太赫茲光譜技術(shù)在氨基酸鑒定中的應(yīng)用

三江學(xué)院 蔡 蒙 王 芳

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太赫茲光譜技術(shù)在氨基酸鑒定中的應(yīng)用

三江學(xué)院 蔡 蒙 王 芳

【摘要】利用太赫茲時域光譜儀和傅里葉變換紅外光譜儀測試并分析了L-丙氨酸、L-精氨酸、L-異亮氨酸、L-亮氨酸、L-賴氨酸和L-纈氨酸等六種不同氨基酸分子的吸收光譜。找出了每種氨基酸分子的特征吸收峰位置，并對部分吸收峰進行了指認，此項研究為今后建立氨基酸分子太赫茲數(shù)據(jù)庫和鑒別氨基酸分子奠定了基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】氨基酸；太赫茲光譜；振動模式

1.引言

太赫茲（THz）輻射是位于中紅外波段和微波波段之間，為0.1-10THz頻率范圍內(nèi)的遠紅外波段。大量實驗表明，太赫茲波具有低能性，但是這種低能性卻不會對生物分子結(jié)構(gòu)和活性造成損傷。研究物質(zhì)在太赫茲波段的光譜性質(zhì)將有助于人們從全新的角度認識物質(zhì)的結(jié)構(gòu)特性，獲得光譜學(xué)研究中一直缺少的信息，而且能為揭示結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系提供新的證據(jù)和幫助。

本文利用太赫茲時域光譜技術(shù)研究了L-丙氨酸、L-精氨酸、L-異亮氨酸、L-亮氨酸、L-賴氨酸和L-纈氨酸等六種不同氨基酸的吸收譜，并對部分吸收峰進行了指認，為今后建立氨基酸分子太赫茲數(shù)據(jù)庫和鑒別氨基酸分子奠定了基礎(chǔ)。

2.實驗準(zhǔn)備

本次實驗采用的儀器是日本ADVANTEST公司tas7500系列太赫茲光譜儀（有效頻率范圍0.5-2.5THz，精度為0.5cm-1）和德國Bruker公司的V80系列傅里葉紅外光譜儀（有效頻率范圍1-9THz，精度為2cm-1）兩者從光譜精度和寬度上互補。

實驗中用到的樣品購于西格瑪公司。樣品為純度高于99%的凍干粉，使用前沒有經(jīng)過進一步提純處理，直接與聚乙烯（PET）粉末均勻混合壓成厚度為1mm，直徑為13mm的均勻薄片測試，樣品和PET粉末的混合比例為1:10。樣品測試前，需要先壓制并測試相同厚度的聚乙烯薄片作為背景。

3.實驗結(jié)果與討論

本文測試了6種氨基酸樣品，圖1是在傅里葉紅外光譜儀測得的六種氨基酸的吸收光譜，從中可以較為清晰的觀察到各種氨基酸的光譜特性。

圖1　FTIR儀器測得的六種氨基酸吸收譜

從圖1可以看出，六種氨基酸在1-9THz頻率范圍內(nèi)的吸收特性，其中有一部分的氨基酸的化學(xué)結(jié)構(gòu)雖然不同，但是它們的吸收譜卻非常相似。如：L-亮氨酸和L-異亮氨酸的吸收譜有些類似，推測這是因為亮氨酸和異亮氨酸是同分異構(gòu)體關(guān)系，二者的分子式、側(cè)鏈都一樣。表1列出了6中氨基酸在1-9THz范圍內(nèi)所有吸收峰的位置。

表1　氨基酸的太赫茲光譜特性

由實驗獲得的吸收譜和整理后得到的吸收峰位置，可以觀察到，在其有效頻段內(nèi)，不同的氨基酸，擁有不同的吸收峰個數(shù)，并且其吸收峰的位置也大都不相同。但是仍可以看出，氨基酸的太赫茲光譜圖之間，還是存在一定的聯(lián)系。

通過分析氨基酸的低頻段吸收峰位置以及對應(yīng)的振動模式，可以得到以下結(jié)論：①L-丙氨酸的振動主要來自分子間氫鍵的扭曲和搖擺運動。②L-精氨酸的振動模型有幾種方式，在1.2THz處，吸收峰是由于氨基和羧基的轉(zhuǎn)動形成的；在2.0THz處，吸收峰是由于鏈上的原子的扭轉(zhuǎn)造成的；在2.6THz處，吸收峰是由于氨基的兩個氫原子的轉(zhuǎn)動扭曲，以及分子其他部分較小的振動造成的。綜上所述，分子基團的骨架的振動和扭曲，造成了精氨酸吸收峰的形成。③L-異亮氨酸和L-亮氨酸的吸收峰都是由分子內(nèi)部所有原子的集體振動模式產(chǎn)生的。④L-賴氨酸和L-纈氨酸未找到文獻證明其分子振動方式，這是本文的一大遺憾。

