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圓二色性（Circular Dichroism, CD）和旋光色散（Optical Rotatory Dispersion, ORD）原理
關於極化（Polarization）
光具有電磁性質（Electromagnetic Nature），包含垂直於光束傳播方向震盪的電場和磁場分量。在自然光下，這些組成會向多個方向振動。而在線偏振光（Linearly Polarized Light）中，這些振動被限制在一個平面上（參見圖1-1上方）。而圓偏振光（Circularly Polarized Light）則是偏振的另一種形式，其中振動平面隨著光束的傳播而旋轉（參見圖1-1下方）。
圖1-1、線偏振光(上)與圓偏振光(下)
圖 1-2、線偏振光(上)與圓偏振光(下)。(動態來源: http://emanim.szialab.org/)
線偏振（Linear Polarization）是通過光學元件偏振器，使晶體軸（Crystal Axes）和分子方向保持一致來獲得。當一個正交的波向量（電場向量）的相位偏離 1/4 波長時，就會出現圓偏振。圓偏振光可以是左旋（El）或右旋（Er），而線偏振光則可視為等強度的 El 和 Er 的總和（見圖2，上）。當 El 和 Er 強度不同時，產生的光就稱為橢圓偏振（見圖2，下）。
圖2-1、圓偏振光分量之總和
El = Er：線偏振光（上）
El ≠ Er：橢圓偏振光（下）
圖2-2、線偏振光和圓偏振光之總和。(動態來源: http://emanim.szialab.org/)
ORD測量的旋光度和原理
光學活性物質是具有 L 型和 D 型鏡像的分子，例如:沙利竇邁（Thalidomide）和甘油醛（Glyceraldehyde）。這些物質會引起線偏振光的偏振平面旋轉，這稱為旋光度（Optical Rotation, OR）。物質的比旋光度（Specific Rotation）隨著光的波長而變化的現象稱為旋光色散（Optical Rotational Dispersion, ORD）。
如圖 3 所示，當沿 Y 軸線性偏振的光的偏振平面向左旋轉時，這稱為左旋（l）或（-）旋光。而當旋轉向右時，則稱為右旋（d）或（+）旋光。旋轉角度以α表示，可以是正的，也可以是負的。
圖3、旋光原理示意圖。
CD測量原理
圓二色性（Circular Dichroism, CD）是一種現象，指在光學活性物質的吸收波長範圍內，左旋和右旋圓偏振光的吸收程度不同。CD測量通過將左旋和右旋圓偏振光通過光學活性樣品來檢測這些差異。透過樣品的光變成橢圓偏振，這種現象稱為圓二色性，用橢圓度θ來表達（見圖4）。表示這種橢圓度隨波長變化的圖形被稱為圓二色性光譜（CD光譜）。
圖4-1、CD原理示意圖：圓偏振光的不均勻吸收
圖4-2、CD原理示意圖：圓偏振光的不均勻吸收。(動態來源: http://emanim.szialab.org/)
旋光度和手性（Chirality）
許多藥物和食物中都含有光學活性（手性）化合物。圖5顯示了甘油醛（Glyceraldehyde）的L型和D型，而在自然界中通常以D型存在。手性藥物和食物展示出與其鏡像異構體不同的特性和效果，因為其作用的生物體也具有手性特性。例如，薄荷醇的L型被用作口香糖和牙膏的清涼劑，但D型對此目的無效。同樣地，多巴（Dopa，一種治療帕金森氏症的藥物）只有在其L型中才有效。因此，瞭解使用的是哪種物質以及其純度是必要的，因為L型和D型具有不同的作用方式。如果手性分子具有吸收帶（Absorption Band），則可以進行CD測量，但即使沒有吸收帶，ORD和光學旋光測量也是適用的。
圖5 、L和D型的甘油醛。
手性分子的鑑定
以下方法可用於區分手性分子和光學異構體（Optical Isomers, L 和 D）：
- 通過晶體特性分離結晶
- 生物分析
- X射線晶體結構分析
- 核磁共振（NMR）
- 光學旋光測量
- CD / ORD測量
CD / ORD是一種光譜測量方法，具有一個優勢，即可以在溶液狀態下進行樣品測量，無需進行任何特殊預處理。
光學旋光（Optical Rotation, OR）測量根據波長的變化來確定偏振旋轉角度，是測量濃度和光學純度（L型和D型的比例）最簡單的方法。日本藥典、美國藥典和歐洲藥典為藥品設定了測試標準，並將波長、溫度和濃度等測量條件進行了國際標準化。通過標準化分析程式（SOP），包括樣品準備方法和測量條件等因素，可以進行全球的分析結果比較。具體旋光公式如下：
科頓效應（Cotton effect）
科頓效應是指手性分子在特定波長下吸收圓偏振光時導致吸收帶的強度和位置發生變化的現象。圖6以示意圖方式顯示了CD / ORD圖譜與吸收波長區域中UV圖譜之間的關係。在UV圖譜的範圍內，可以觀察到ORD圖譜的異常色散和單峰值CD圖譜，這些提供了有關光學活性物質結構和構形的線索。從科頓效應中可以獲得以下三項資訊：
1: 符號（±）：CD（+），ORD（長波長最大值）
2: 大小：CD 峰值，ORD 峰值，谷值幅度 (valley amplitude)
3: 位置：CD 峰值波長 = ORD 轉折點
圖 6、典型的 CD、ORD 和 UV 光譜圖
圖 7展示了(1S)-(+)-10-camphorsulfonic acid ammonium salt的UV、ORD和CD譜。科頓效應在220至350 nm的波長範圍內可見。當ORD值的最大值在長波長時，如本例所示，稱為正的科頓效應。當最大值在短波長時，稱為負的科頓效應。而(1R)-(-)-10-camphorsulfonic acid ammonium salt是(1S)-(+)-10-camphorsulfonic acid ammonium salt的一種光學異構體，其ORD在短波長處達到最大值。通過測量ORD和CD譜，可以確定是否存在D型或L型。
圖 7 、(1S)-(+)-10-camphorsulfonic acid ammonium salt所得 CD、ORD 和 UV 光譜圖
CD/ORD 方法特點
CD和ORD測量適合檢測構形變化（Conformational Changes）和分子間的相互作用（Molecular Interactions），而不是分析物質的詳細結構。此外，CD測量在分析的便利性和測量Cotton效應方面優於ORD （見表1）。
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特點 |
ORD |
CD |
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科頓效應輪廓 |
複雜的 |
簡單分離效果好 |
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應用方式 |
較難 |
簡單 |
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定量分析 |
可以 |
可以 |
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樣品鑑定 |
適合 |
困難 |
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測量目標 |
光學活性物質 |
吸收不均等的化合物 |
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