生体分子解析学
2016/7/9
機器分析
分光学
Ｘ線結晶構造解析
質量分析
熱分析
その他機器分析
1
2016/7/9
演習
1. C=C二重結合の伸縮運動に伴う吸収の波数は、C-C単結合の伸
縮運動に伴う吸収の波数の何倍になるか概算値を求めなさい。
ただし、C=C二重結合のσ結合とπ結合の強さが共にC-C単結合
のσ結合の強さと等しいものと近似する。
C=C二重結合のσ結合とπ結合の強さが共に、C-C単結合のσ結
合の強さと等しいので、C=C二重結合の結合の強さはC-C単結合の
２倍になる。
即ち、バネ定数が２倍: kC=C = 2kC-C
1
波数 ν = 2πc
√
kC=C
1
=
μ
2πc
√
2kC-C
μ
これより、 C=C伸縮運動の波数はC-C伸縮振動の √2 倍
2
2016/7/9
演習
2. C-H伸縮運動の波数は、C-D伸縮運動に伴う吸収の波数の何倍
になるか概算値を求めなさい。Dは2H（質量数2の水素原子）。
m1•m2
12×1 12
C-H結合の換算質量μC-Hは μC−H = m + m =
12+1 13
1
2
=
m1•m2
12×2 12
C-D結合の換算質量μC-Dは μC−D = m + m =
7
12+2
1
2
=
√
k
1
= 2πc μ
√
1
波数 νC-D = 2πc
波数 νC-H
k
√ √
√
12
k
k
1
1
= 2πc (13/12) = 2πc
√
√ √ 13
1
μC−D = 2πc
C−H
k
1
(12/7) = 2πc
k
7
12
これより、 C-D伸縮運動の波数はC-H伸縮振動の √7*13/12*12 倍
3
宿題
2016/7/9
1. C-C伸縮振動よりC=C伸縮振動のほうが高波数側に吸収がある
ことを下記の言葉を使って説明しなさい。
バネ定数、共有結合
共有結合はバネのような働きをする。C=C二重結合では共有結合
が２つあり、C-C単結合のバネ２個分に近い力で結合している。
従って、バネ定数kが大きくなることに相当する。波数はkの平方根
に比例するので、C=C伸縮振動のほうがC-C伸縮振動より高波数
となる。
4
赤外光領域の分光法・物理的背景
高
γ線
A-B
A
低
E (光子のエネルギー;単位: J)
波長 短 10-12 10-11 10-10
10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 (m) 長
Ｘ線
紫
外
線
分子
可
視
光
線
赤外線
マイクロ
ラジオ波
波
バネの伸縮運動
B
A
B
m1
m2
2016/7/9
結合が
伸縮する
原子は重り、共有結合はバネ
単振動
単振動：バネの動き
x = −r•cos(ωt) ω: 単振動と周期が同じ回転運動の角速度
x/m
r
振幅: r
0
−r
t/s
周期: T (s)
t/s
振動数 f(s-1) = 1/T(s)
周期 T(s) = 2π(=360°)(rad)/ω(rad/s)
出典： http://www.mars.dti.ne.jp/~stamio
2016/7/9
赤外分光法の物理
高
低
E (光子のエネルギー;単位: J)
波長 短 10-12 10-11 10-10
γ線
10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 (m) 長
Ｘ線
紫
外
線
可
視
光
線
赤外線
マイクロ
ラジオ波
波
バネの伸縮運動
天井
物理学A (高校物理)
k: バネ定数
単振動
m
単振動
バネの端が固定された単振動
1
振動数 ν = 2π
√
k
m
1
ν
1
波数 ν = λ = c = 2πc
√
k
m
2016/7/9
赤外分光法の物理
高
E (光子のエネルギー;単位: J)
波長 短 10-12 10-11 10-10
γ線
A-B
10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 (m) 長
紫
外
線
Ｘ線
可
視
光
線
分子
k: 結合のバネ定数
m1
低
m2
換算質量: μ
分子振動
どこも固定されていない単振動
赤外線
マイクロ
ラジオ波
波
m1+ m2
1
1
1
μ = m1 + m2 = m1•m2
m1•m2
μ = m +m
1
2
1
