es wünschenswert, die Zeitkonstante des Lock-in-Verstärkers zu verlängern. Wenn jedoch, wie in 6 gezeigt, die Abtastung eines Signals betrachtet wird, das eine Schwankung der mit 3 kHz durch das Interferometer modulierten Komponente aufweist, ist es notwendig, mit einer Zeitkonstante von 1 Millisekunde oder kürzer zu messen und das S/N-Verhältnis ist auf eine bestimmte Größe beschränkt, da die durch das Interferometer modulierte Komponente nicht erfasst werden kann, wenn die Zeitkonstante zu lang ausgedehnt wird.
Darüber hinaus besteht noch ein weiteres Problem. Da ein Zirkular-Dichroismus-Spektrum in Bezug auf die Position einer Absorptionsspitze erhalten wird, ist es möglich zu ermitteln, welche Molekülschwingung ein bestimmtes Zirkular-Dichroismus-Spektrum erzeugt. Die Beziehung zwischen der Information der Molekülstrukturen und der Form der Zirkular-Dichroismus-Spektren ist jedoch momentan nicht ausreichend klar bei Zirkular-Dichroismus im Infrarotbereich. Es liegen bis zu mehrere Absorptionsspitzen im UV- und im sichtbaren Bereich vor, während im Gegensatz dazu eine große Anzahl von Absorptionsspitzen im sogenannten Fingerabdruckbereich des Infraroten vorliegt, wodurch deren Zuordnung sehr erschwert wird. In dieser Hinsicht werden Mittel zur Klarstellung des Verhältnisses zwischen den Zirkular-Dichroismus-Spektren der spezifischen Absorptionsbanden und Molekularstrukturen gesucht.
Die vorliegende Erfindung befasst sich mit den obigen Problemen des Standes der Technik, und ihre Aufgabe ist es, eine Vorrichtung zum Nachweis von Zirkular-Dichroismus im Infrarotbereich bereitzustellen sowie ein Verfahren zum Nachweis von Zirkular-Dichroismus im Infrarotbereich, welche Verbesserungen in Bezug auf die Messzeit und die Messgenauigkeit erreichen
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Um diese Aufgabe zu lösen, umfasst eine Vorrichtung zum Nachweis von Zirkular-Dichroismus im Infrarotbereich gemäß der vorliegenden Erfindung eine IR-Lichtquelle, ein Interferometer, eine Einrichtung zur Erzeugung eines polarisierten Lichtstrahls, eine Einrichtung zur Erzeugung eines zirkular polarisierten Lichtstrahls, einen Detektor, einen Gleichstrom- oder Gleichstromsignal-Auskoppler, einen Wechselstrom- oder Wechselstromsignal-Auskoppler, eine Recheneinheit und einen selektiven Übertrager.
Dabei strahlt die Infrarot(IR)-Lichtquelle IR-Lichtstrahlen aus.
Das Interferometer erlaubt es den IR-Lichtstrahlen zu interferieren, um einen Interferenzlichtstrahl zu erzeugen.
Die Einrichtung zur Erzeugung eines polarisierten Lichtstrahls wandelt den Interferenzlichtstrahl in einen linear polarisierten Lichtstrahl um.
Die Einrichtung zur Erzeugung eines zirkular polarisierten Lichtstrahls wandelt den linear polarisierten Lichtstrahl in rechts- und links-zirkular polarisierte Lichtstrahlen mit einer vorbestimmten Modulationsfrequenz um und strahlt die zirkular polarisierten Lichtstrahlen auf die Probe.
Der Detektor erfasst die zirkular polarisierten Lichtstrahlen, welche die Probe durchlaufen haben, um ein Detektionssignal zu erzeugen.
Der Gleichsignal(DC)-Auskoppler extrahiert aus dem detektierten Signal ein durch die IR-Absorption der Probe erzeugtes Interferogramm.
Der Wechselsignal(AC)-Auskoppler extrahiert aus dem detektierten Signal ein durch jedes der links- und rechts-zirkular polarisierten Lichtstrahlen erzeugtes Interferogramm.
Die Recheneinrichtung führt eine Fouriertransformation aus und berechnet den Zirkular-Dichroismus und die IR-Absorption auf der Basis eines jeden der der durch die Auskoppler ausgekoppelten Interferogramme.
Der selektive Übertrager engt den zu messenden Messwellenlängenbereich ein auf der Grundlage eines Wellenlängenbereiches in einem IR-Absorptionsband entsprechend einem Vibrationsmode einer zu messenden Struktur des Probenmoleküls.
In der obigen Vorrichtung ist die Einrichtung zur Erzeugung eines zirkular polarisierten Lichtstrahls vorzugsweise ein fotoelastischer Modulator.
