El dicroísmo circular vibracional ( VCD ) es una técnica espectroscópica que detecta diferencias en la atenuación de la luz polarizada circularmente hacia la izquierda y hacia la derecha que pasa a través de una muestra. Es la extensión de la espectroscopia de dicroísmo circular a los rangos infrarrojo y cercano al infrarrojo. [1]
Debido a que la VCD es sensible a la orientación mutua de los distintos grupos de una molécula, proporciona información estructural tridimensional. Por lo tanto, es una técnica potente, ya que los espectros VCD de enantiómeros se pueden simular utilizando cálculos ab initio , lo que permite la identificación de configuraciones absolutas de pequeñas moléculas en solución a partir de los espectros VCD. Entre estos cálculos cuánticos de los espectros VCD resultantes de las propiedades quirales de pequeñas moléculas orgánicas se encuentran los basados en la teoría del funcional de la densidad (DFT) y los orbitales atómicos que incluyen el calibre (GIAO). Como ejemplo simple de los resultados experimentales que se obtuvieron mediante VCD se encuentran los datos espectrales obtenidos dentro de la región de estiramiento carbono-hidrógeno (CH) de 21 aminoácidos en soluciones de agua pesada . Las mediciones de la actividad óptica vibracional (VOA) tienen, por lo tanto, numerosas aplicaciones, no solo para moléculas pequeñas, sino también para biopolímeros grandes y complejos como las proteínas musculares ( miosina , por ejemplo) y el ADN .
Si bien la cantidad fundamental asociada con la absorción infrarroja es la fuerza dipolar, la absorción diferencial también es proporcional a la fuerza rotacional, una cantidad que depende de los momentos de transición dipolares eléctricos y magnéticos. La sensibilidad de la lateralidad de una molécula hacia la luz polarizada circularmente resulta de la forma de la fuerza rotacional. Un desarrollo teórico riguroso de VCD fue desarrollado simultáneamente por el difunto Profesor PJ Stephens, FRS, en la Universidad del Sur de California , [2] [3] y el grupo del Profesor AD Buckingham, FRS, en la Universidad de Cambridge en el Reino Unido, [4] y primero implementado analíticamente en el Cambridge Analytical Derivative Package (CADPAC) por RD Amos. [5] Desarrollos previos por DP Craig y T. Thirmachandiman en la Universidad Nacional Australiana [6] y Larry A. Nafie y Teresa B. Freedman en la Universidad de Syracuse [7] aunque teóricamente correctos, no pudieron implementarse directamente, lo que impidió su uso. Sólo con el desarrollo del formalismo de Stephens, tal como se implementó en CADPAC, se hizo posible un cálculo teórico rápido, eficiente y riguroso de los espectros VCD de moléculas quirales. Esto también estimuló la comercialización de instrumentos VCD por parte de Biotools, Bruker, Jasco y Thermo-Nicolet (ahora Thermo-Fisher).
Se han publicado estudios extensos de VCD tanto para polipéptidos como para varias proteínas en solución; [8] [9] [10] también se recopilaron varias revisiones recientes. [11] [12] [13] [14] También se proporciona una lista extensa pero no exhaustiva de publicaciones sobre VCD en la sección "Referencias". Los informes publicados durante los últimos 22 años han establecido que la VCD es una técnica poderosa con resultados mejorados sobre los obtenidos previamente por dicroísmo circular (CD) visible/UV o dispersión rotatoria óptica (ORD) para proteínas y ácidos nucleicos.
Los efectos debidos al solvente en la estabilización de las estructuras (confórmeros y especies zwitteriónicas) de aminoácidos y péptidos y los efectos correspondientes observados en el dicroísmo circular vibracional (VCD) y los espectros de actividad óptica Raman (ROA) han sido documentados recientemente por un trabajo teórico y experimental combinado sobre L-alanina y N-acetil L-alanina N'-metilamida. [15] [16] También se han observado efectos similares en los espectros de resonancia magnética nuclear (RMN) por los grupos de RMN Weise y Weisshaar en la Universidad de Wisconsin-Madison . [17]
Se han informado y asignado espectros VCD de nucleótidos, polinucleótidos sintéticos y varios ácidos nucleicos, incluido el ADN, en términos del tipo y número de hélices presentes en el ADN A, B y Z.
El VCD puede considerarse una técnica relativamente reciente. Aunque la actividad óptica vibracional y, en particular, el dicroísmo circular vibracional se conocen desde hace mucho tiempo, el primer instrumento VCD se desarrolló en 1973 [18] y los instrumentos comerciales solo estuvieron disponibles a partir de 1997. [19]
En el caso de biopolímeros como proteínas y ácidos nucleicos, la diferencia de absorbancia entre las configuraciones levo y dextro es cinco órdenes de magnitud menor que la absorbancia correspondiente (no polarizada). Por lo tanto, la VCD de biopolímeros requiere el uso de instrumentación especialmente construida y muy sensible, así como un promedio temporal en intervalos de tiempo relativamente largos, incluso con espectrómetros de VCD tan sensibles. La mayoría de los instrumentos de CD producen luz polarizada circularmente a la izquierda y a la derecha, que luego se modula en forma de onda sinusoidal o cuadrada, con posterior detección sensible a la fase y amplificación de bloqueo de la señal detectada. En el caso de FT-VCD, se emplea un modulador fotoelástico (PEM) junto con una configuración de interferómetro FTIR. Un ejemplo es el de un interferómetro FTIR Bomem modelo MB-100 equipado con accesorios/óptica polarizadora adicionales necesarios para registrar espectros de VCD. Un haz paralelo emerge a través de un puerto lateral del interferómetro que pasa primero a través de un polarizador lineal de rejilla de alambre y luego a través de un PEM de cristal de ZnSe de forma octogonal que modula el haz polarizado a una frecuencia fija más baja, como 37,5 kHz. Un cristal sometido a tensión mecánica, como el de ZnSe, exhibe birrefringencia cuando se lo somete a tensión mediante un transductor piezoeléctrico adyacente. El polarizador lineal se coloca cerca y a 45 grados con respecto al eje del cristal de ZnSe. La radiación polarizada enfocada en el detector se modula doblemente, tanto por el PEM como por la configuración del interferómetro. También se selecciona un detector de ruido muy bajo, como MCT (HgCdTe), para la detección sensible a la fase de la señal VCD. El primer espectrómetro VCD dedicado que se lanzó al mercado fue el ChiralIR de Bomem/BioTools, Inc. en 1997. Hoy, Thermo-Electron, Bruker, Jasco y BioTools ofrecen accesorios VCD o instrumentación independiente. [20] Para evitar la saturación del detector, se coloca un filtro de paso de onda largo adecuado antes del detector MCT de ruido muy bajo, que permite que solo la radiación por debajo de 1750 cm −1 llegue al detector MCT; este último, sin embargo, mide la radiación solo hasta 750 cm −1 . Luego se realiza la acumulación de espectros FT-VCD de la solución de muestra seleccionada, que se digitaliza y almacena mediante una computadora en línea. También hay disponibles revisiones publicadas que comparan varios métodos VCD. [21] [22]
También se han informado espectros de VCD en presencia de un campo magnético externo aplicado. [23] Este método puede mejorar la resolución espectral de VCD para moléculas pequeñas. [24] [25] [26] [27] [28]
ROA es una técnica complementaria a VCD especialmente útil en la región espectral de 50–1600 cm −1 ; se considera como la técnica de elección para determinar la actividad óptica para energías de fotones menores a 600 cm −1 .
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