太赫兹光谱技术在氨基酸鉴定中的应用

三江学院 蔡 蒙 王 芳



太赫兹光谱技术在氨基酸鉴定中的应用

三江学院 蔡 蒙 王 芳

【摘要】利用太赫兹时域光谱仪和傅里叶变换红外光谱仪测试并分析了L-丙氨酸、L-精氨酸、L-异亮氨酸、L-亮氨酸、L-赖氨酸和L-缬氨酸等六种不同氨基酸分子的吸收光谱。找出了每种氨基酸分子的特征吸收峰位置，并对部分吸收峰进行了指认，此项研究为今后建立氨基酸分子太赫兹数据库和鉴别氨基酸分子奠定了基础。

【关键词】氨基酸；太赫兹光谱；振动模式

1.引言

太赫兹（THz）辐射是位于中红外波段和微波波段之间，为0.1-10THz频率范围内的远红外波段。大量实验表明，太赫兹波具有低能性，但是这种低能性却不会对生物分子结构和活性造成损伤。研究物质在太赫兹波段的光谱性质将有助于人们从全新的角度认识物质的结构特性，获得光谱学研究中一直缺少的信息，而且能为揭示结构与功能的关系提供新的证据和帮助。

本文利用太赫兹时域光谱技术研究了L-丙氨酸、L-精氨酸、L-异亮氨酸、L-亮氨酸、L-赖氨酸和L-缬氨酸等六种不同氨基酸的吸收谱，并对部分吸收峰进行了指认，为今后建立氨基酸分子太赫兹数据库和鉴别氨基酸分子奠定了基础。

2.实验准备

本次实验采用的仪器是日本ADVANTEST公司tas7500系列太赫兹光谱仪（有效频率范围0.5-2.5THz，精度为0.5cm-1）和德国Bruker公司的V80系列傅里叶红外光谱仪（有效频率范围1-9THz，精度为2cm-1）两者从光谱精度和宽度上互补。

实验中用到的样品购于西格玛公司。样品为纯度高于99%的冻干粉，使用前没有经过进一步提纯处理，直接与聚乙烯（PET）粉末均匀混合压成厚度为1mm，直径为13mm的均匀薄片测试，样品和PET粉末的混合比例为1:10。样品测试前，需要先压制并测试相同厚度的聚乙烯薄片作为背景。

3.实验结果与讨论

本文测试了6种氨基酸样品，图1是在傅里叶红外光谱仪测得的六种氨基酸的吸收光谱，从中可以较为清晰的观察到各种氨基酸的光谱特性。

图1　FTIR仪器测得的六种氨基酸吸收谱

从图1可以看出，六种氨基酸在1-9THz频率范围内的吸收特性，其中有一部分的氨基酸的化学结构虽然不同，但是它们的吸收谱却非常相似。如：L-亮氨酸和L-异亮氨酸的吸收谱有些类似，推测这是因为亮氨酸和异亮氨酸是同分异构体关系，二者的分子式、侧链都一样。表1列出了6中氨基酸在1-9THz范围内所有吸收峰的位置。

表1　氨基酸的太赫兹光谱特性

由实验获得的吸收谱和整理后得到的吸收峰位置，可以观察到，在其有效频段内，不同的氨基酸，拥有不同的吸收峰个数，并且其吸收峰的位置也大都不相同。但是仍可以看出，氨基酸的太赫兹光谱图之间，还是存在一定的联系。

通过分析氨基酸的低频段吸收峰位置以及对应的振动模式，可以得到以下结论：①L-丙氨酸的振动主要来自分子间氢键的扭曲和摇摆运动。②L-精氨酸的振动模型有几种方式，在1.2THz处，吸收峰是由于氨基和羧基的转动形成的；在2.0THz处，吸收峰是由于链上的原子的扭转造成的；在2.6THz处，吸收峰是由于氨基的两个氢原子的转动扭曲，以及分子其他部分较小的振动造成的。综上所述，分子基团的骨架的振动和扭曲，造成了精氨酸吸收峰的形成。③L-异亮氨酸和L-亮氨酸的吸收峰都是由分子内部所有原子的集体振动模式产生的。④L-赖氨酸和L-缬氨酸未找到文献证明其分子振动方式，这是本文的一大遗憾。

图2是在太赫兹时域光谱仪测得的六种氨基酸的吸收光谱，从图2可以观察到，样品在0.5-2.5THz频段范围内拥有更多的吸收峰，不仅显示出傅里叶红外光谱仪在该频段内的所有吸收峰，同时还展现了其高精度的优势，找到了很多新的吸收峰，但由于吸收峰的数量太多了，很难准确的分辨出特征峰的位置。需要后期的理论计算来验证这些吸收峰的位置及对应的振动模式。

图2　TDS测得的六种氨基酸吸收谱

4.结论

经过反复的实验，并结合通过太赫兹光谱仪和傅里叶红外光谱仪得到的太赫兹光谱图，找到了这几种氨基酸吸收峰的位置，并对部分氨基酸的吸收峰进行了指认，为以后建立光谱数据库奠定了基础。在实验过程中发现，傅里叶红外光谱仪相对于太赫兹时域光谱仪，测试光谱范围更宽，可以获得更清晰的吸收谱形状和特征峰位置，但是后者的精度更高，可以发现很多若吸收峰的位置，两者互补，为生物分子的太赫兹光谱测试与分析提供了更加精确的依据。最后，通过分子的振动模型可以看出分子内部基团的集体振动扭曲是形成特征峰的主要原因。

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作者简介：

蔡蒙，三江学院本科生。

通讯作者：

王芳，硕士，讲师，现供职于三江学院，研究方向：无损检测技术。