In der obigen Vorrichtung setzt der fotoelastische Modulator vorzugsweise seine Mittenwellenlänge auf der Grundlage eines Messwellenlängenbereichs, der durch den selektiven Übertrager ausgewählt wird, fest.
In der obigen Vorrichtung umfasst der Wechselsignal(AC)-Auskoppler vorzugsweise einen Lock-in-Verstärker.
In der obigen Vorrichtung ist der Wellenlängenbereich, in welchem der Detektor seine höchste Empfindlichkeit besitzt, vorzugsweise auf der Grundlage eines Messwellenlängenbereichs festgelegt, der durch den selektiven Übertrager ausgewählt ist.
In der obigen Vorrichtung ist der selektive Übertrager vorzugsweise ein optisches Filter oder ein elektrisches Filter.
Hierbei wird die Probe durch das optische Filter selektiv in einem Wellenlängenbereich des Lichtstrahls in einem IR-Absorptionsband aus IR-Lichtstrahlen von der IR-Lichtquelle bestrahlt entsprechend einem Vibrationsmode einer spezifischen Struktur des Probenmoleküls.
Das elektrische Filter überträgt selektiv eine Signalkomponente aus einem spezifischen Bereich, der auf der Grundlage eines Vibrationsmodes einer zu messenden Struktur festgelegt ist aus durch Lichtstrahlen bei jeder Wellenlänge erzeugten Interferenzsignalen, welche die Komponenten eines durch das Interferometer modulierten Signals sind.
In der obigen Vorrichtung wird die Beziehung zwischen der zu messenden Struktur und dem durch den selektiven Übertrager selektierten Wellenlängenbereich vorzugsweise durch wenigstens eine der folgenden Bedingungen 1)–7) ausgedrückt:

1) für die Struktur NH ist der für die Messung zu selektierende Wellenlängenbereich 3.700–3.100 cm^–1;
2) für die Struktur CH-Streckvibration ist der für die Messung zu selektierende Wellenlängenbereich 3.000–2.800 cm^–1;
3) für die Struktur C=O ist die für die Messung zu selektierende Wellenlänge 1.700 cm^–1;
4) für die Struktur Amide I (Protein) ist die für die Messung zu selektierende Wellenlänge 1.640 cm^–1;
5) für die Struktur Amide II (Protein) ist die für die Messung zu selektierende Wellenlänge 1.550 cm^–1;
6) für die Struktur CH-Knickschwingung ist der für die Messung zu selektierende Wellenlängenbereich 1.500-1.300 cm^–1; und
7) für die Struktur C-O-C (Zucker) ist der für die Messung zu selektierende Wellenlängenbereich 1.100–900 cm^–1.

Um die obige Aufgabe zu lösen, umfasst das Verfahren gemäß der Erfindung zum Nachweis von Zirkular-Dichroismus im Infrarotbereich die Schritte:
Erzeugen eines Interferenzlichtstrahls durch das Überlagern von durch eine Infrarotlichtquelle abgestrahlte Infrarotlichtstrahlen unter Verwendung eines Interferometers;
nach der Erzeugung eines linear polarisierten Lichtstrahles aus dem Interferenzlichtstrahl, Umwandeln des linear polarisierten Lichtstrahls in einen rechts- und einen links-zirkular polarisierten Lichtstrahl mit einer vorbestimmten Modulationsfrequenz und Bestrahlen einer Probe mit den umgewandelten Lichtstrahlen;
Erfassen der zirkular polarisierten Lichtstrahlen, nachdem sie die Probe durchlaufen haben und Erzeugen eines Detektionssignals;
Auskoppeln eines durch jede der rechts- und links-zirkular polarisierten Lichtstrahlen erzeugten Interferogramms aus dem detektierten Signal;
Ableiten einer Fouriertransformation und Berechnen eines Zirkular-Dichroismus aus den Interferogrammen;
Einengen des Messwellenlängenbereichs auf der Grundlage eines IR-Absorptionswellenlängenbereichs entsprechend eines zu messenden Vibrationsmodes der Struktur des Probenmoleküls.
Bei dem obigen Verfahren wird der zirkular polarisierte Lichtstrahl vorzugsweise durch einen fotoelastischen Modulator erzeugt.
Bei dem obigen Verfahren wird die Mittenwellenlänge des fotoelastischen Modulators vorzugsweise auf der Grundlage des selektierten Messwellenlängenbereichs festgelegt.
Bei dem obigen Verfahren wird vorzugsweise ein Lock-in-Verstärker für die Auskopplung verwendet.