振動数 ν = 2π
√
k
μ
1
ν
1
波数 ν = λ = c = 2πc
√
k
μ
2016/7/9
赤外光と赤外分光法
高
波長
波数
2.5×10-6
2.5×10-5 (m)
5×10-6
4000
2500
(単結合)
C−H
N−H
O−H
2000
m2
400 (cm-1)
1500
(三重結合) (二重結合) (単結合)
C≡C
C=C
C−C
C≡N
C=N
C−N
C=O
C−O
特性吸収帯
m1
低
E (光子のエネルギー;単位: J)
m1
m1 m1
指紋領域
m1 m1
m1
9
赤外分光（構造解析編）
100
2016/7/9
3300 cm-1付近の幅広くて強い吸収
50
O-H伸縮振動
3000
2000
1000
波数／cm-1
1700 cm-1付近の
強い吸収
100
50
0
C=O伸縮振動
3000
2000
1000
波数／cm-1
10
2016/7/9
赤外分光（構造解析編）
C=O伸縮振動の波数
O
R
O
O
O
R
R
約1745 cm-1
R
R
N
R
H
約1720 cm-1
約1645 cm-1
1700 cm-1付近の
強い吸収
100
50
0
C=O伸縮振動
3000
2000
1000
波数／cm-1
11
紫外可視領域の分光法・物理的背景
高
γ線
物理現象
測定法
低
E (光子のエネルギー;単位: J)
波長 短 10-12 10-11 10-10
10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 (m) 長
Ｘ線
電子による
Ｘ線の弾性散乱
Ｘ線結晶構造
解析
回折法
2016/7/9
紫
外
線
可
視
光
線
電子遷移
赤外線
マイクロ
ラジオ波
波
分子振動
分子の 核スピンの
回転運動
反転
紫外可視
赤外分光法
分光法
蛍光
ラマン
分光法
分光法
CD, ORD
旋光度
回転
分光法
ESR
分光法
分光法
NMR
分光法
12
蛍光とリン光の化学的背景
2016/7/9
衝突や運動に
よるエネルギー
放出(損失）
S1
励起
最低振動準位
ΔE1 = hν1
励起
蛍光
ΔE2 = hν2
G
基底状態
最低振動準位 (一重項)
13
蛍光とリン光の化学的背景
2016/7/9
衝突や運動に
よるエネルギー
放出(損失）
S1
励起 一重項
最低振動準位
ΔE1 = hν1
励起
蛍光
ΔE2 = hν2
G
基底状態
最低振動準位 (一重項)
14
2016/7/9
蛍光とリン光の化学的背景
衝突や運動に
よるエネルギー
放出(損失）
S1
励起一重項
最低振動準位
ΔE1 = hν1
励起
振動遷移
回転遷移
衝突や運動
(禁制遷移)
電子スピン
反転
蛍光 リン光
ΔE2 = hν2 ΔE3 = hν3
励起
最低振動準位
リン光を出す
過程が遅い
(禁制遷移)
G
基底状態
最低振動準位
T1
長く光る
(一重項)
15
2016/7/9
蛍光とリン光の化学的背景
衝突や運動に
よるエネルギー
放出(損失）
S1
励起一重項
最低振動準位
ΔE1 = hν1
励起
振動遷移
回転遷移
衝突や運動
(禁制遷移)
電子スピン
反転
蛍光 リン光
ΔE2 = hν2 ΔE3 = hν3
励起 三重項
最低振動準位
リン光を出す
過程が遅い
(禁制遷移)
G
基底状態
最低振動準位
T1
長く光る
(一重項)
16
2016/7/9
蛍光とリン光の化学的背景
(禁制遷移)
電子スピン
反転
S1
励起一重項
最低振動準位
ΔE1 = hν1
励起
蛍光 リン光
ΔE2 = hν2
ΔE3 = hν3
励起 三重項
最低振動準位
リン光を出す
過程が遅い
(禁制遷移)
G
基底状態
最低振動準位
ΔE1 > ΔE2 > ΔE3
T1
長く光る
ΔE = hν
ν1 > ν2 > ν3
17
2016/7/9
蛍光とリン光の化学的背景
高
波長
振動数
E (光子のエネルギー;単位: J)
1.0×10-8
1.0×10-7
3×1016
3×1015
入射光
蛍光
リン光
ΔE1 > ΔE2 > ΔE3
ν1 > ν2 > ν3
ΔE = hν
λ = c/ν
低
1.0×10-6 (m)
3×1014(Hz)
入射光 蛍光 リン光
ν1 > ν2 > ν3
λ1 < λ2 < λ3
蛍光・リン光は入射光より長波長
