El dicroísmo circular vibratorio ( VCD ) es una técnica espectroscópica que detecta diferencias en la atenuación de la luz polarizada circularmente izquierda y derecha que pasa a través de una muestra. Es la extensión de la espectroscopia de dicroísmo circular a los rangos infrarrojo e infrarrojo cercano. [1]
Debido a que el VCD es sensible a la orientación mutua de distintos grupos en una molécula, proporciona información estructural tridimensional. Por lo tanto, es una técnica poderosa ya que los espectros VCD de enantiómeros se pueden simular mediante cálculos ab initio , lo que permite la identificación de configuraciones absolutas de moléculas pequeñas en solución a partir de espectros VCD. Entre estos cálculos cuánticos de espectros VCD resultantes de las propiedades quirales de pequeñas moléculas orgánicas se encuentran los basados en la teoría funcional de la densidad (DFT) y los orbitales atómicos que incluyen calibres (GIAO). Como ejemplo simple de los resultados experimentales obtenidos por VCD están 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 vibratoria (VOA) tienen, por tanto, numerosas aplicaciones, no sólo 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 del dipolo eléctrico y magnético. La sensibilidad de la lateralidad de una molécula hacia la luz polarizada circularmente resulta de la forma de la fuerza de rotación. Simultáneamente , el difunto profesor PJ Stephens, FRS, de la Universidad del Sur de California , [2] [3] y el grupo del profesor AD Buckingham, FRS, de la Universidad de Cambridge en el Reino Unido, desarrollaron un riguroso desarrollo teórico del VCD. ] e implementado analíticamente por primera vez en el Cambridge Analytical Derivative Package (CADPAC) por RD Amos. [5] Los desarrollos previos realizados por DP Craig y T. Thirmachandiman en la Universidad Nacional de Australia [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 implementado en CADPAC se hizo factible un cálculo teórico rápido, eficiente y teóricamente 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 informado extensos estudios de VCD tanto para polipéptidos como para varias proteínas en solución; [8] [9] [10] También se compilaron varias revisiones recientes. [11] [12] [13] [14] En la sección "Referencias" también se proporciona una lista extensa pero no completa de publicaciones en VCD. Los informes publicados durante los últimos 22 años han establecido el VCD como una técnica poderosa con resultados mejorados con respecto a los obtenidos anteriormente mediante dicroísmo circular (CD) visible/UV o dispersión rotatoria óptica (ORD) para proteínas y ácidos nucleicos.
Los efectos debidos al disolvente en la estabilización de las estructuras (conformadores y especies zwitteriónicas) de aminoácidos y péptidos y los efectos correspondientes observados en el dicroísmo circular vibratorio (VCD) y en los espectros de actividad óptica Raman (ROA) han sido documentados recientemente mediante un estudio teórico y combinado. Trabajo experimental sobre L-alanina y N-acetil L-alanina N'-metilamida. [15] [16] Los grupos de RMN Weise y Weisshaar de la Universidad de Wisconsin-Madison también han observado efectos similares en los espectros de resonancia magnética nuclear (RMN) . [17]
Los espectros VCD de nucleótidos, polinucleótidos sintéticos y varios ácidos nucleicos, incluido el ADN, se han informado y asignado 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 vibratoria y, en particular, el dicroísmo circular vibratorio, se conocen desde hace mucho tiempo, el primer instrumento VCD se desarrolló en 1973 [18] y los instrumentos comerciales sólo estuvieron disponibles a partir de 1997. [19]
Para biopolímeros como proteínas y ácidos nucleicos, la diferencia en absorbancia entre las configuraciones levo y dextro es cinco órdenes de magnitud menor que la absorbancia correspondiente (no polarizada). Por lo tanto, el VCD de biopolímeros requiere el uso de instrumentación muy sensible, especialmente construida, así como un promedio de tiempo en intervalos de tiempo relativamente largos, incluso con espectrómetros VCD tan sensibles. La mayoría de los instrumentos de CD producen luz polarizada circularmente hacia la izquierda y hacia la derecha que luego se modula en forma de onda sinusoidal o de onda cuadrada, con la subsiguiente 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 modelo MB-100 de Bomem equipado con ópticas polarizadoras adicionales y accesorios necesarios para grabar espectros 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 ZnSe, presenta birrefringencia cuando es sometido a tensión por un transductor piezoeléctrico adyacente. El polarizador lineal está colocado cerca y a 45 grados con respecto al eje del cristal de ZnSe. La radiación polarizada enfocada en el detector está doblemente modulada, tanto por el PEM como por la configuración del interferómetro. También se selecciona un detector de muy bajo ruido, 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 en día, 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 larga apropiado antes del detector MCT de muy bajo ruido, que permite que solo la radiación por debajo de 1750 cm −1 llegue al detector MCT; Sin embargo, este último mide la radiación sólo hasta 750 cm −1 . Luego, una computadora en línea lleva a cabo, digitaliza y almacena la acumulación de espectros FT-VCD de la solución de muestra seleccionada. También se encuentran disponibles reseñas publicadas que comparan varios métodos de VCD. [21] [22]
También se han informado espectros VCD en presencia de un campo magnético externo aplicado. [23] Este método puede mejorar la resolución espectral del VCD para moléculas pequeñas. [24] [25] [26] [27] [28]
ROA es una técnica complementaria al VCD especialmente útil en la región espectral de 50 a 1600 cm −1 ; se considera la técnica de elección para determinar la actividad óptica para energías de fotones inferiores a 600 cm −1 .
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