Bei dem obigen Verfahren wird vorzugsweise ein Detektor verwendet zum Erfassen der zirkular polarisierten Lichtstrahlen, welche die Probe durchlaufen haben, und zum Erzeugen eines Detektionssignals, und in einem Wellenlängenbereich, in welchem der Detektor eine hohe Empfindlichkeit aufweist, der vorzugsweise auf der Grundlage des selektierten Messwellenlängenbereichs festgelegt ist.
Bei dem obigen Verfahren wird der Messwellenlängenbereich vorzugsweise durch selektives Bestrahlen einer Probe mit einem Lichtstrahl in einem IR-Absorptionswellenlängenbereich aus den IR-Lichtstrahlen aus der IR-Lichtquelle unter Verwendung eines optischen Filters entsprechend dem Vibrationsmode der spezifischen Struktur in einem Probenmolekül eingeengt und/oder durch selektives Übertragen einer Signalkomponente aus einem spezifischen Bereich, der auf der Grundlage eines Vibrationsmodes der zu messenden Struktur unter den durch Lichtstrahlen bei jeder Wellenlänge erzeugten Interferenzsignalen bestimmt ist, welche Komponenten eines durch das Interferometer modulierten Signals sind unter Verwendung eines elektrischen Filters.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zum Nachweis von Zirkular-Dichroismus im Infrarotbereich entsprechend der Erfindung;
2 ist eine schematische Ansicht, welche die Lichtwellenlängenabhängigkeit der Mittenwellenzahl (Mittenwellenlänge) des PEMs zeigt;
3 zeigt ein von dem Detektor erfasstes Signal;
4 zeigt die Beziehung zwischen einer durch das Interferometer modulierten Komponente eines Infrarotlichtstrahls für jede Wellenlänge und einem Interferogramm;
5 zeigt schematisch eine herkömmliche Vorrichtung zum Nachweis von Zirkular-Dichroismus im Infrarotbereich;
6 zeigt schematisch ein am Detektor in der herkömmlichen Vorrichtung erfasstes Signal und
7 zeigt ein VCD-Spektrum eines (–)-ά-Pinen, das mit einer Vorrichtung zum Nachweis von Zirkular-Dichroismus im Infrarotbereich gemäß der Erfindung gemessen wurde.
Die vorliegende Erfindung wird nun beschrieben. Eine Übersicht über eine Vorrichtung zum Nachweis von Zirkular-Dichroismus im Infrarotbereich gemäß der Erfindung ist in 1 gezeigt. Da die Komponenten der Vorrichtung denen der oben beschriebenen herkömmlichen Vorrichtung entsprechen, ist zu jedem der Bezugszeichen die Zahl 100 addiert und ihre Beschreibung weggelassen.
In der in der Figur gezeigten Vorrichtung 101 zum Nachweis von Zirkular-Dichroismus im Infrarotbereich wird ein Interferenzlichtstrahl dadurch erzeugt, dass ein von einer IR-Lichtquelle 102 abgestrahlter Infrarotlichtstrahl durch ein Michelson-Interferometer 103 (Interferometer) hindurchläuft.
In dem optischen Pfad des Interferenzlichtstrahls wird ein optisches Filter 120 (selektiver Übertrager), ein Polarisator 104 (Einrichtung zur Erzeugung eines polarisierten Lichtstrahls), ein PEM (fotoelastischer Modulator) 105 (Einrichtung zur Erzeugung eines zirkular polarisierten Lichtstrahls), eine Probe 106 und ein Detektor 107 (Detektor) bereitgestellt.
Der Interferenzlichtstrahl wird selektiv auf den spezifischen Wellenlängenbereich durch das Durchlaufen des optischen Filters 120 abgestimmt und wird ein linear polarisierter Lichtstrahl beim Durchlaufen des Polarisators 104 und dann wird der linear polarisierte Lichtstrahl in einen zirkular polarisierten Lichtstrahl umgewandelt, welcher mit einer vorbestimmten Modulationsfrequenz des PEM 105 alternativ links- und rechtsdrehend erzeugt wird.
Die Modulationsfrequenz des PEM 105 wird durch eine PEM-Steuereinrichtung 108 gesteuert. Der in dieser Weise modulierte Interferenzlichtstrahl wird durch den Detektor 107 (Detektor) wie beispielsweise ein MCT-Detektor des PC-Typs, MCT-Detektor des PV-Typs oder InSb-Detektor erfasst, nachdem die Probe 106 durchlaufen wurde.
Die vorliegende Erfindung zeichnet sich durch das Bereitstellen eines selektiven Übertragers wie das optische Filter 120 aus, welcher selektiv nur das Licht in einem spezifischen Wellenlängenbereich des infraroten Lichts aus einer Infrarotlichtquelle überträgt.