圖2是在太赫茲時域光譜儀測得的六種氨基酸的吸收光譜，從圖2可以觀察到，樣品在0.5-2.5THz頻段范圍內(nèi)擁有更多的吸收峰，不僅顯示出傅里葉紅外光譜儀在該頻段內(nèi)的所有吸收峰，同時還展現(xiàn)了其高精度的優(yōu)勢，找到了很多新的吸收峰，但由于吸收峰的數(shù)量太多了，很難準(zhǔn)確的分辨出特征峰的位置。需要后期的理論計算來驗證這些吸收峰的位置及對應(yīng)的振動模式。

圖2　TDS測得的六種氨基酸吸收譜

4.結(jié)論

經(jīng)過反復(fù)的實驗，并結(jié)合通過太赫茲光譜儀和傅里葉紅外光譜儀得到的太赫茲光譜圖，找到了這幾種氨基酸吸收峰的位置，并對部分氨基酸的吸收峰進行了指認，為以后建立光譜數(shù)據(jù)庫奠定了基礎(chǔ)。在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，傅里葉紅外光譜儀相對于太赫茲時域光譜儀，測試光譜范圍更寬，可以獲得更清晰的吸收譜形狀和特征峰位置，但是后者的精度更高，可以發(fā)現(xiàn)很多若吸收峰的位置，兩者互補，為生物分子的太赫茲光譜測試與分析提供了更加精確的依據(jù)。最后，通過分子的振動模型可以看出分子內(nèi)部基團的集體振動扭曲是形成特征峰的主要原因。

參考文獻

［1］張同軍.基于太赫茲時域光譜的生物分子檢測技術(shù)研究［D］.浙江：浙江大學(xué)，2007.

［2］李淼.維生素的太赫茲光譜數(shù)據(jù)庫研究［D］.南京：南京林業(yè)大學(xué)，2015.

［3］王花麗.基于THz檢測技術(shù)的除草劑光譜分析研究［D］.杭州：中國計量學(xué)院，2012.

［4］徐慧，余笑寒，張增燕等.固態(tài)氨基酸的太赫茲時域光譜研究［J］.中國科學(xué)院研究生院學(xué)報，2005，2（1）：90-93.

［5］王衛(wèi)寧，李洪起，張巖.20種α-氨基酸的太赫茲光譜及其分子結(jié)構(gòu)的相關(guān)性［J］.物理化學(xué)學(xué)報，2009，25（10）：2074-2079.

［6］Lvovska M.I.，Seeman N.C.，Sha R.，et al.THz Characterization of DNA Four-Way Junction and Its Components［J］. IEEE Transactions on Nanotechn ology，2010，9（5）：610-617.

［7］D.L.Woolard， T.R.Globus， B.L.Gelmont， et al. Submillimeter-wave phonon modes in DNA macromolecules［J］. Physical Review E， 2002，65（5）：051903.

［8］馬曉菁.核苷等生物分子的太赫茲時域光譜研究［D］.新疆：石河子大學(xué)，2008.

［9］劉紅利.卟啉化合物樣品制備及其太赫茲譜測試［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2011.

［10］唐忠鋒，林海濤，陳曉偉等.基于太赫茲光譜的氨基酸檢測［J］.光譜學(xué)與光譜分析，2009，29（9）：2351-2356.

［11］王果，王衛(wèi)寧.丙氨酸晶體太赫茲振動光譜的實驗和理論研究［J］.物理化學(xué)學(xué)報，2006，28（7）：1579-1585.

［12］王衛(wèi)寧，李元波，岳偉偉.組氨酸和精氨酸的太赫茲光譜研究［J］.物理學(xué)報，2007，56（2）：781-785.

［13］王雪美.氨基酸的太赫茲光譜及其振動模式研究［D］.北京：首都師范大學(xué)，2008.

作者簡介：

蔡蒙，三江學(xué)院本科生。

通訊作者：

王芳，碩士，講師，現(xiàn)供職于三江學(xué)院，研究方向：無損檢測技術(shù)。