蛍光・リン光は入射光より低エネルギー
18
2016/7/9
蛍光スペクトル：装置
蛍光 or リン光
透過光: λ1
励起光の残り
励起光(入射光): λ1
蛍光は90°横から検出
透過光の混入を避けるため
蛍光 or リン光
λ2
色々な波長で
発光
19
2016/7/9
蛍光スペクトル測定
光源から特定波長(λ1)の取出し
蛍光 or リン光
透過光: λ1
励起光の残り
励起光(入射光): λ1
蛍光の波長掃引
励起光: λ1
蛍光 or リン光
λ2
色々な波長で
発光
20
2016/7/9
励起スペクトル測定
蛍光 or リン光
励起光の波長掃引
透過光: λ1
励起光の残り
励起光(入射光): λ1
蛍光 or リン光
λ2
単一波長(λ2)の蛍光の取出し
励起スペクトル
蛍光: λ2
λ2
色々な波長で
発光
λ1を波長掃引した時の、
λ2の蛍光強度変化
21
蛍光スペクトルと励起スペクトル
励起スペクトル
(吸収スペクトル)
2016/7/9
蛍光スペクトル
励起スペクトルと蛍光スペクトルの
22
蛍光スペクトルと励起スペクトル
励起スペクトル
(吸収スペクトル)
2016/7/9
蛍光スペクトル
励起スペクトルと蛍光スペクトルの 鏡像関係
23
蛍光スペクトルによる分析
2016/7/9
吸光度 (A=εcl) > 0.05
の時
定量性悪し
セルの場所によって蛍光が
吸光度 (A=εcl) < 0.05
の時
定量性良し
セルの場所による蛍光
蛍光強度 F = kI0Φεcl ∝ c (濃度)
24
蛍光スペクトルによる分析
2016/7/9
吸光度 (A=εcl) > 0.05
の時
定量性悪し
セルの場所によって蛍光が変化
吸光度 (A=εcl) < 0.05
の時
定量性良し
セルの場所による蛍光変化無し
蛍光強度 F = kI0Φεcl ∝ c (濃度)
25
蛍光スペクトル：応用
2016/7/9
1) 蛍光標識：タンパク質や核酸に蛍光プローブを結合させる
2) 細胞内物質のイメージング：蛍光標識タンパク質を用いて、タ
ンパク質の細胞内局在等を調べる。
3) 蛍光共鳴エネルギー移動 (FRET)：分子を二種類の蛍光プロー
ブで標識し、蛍光のエネルギー移動効率から蛍光プローブ間
距離を見積もることが出来る手法
26
蛍光スペクトル：応用
2016/7/9
3) 蛍光共鳴エネルギー移動 (FRET)：分子を二種類の蛍光プロー
ブで標識し、蛍光のエネルギー移動効率から蛍光プローブ間
距離を見積もることが出来る手法
hν1
D
hν2
hν1
D
A
蛍光プローブ１ 蛍光プローブ２
hν3
A
27
蛍光スペクトル：応用
2016/7/9
3) 蛍光共鳴エネルギー移動 (FRET)：分子を二種類の蛍光プロー
ブで標識し、蛍光のエネルギー移動効率から蛍光プローブ間
距離を見積もることが出来る手法
hν1
D
hν1
hν2
D
A
hν3
蛍光プローブ１ 蛍光プローブ２
蛍光プローブ１
A
ν1 (ν )
2
励起スペクトル
蛍光スペクトル
ν3
蛍光プローブ２
励起スペクトル
蛍光プローブ１の蛍光スペクト
ルと蛍光プローブ２の励起スペ
クトルの波長に重なりがある時
に起こる
蛍光スペクトル
波長(λ)/nm
28
2016/7/9
旋光度：光（電磁波）
電磁波：電場と磁場が相互作用して空間を媒体なしに進む波動
y
0
電場成分(x-y平面）
x
z
29
2016/7/9
旋光度：光（電磁波）
電磁波：電場と磁場が相互作用して空間を媒体なしに進む波動
y
0
x
z
30
2016/7/9
旋光度：光（電磁波）
電磁波：電場と磁場が相互作用して空間を媒体なしに進む波動
y
0
電場成分(x-y平面）
x
z
31
2016/7/9
旋光度：光（電磁波）
電磁波：電場と磁場が相互作用して空間を媒体なしに進む波動
y
0
電場成分(x-y平面）
x
y
z
z
32
2016/7/9
旋光度：光（電磁波）
電磁波：電場と磁場が相互作用して空間を媒体なしに進む波動
y
0
電場成分(x-y平面）
y
z
x
z
円偏光
33
演習
2016/7/9
1. 励起光と蛍光ではいずれの波長が長いか。理由も応えなさい。
宿題
(予習) 旋光性を示す化合物の特徴を説明しなさい。
（特に構造特性に着目して下さい）
34

3位 3位