Die durch den selektiven Übertrager übertragene Wellenlänge wird auf der Grundlage eines Wellenlängenbereichs eines Infrarotabsorptionsbandes entsprechend einem Vibrationsmode einer spezifischen Struktur in einem Probenmolekül festgelegt. D.h., die Messung wird durch das Auswählen von Licht eines Wellenlängenbereichs ausgeführt, der notwendig ist für die strukturelle Analyse des Probenmoleküls. Die folgenden Infrarotlichtabsorptionsbanden können als solche entsprechend den Vibrationsmoden aufgeführt werden.

• 3.700–3.100 cm^–1 NH
• 3.000–2.800 cm^–1 CH-Streckvibration
• 1.700 cm^–1 C=O
• 1.640 cm^–1 Amide I (Protein)
• 1.550 cm^–1 Amide II (Protein)
• 1.500–1.300 cm^–1 CH-Knickschwingung
• 1.100–900 cm^–1 C-O-C (Zucker)

Der selektive Übertrager ist nicht speziell auf einen spezifischen Typ beschränkt, soweit dieser selektiv nur Licht in einem spezifischen Wellenlängenbereich überträgt, wie ein Interferenzfilter. Der Übertrager kann so ausgebildet sein, sodass er das Licht in eine Mehrzahl von getrennten Wellenlängenbereichen entsprechend einer Mehrzahl von Vibrationsmoden überträgt. Soweit sich der Übertrager innerhalb des optischen Pfades befindet, ist die Position des Übertragers nicht speziell beschränkt.
Durch das Vorsehen eines selektiven Übertragers und damit durch das Einengen des Wellenlängenbereichs im infraroten Absorptionsband entsprechend dem Vibrationsmode der spezifischen Struktur in dem Probenmolekül wird ein Mittel erhalten zum einfachen Klarstellen der Beziehung zwischen den Zirkular-Dichroismus-Spektren spezifischer Absorptionsbanden und den Molekülstrukturen auch im Infrarotbereich, wo deren Zuordnung sehr kompli ziert ist.
Zusätzlich zu dem obigen selektiven Übertrager, welcher selektiv das Licht in einem spezifischen optischen Wellenlängenbereich überträgt, können auch Übertrager verwendet werden, welche die gleiche Wirkung aufweisen. Dies bedeutet, dass ein selektiver Übertrager durch das Bereitstellen eines elektrischen Filters an geeigneter Position in dem Pfad eines elektrischen Signals von dem Detektor angeordnet sein kann, derartig, dass der Übertrager Interferenzsignale des Lichts aus spezifischen Wellenlängenbereichen überträgt, welche Komponenten der Signale sind, die durch das Interferometer moduliert sind, selektiv zu denen aus jedem Wellenlängenbereich.
Das elektrische Filter wird vorzugsweise direkt vor einen AD-Wandler im Pfad des elektrischen Signals von dem Detektor positioniert. Da Rauschsignale sogar in der Mitte des Pfades des elektrischen Signals aufgenommen werden können, bedeutet dies, dass andere Signale als die Frequenzkomponenten entsprechend der gemessenen Wellenzahl am Ort direkt vor dem AD-Wandler bedeutend unterdrückt werden können.
Das elektrische Filter ist so eingestellt, dass das Filter von den Signalen aus dem Detektor nur die Signale der Frequenzkomponenten entsprechend dem gemessenen Wellenzahlbereich durchlässt. Die Beziehung zwischen diesen gemessenen Wellenzahlen und der Frequenz wird wie folgt beschrieben. f = 2v ν
Wobei
f die Frequenz (Hz)
ν die Wellenzahl (cm^–1)
v die Geschwindigkeit (cm/s) des bewegten Spiegels ist.
Beispielsweise angenommen, dass der gemessene Wellenzahlbereich 3.700–3.100 cm^–1 ist und die Geschwindigkeit des bewegten Spiegels des Interferometers 0,4 cm/s, wird das elektrische Filter so eingestellt, dass das Filter nur die Frequenzkomponenten von 2.960–2.480 Hz in dem elektrischen Signal von dem Detektor durchlässt.
Auf diese Weise wird entsprechend der Erfindung nur das Licht in spezifischen Wellenlängenbereichen selektiv durchgelassen. Durch das Einstellen der Mittenwellenlänge des PEM auf den spezifischen Wellenlängenbereich, wie in 2 gezeigt, können zirkular polarisierte Lichtstrahlen wirkungsvoll in allen gemessenen Wellenlängenbereichen erzeugt werden und die Messung kann effizient durchgeführt werden.
Durch das Einengen der spezifischen Wellenlängenbereiche können ferner Messungen mit hoher Empfindlichkeit durchgeführt werden durch das selektive Verwenden eines Detektors mit einer hohen Empfindlichkeit in solchen Wellenlängenbereichen, und da die Integration zur Verbesserung des S/N-Verhältnisses vermindert werden kann, kann die für die Messung notwendige Zeit verkürzt werden.
Wenn ein MCT-Detektor des PC-Typs verwendet wird, der vorzugsweise als Detektor benutzt wird, der schnell anspricht und die Modulationsfrequenz des PEM bewältigt, kann die Messung ohne Beeinflussung der Messgenauigkeit ausgeführt werden, da das Licht aus den Wellenlängenbereichen, welche nicht für die Messung notwendig sind, durch die Einengung der Wellenlängenbereiche ausgeschnitten ist, wodurch wird die auf den Detektor einfallende Lichtintensität drastisch reduziert wird, und die Messung in einem Intensitätsbereich ausgeführt werden kann, in welchem ein lineares Ansprechverhalten vorliegt.
Ein durch den Detektor 107 empfangenes Signal ist in einer Übersicht in 3 dargestellt. Wenn beispielsweise rechts und links-zirkular polarisierte Lichtstrahlen mit einer Modulationsfrequenz von 50 kHz durch die PEM-Steuereinrichtung erzeugt werden, besitzt ein nach dem Durchlaufen der Probe erfasstes Signal eine mit der Modulationsfrequenz des PEM modulierte Wechselstromkomponente, da die Probe, welche eine optisch aktive Substanz ist, unterschiedliche Absorptionswerte für links- und rechts-zirkular polarisierten Licht besitzt. Damit wird ein doppelt moduliertes Signal erfasst, bei welchem diese Wechselstromkomponente der Modulation des Interferometers 103 überlagert ist.
Wenn eine Vorrichtung gemäß der Erfindung benutzt wird, ist die Dämpfung der Modulationskomponente des Interferometers in dem durch den Detektor erfassten Signal geringer im Vergleich zur herkömmlichen Vorrichtung, wie in 3 gezeigt, und die Signalfrequenz wird geringer, und dessen Form wird vergleichsweise glatter.
Wie in 4 gezeigt, besteht der Lichtstrahl aus der IR-Lichtquelle aus einer Ansammlung von zahllosen Lichtstrahlen mit jeweils einer Wellenlänge und ein sinusförmiger Interferenzlichtstrahl wird erzeugt, wobei jeder eine unterschiedliche Wellenlänge für jede dieser Lichtstrahlen einer einzelnen Frequenz besitzt.
Die durch das Interferometer modulierte Komponente wird als Summe von optischen Intensitäten gebildet, bei welcher diese zahllosen sinusförmigen Interferenzlichtstrahlen überlagert sind. Bei einem Zustand, bei welchem der Unterschied der optischen Pfadlängen in dem Interferometer Null ist, verstärken sich all die zahllosen sinusförmigen Interferenzlichtstrahlen zueinander, und die resultierende Intensität wird maximal. Wenn jedoch der bewegbare Spiegel des Interferometers bewegt wird und der Unterschied der optischen Pfadlängen größer wird, schwächen sich die zahllosen sinusförmigen Interferenzlichtstrahlen schnell gegenseitig und als Folge wird die durch das Interferometer modulierte Komponente rasch schwächer.
Bei der Erfindung kann die Abschwächung der Intensität jedoch unterdrückt werden durch das Mildern des schnellen Abschwächens der Interferenzlichtstrahlen durch das Einengen der Wellenlängenbereiche mittels des selektiven Übertragers.
Deshalb wird das Verhältnis der Intensität um das Mittensignal und die Intensität des Randbereichs des Interferogramms abgemildert und die Modulationsfrequenz wird geringer, was eine vergleichsweise glatte Kurvenform zur Folge hat. Deshalb wird gemäß der Erfindung der dynamische Bereich des Interferogramms verbessert.
Bei der herkömmlichen Vorrichtung ist der dynamische Bereich beschränkt, da eine ausreichende Intensität nicht in einem Bereich erhalten werden kann, in welchem die durch das Interferometer modulierte Komponente bemerkenswert abgeschwächt ist, wobei das S/N-Verhältnis verschlechtert wird und der Beitrag der Rauschkomponente nicht ignoriert werden kann.
Gemäß der Erfindung wird jedoch die Intensität der modulierten Komponente auch in diesem Bereich höher im Vergleich zu der herkömmlichen Vorrichtung, da die schnelle Abschwächung der Intensität unterdrückt und der dynamische Bereich verbessert werden kann, da das Verringern der S/N-Verhältnisse und Quantisierungsfehler bei der AD-Umwandlung unterdrückt werden können.
Das durch den Detektor 107 erfasste Signal verläuft, nachdem es durch einen Vorverstärker 109 verstärkt wurde, durch ein Signalverarbeitungssystem (Wechselsignal(AC)-Auskoppler), umfassend ein Bandpassfilter 110, einen Lock-in-Verstärker 111 und einen Datenerfassungsschaltkreis 112, wobei ein durch ein links-zirkular polarisierter Lichtstrahl und ein rechtszirkular polarisierter Lichtstrahl erzeugtes Interferogramm extrahiert wird.
Das heißt, dass nur das Signal in einem vorbestimmten Frequenzband, welches eine Modulationsfrequenz des PEM 105 einschließt, das Bandpassfilter 110 passiert und die Komponente mit der Modulationsfrequenz des PEM wird Lock-in-erfasst unter Verwen dung eines Synchronisationssignals von dem Lock-in-Verstärker 111. Dann wird eine Abtastung ausgeführt mit einer vorbestimmten Zeitkonstante, und ein Wechselstromsignal mit einer Intensitätsvariation der Modulationskomponente des Interferometers 103 kann erhalten werden.
Zusätzlich, wie oben beschrieben, und entsprechend der Erfindung kann die Zeitkonstante des Lock-in-Verstärkers größer eingestellt werden, und das S/N-Verhältnis kann verbessert werden, da die Modulationsfrequenz der durch das Interferometer modulierten Komponente verkleinert wird und seine Form vergleichsweise glatt wird.
Andererseits durchläuft das durch den Detektor 107 erfasste Signal nach der Verstärkung durch den Vorverstärker 109 einen Tiefpassfilter 113 und einen Datenerfassungsschaltkreis 112 (Gleichsignal(DC)-Auskoppler), und das durch die Infrarotabsorption erzeugte Interferogramm wird extrahiert.
Auf der Grundlage der durch jede der links- und rechts-zirkular polarisierten Lichtstrahlen erzeugten Interferogramme und der durch die Infrarotabsorption und, wie oben beschrieben, ausgekoppelten Interferogramme wird eine Fouriertransformation mit einem Computer 114 ausgeführt, um ein Zirkular-Dichroismus-Spektrum zu berechnen, welches das Differenzspektrum (ΔA) zwischen den Absorptionsspektren ist, die jeweils durch links- und rechts-zirkular polarisierte Lichtstrahlen erzeugt werden.
Unter Verwendung einer Vorrichtung zum Nachweis von Zirkular-Dichroismus im Infrarotbereich gemäß der Erfindung wurde ein VCD-Spektrum eines (–)-ά-Pinen gemessen. Das Ergebnis der Messung ist in 7 gezeigt. Die Messung konnte in einer kurzen Zeit von 30 Minuten beendet werden, und Daten mit einer ausreichenden Genauigkeit für eine strukturelle Analyse konnten erhalten werden.
Wie oben stehend beschrieben, kann mit einer Vorrichtung zum Nachweis von Zirkular-Dichroismus im Infrarotbereich und mit einem Verfahren zum Nachweis von Zirkular-Dichroismus im Infrarotbereich gemäß der Erfindung die Messzeit und die Messgenauigkeit wie folgt verbessert werden, da ein selektiver Übertrager bereitgestellt wird, welcher selektiv nur Lichtstrahlen in einem spezifischen Wellenlängenbereich des infraroten Lichtes aus der IR-Quelle durchlässt.

(1) durch Auswählen und Verwenden eines Detektors, welcher eine hohe Empfindlichkeit in den spezifischen Wellenlängenbereichen besitzt, können hoch empfindliche Messungen durchgeführt werden und die Integration zur Verbesserung des S/N-Verhältnisses kann reduziert werden. Hierdurch kann die für eine Messung notwendige Zeit verkürzt werden.
(2) durch Einengen der Wellenlängenbereiche unter Verwendung des selektiven Übertragers kann das schnelle Abschwächen unter den Interferenzlichtstrahlen gemildert werden und die Abschwächung der Intensität kann unterdrückt werden. Dadurch verbessert sich der dynamische Bereich.
(3) Wenn ein PEM zum Erzeugen von zirkular-polarisiertem Licht verwendet wird, kann durch das Einstellen der Mittenwellenlänge des PEM auf den spezifischen Wellenlängenbereich jedes zirkular-polarisierte Licht wirkungsvoll in allen Messwellenlängenbereichen erzeugt werden, und die Messungen können effizient ausgeführt werden.
(4) Wenn ein MCT-Detektor des PC-Typs als Detektor verwendet wird, werden die Wellenlängenbereiche eingeengt und Licht aus Bereichen, die für die Messungen nicht notwendig sind, wird abgeschnitten. Dadurch wird die auf den Detektor einfallende Lichtintensität drastisch vermindert, und Messungen können in dem Intensitätsbereich durchgeführt werden, in welchem ein lineares Ansprechverhalten vorliegt. Somit können Messungen ohne Einfluss auf ihre Genauigkeit durchgeführt werden.
(5) Wenn ein Lock-in-Verstärker als AC-Auskoppler verwendet wird, wird die Modulationsfrequenz der durch das Interferometer modulierten Komponente erniedrigt, und seine Form wird vergleichsweise glatt. Dadurch kann die Zeitkonstante des Lock-in-Verstärkers größer eingestellt und das S/N-Verhältnis verbessert werden.

Ferner kann mit der Vorrichtung zum Nachweis von Zirkular-Dichroismus im Infrarotbereich und einem Verfahren zum Nachweis von Zirkular-Dichroismus im Infrarotbereich gemäß der Erfindung ein Mittel bereitgestellt werden zum einfachen Klarstellen des Verhältnisses zwischen Zirkular-Dichroismus-Spektren von spezifischen Absorptionsbanden und den Molekülstrukturen auch in dem Infrarotbereich erhalten werden, wo ihre Zuordnung sehr kompliziert ist durch das Bereitstellen eines selektiven Übertragers und durch das Einengen des Wellenlängenbereichs der Infrarot-Absorptionsbanden entsprechend den Vibrationsmoden der spezifischen Strukturen in dem Probenmolekül.

Claims

Fouriertransformationsgerät (1) zum Nachweis von Zirkular-Dichroismus im Infrarotbereich, umfassend: eine Infrarotlichtquelle (2), welche IR-Lichtstrahlen ausstrahlt; ein Interferometer (3) zum Überlagern von IR-Lichtstrahlen um einen Interferenzlichtstrahl zu erzeugen; einen Lichtpolarisator zum Umwandeln des Interferenzlichtstrahls in einen linear polarisierten Lichtstrahl; einen Zirkularpolarisator zum Umwandeln des linear polarisierten Lichtstrahles in links- und rechts-zirkular polarisierte Lichtstrahlen mit einer vorbestimmten Modulationsfrequenz und zum Bestrahlen der Probe (6) mit den zirkular polarisierten Lichtstrahlen; einen Detektor zum Erfassen der zirkular polarisierten Lichtstrahlen, welche die Probe (6) durchlaufen haben, und zum Erzeugen eines Detektionssignals; einen Gleichsignal(DC)-Auskoppler zum Auskoppeln eines durch die IR-Absorption der Probe (6) erzeugten Interferogramms aus dem detektierten Signal; ein Wechselsignal(AC)-Auskoppler zum Auskoppeln eines durch jede der links- und rechts-zirkular polarisierten Lichtstrahlen erzeugten Interferogramms aus dem detektierten Signal; eine Recheneinrichtung zur Ausführung einer Fouriertrans formation und zum Berechnen des Zirkular-Dichroismus und der IR-Absorption auf der Basis der durch die Auskoppler ausgekoppelten Interferogramme; gekennzeichnet durch einen selektiven Übertrager zum Einengen des Messwellenlängenbereichs auf der Grundlage eines Wellenlängenbereiches in einem IR-Absorptionsband entsprechend einem Vibrationsmode einer zu messenden Struktur des Probenmoleküls.
Fouriertransformationsgerät (1) zum Nachweis von Zirkular-Dichroismus nach Anspruch 1, wobei der Zirkularpolarisator ein fotoelastischer Modulator (5) ist.
Fouriertransformationsgerät (1) zum Nachweis von Zirkular-Dichroismus nach Anspruch 1 oder 2, wobei der fotoelastische Modulator (5) seine Mittenwellenlänge auf der Grundlage eines Messwellenlängenbereichs festsetzt, der durch den selektiven Übertrager selektiert wird.
Fouriertransformationsgerät (1) zum Nachweis von Zirkular-Dichroismus nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Wechselsignal(AC)-Auskoppler einen Lock-in-Verstärker (9) umfasst.
Fouriertransformationsgerät (1) zum Nachweis von Zirkular-Dichroismus nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein Wellenlängenbereich, in welchem der Detektor seine höchste Empfindlichkeit besitzt, festgelegt ist auf der Grundlage eines Messwellenlängenbereichs, der durch den selektiven Übertrager selektiert ist.
Fouriertransformationsgerät (1) zum Nachweis von Zirkular-Dichroismus nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der selektive Übertrager ein optisches Filter zum selektiven Bestrahlen der Probe (6) mit einem Lichtstrahl eines Wellenlängenbereichs in einem IR-Absorptionsband entsprechend einem Vibrationsmode einer spezifischen Struktur des Pro benmoleküls aus IR-Lichtstrahlen von der IR-Lichtquelle ist und/oder ein elektrisches Filter zum selektiven Übertragen einer Signalkomponente aus einem spezifischen Bereich auf der Grundlage eines Vibrationsmodes einer zu messenden Struktur aus Interferenzsignalen, die durch Lichtstrahlen bei jeder Wellenlänge erzeugt sind, welche die Komponenten eines durch das Interferometer (3) modulierten Signals sind.
Fouriertransformationsgerät (1) zum Nachweis von Zirkular-Dichroismus entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Bezug zwischen der zu messenden Struktur und dem durch den selektiven Übertrager selektierten Wellenlängenbereich durch wenigstens eine der folgenden Bedingungen 1)–7) ausgedrückt ist: 1) für die Struktur NH ist der für die Messung zu selektierende Wellenlängenbereich 3.700–3.100 cm^–1; 2) für die Struktur CH-Streckvibration ist der für die Messung zu selektierende Wellenlängenbereich 3.000–2.800 cm^–1; 3) für die Struktur C=O ist die für die Messung zu selektierende Wellenlänge 1.700 cm^–1; 4) für die Struktur Amide I (Protein) ist die für die Messung zu selektierende Wellenlänge 1.640 cm^–1; 5) für die Struktur Amide II (Protein) ist die für die Messung zu selektierende Wellenlänge 1.550 cm^–1; 6) für die Struktur CH-Knickschwingung ist der für die Messung zu selektierende Wellenlängenbereich 1.500-1.300 cm^–1; und 7) für die Struktur C-O-C (Zucker) ist der für die Messung zu selektierende Wellenlängenbereich 1.100–900 cm^–1.
Verfahren zum Nachweis von Zirkular-Dichroismus im Infrarotbereich umfassend die Schritte von: Erzeugen eines Interferenzlichtstrahls durch das Überlagern von durch eine Infrarotlichtquelle abgestrahlte Infrarotlichtstrahlen unter Verwendung eines Interferometers (3); nach der Erzeugung eines linear polarisierten Lichtstrahles aus dem Interferenzlichtstrahl, Umwandeln des linear polarisierten Lichtstrahls in rechts- und einen linkszirkular polarisierte Lichtstrahlen mit einer vorbestimmten Modulationsfrequenz und Bestrahlen einer Probe (6) mit den umgewandelten Lichtstrahlen; Erfassen der zirkular polarisierten Lichtstrahlen, nachdem sie die Probe (6) durchlaufen haben und Erzeugen eines Detektionssignals; Auskoppeln eines durch jede der rechts- und links-zirkular polarisierten Lichtstrahlen erzeugten Interferogramms aus dem detektierten Signal; Ableiten einer Fouriertransformation und Berechnen eines Zirkular-Dichroismus aus den Interferogrammen (3), gekennzeichnet durch Einengen des Messwellenlängenbereichs auf der Grundlage eines Absorptionswellenlängenbereichs entsprechend eines zu messenden Vibrationsmodes eines Probenmoleküls.
Verfahren zum Nachweis von Zirkular-Dichroismus im Infrarotbereich nach Anspruch 8, wobei der zirkular polarisierte Lichtstrahl durch einen fotoelastischen Modulator (5) erzeugt wird.
Verfahren zum Nachweis von Zirkular-Dichroismus im Infrarotbereich nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Mittenwellenlänge des fotoelastischen Modulators (5) auf der Grundlage des selektierten Messwellenlängenbereichs festgesetzt wird.
Verfahren zum Nachweis von Zirkular-Dichroismus im Infrarotbereich nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei ein Lock-in-Verstärker (11) für die Auskopplung verwendet wird.
Verfahren zum Nachweis von Zirkular-Dichroismus im Infrarotbereich nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei ein Detektor (7) verwendet wird zur Erfassung der zirkular polarisierten Lichtstrahlen, welche die Probe (6) durchlaufen haben, und zum Erzeugen eines Detektionssignals und wobei ein Wellenlängenbereich, in welchem der Detektor eine hohe Empfindlichkeit besitzt, auf der Grundlage des selektierten Messwellenlängenbereichs bestimmt wird.
Verfahren zum Nachweis von Zirkular-Dichroismus im Infrarotbereich nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei der Messwellenlängenbereich eingeengt wird durch selektives Bestrahlen einer Probe mit einem Lichtstrahl in einem IR-Absorptionswellenlängenbereich entsprechend dem Vibrationsmode der spezifischen Struktur in einem Probenmolekül unter den IR-Lichtstrahlen aus der IR-Lichtquelle unter Verwendung eines optischen Filters und/oder durch selektives Übertragen einer Signalkomponente aus einem spezifischen Bereich, der auf der Grundlage eines Vibrationsmodes der zu messenden Struktur unter den durch Lichtstrahlen bei jeder Wellenlänge erzeugten Interferenzsignalen bestimmt ist, die Komponenten eines durch das Interferometer modulierten Signals sind unter Verwendung eines elektrischen Filters.