中红外光谱分析甘氨酸分子结构及热变性

马星怡 于佳琳 郭子祺 常美玲 张美环 于宏伟 / 石家庄学院化工学院

0 引言

甘氨酸是一类结构最为简单的氨基酸，广泛应用在食品[1-2]、医药[3-4]、农业[5-6]、畜牧[7-8]及材料科学[9-10]等领域。甘氨酸受热脱水可进一步缩合生成肽链[11-12]是生物化工领域重要的单元反应，但由于传统分析仪器（包括：紫外、质谱及核磁）的检测原理限制，相关研究少见报道。中红外（MIR）光谱[13-19]及变温中红外（TD-MIR）光谱[20-25]广泛应用于化合物的结构及热变性研究领域，并能提供丰富的光谱信息，但甘氨酸相关研究报道较少。本文采用MIR及TD-MIR光谱，分别开展了甘氨酸分子结构及热变性研究，为甘氨酸在生物化工领域应用研究提供重要的技术参考。

1 实验部分

1.1 材料

甘氨酸（分析纯，天津市化学试剂一厂）。

1.2 仪器

Spectrum100型红外光谱仪（美国PE公司）。Golden Gate型ATR-FTIR变温附件（英国Specac公司）。

1.3 实验方法

采用ATR-FTIR变温附件，甘氨酸样品不需要前处理。每次实验以空气为背景，对于甘氨酸样品进行8次扫描累加，测温范围303～523 K（变温步长10 K）。采用获得PE公司Spectrum v 6.3.5操作软件甘氨酸分子的MIR及TD-MIR光谱数据。

2 结果与讨论

2.1 甘氨酸分子MIR光谱

在4 000～600 cm-1频率范围内，采用MIR光谱开展了甘氨酸分子结构研究（图1）。

首先采用一维MIR光谱开展了甘氨酸分子的结构研究（图1A）。1 606.62 cm-1处的吸收峰归属于甘氨酸分子NH3+不对称弯曲振动模式（δasNH3+-甘氨酸-一维）；1 581.93 cm-1处的吸收峰归属于甘氨酸分子COO-不对称伸缩振动模式（νasCOO--甘氨酸-一维）；1 498.20 cm-1处的吸收峰归属于甘氨酸分子NH3+对称弯曲振动模式；1 406.47 cm-1处的吸收峰归属于甘氨酸分子 COO-对称伸缩振动模式（νsCOO--甘氨酸-一维）。进一步开展了甘氨酸分子的二阶导数MIR光谱研究（图1B）。其中，1 608.39 cm-1处的吸收峰归属于甘氨酸分子；1 582.20 cm-1处的吸收峰归属于甘氨酸分子νasCOO--甘氨酸-二阶导数；1 502.08 cm-1处的吸收峰归属于甘氨酸分子；1 410.15 cm-1处的吸收峰归属于甘氨酸分子νsCOO--甘氨酸-二阶导数。进一步开展了甘氨酸分子的四阶导数MIR光谱研究（图1C），其中，1 614.72 cm-1处的吸收峰归属于甘氨酸分子；1 504.84 cm-1处的吸收峰归属于甘氨酸分子；1 416.90 cm-1处的吸收峰归属于甘氨酸分子νsCOO--甘氨酸-四阶导数。最后开展了甘氨酸分子去卷积MIR光谱研究（图1D），其中，1 619.28 cm-1、1 615.81 cm-1、1 610.88 cm-1和 1 607.12 cm-1处的吸收峰归属于甘氨酸分子δasNH3+-甘氨酸-去卷积；1 591.05 cm-1、1 586.92 cm-1、1 582.99 cm-1和 1 578.51 cm-1处的吸收峰归属于甘氨酸分子νasCOO--甘氨酸-去卷积；1 502.91 cm-1、1 500.63 cm-1、1 497.13 cm-1和 1 493.61 cm-1处的吸收峰归属于甘氨酸分子；1 414.93 cm-1、1 411.13 cm-1、1 407.39 cm-1和 1 403.87 cm-1处的吸收峰归属于甘氨酸分子νsCOO--甘氨酸-去卷积。研究发现，甘氨酸分子二阶导数MIR光谱的谱图分辨能力没有明显提高，四阶导数MIR光谱的谱图分辨能力有所下降，而去卷积MIR光谱则过于复杂，而甘氨酸分子相应官能团归属较为困难。

2.2 甘氨酸分子TD-MIR光谱

在303～523 K的温度范围内，分别开展了甘氨酸分子一维及二阶导数TD-MIR光谱研究，并进一步考查温度变化对甘氨酸分子结构的影响。

2.2.1 甘氨酸分子一维TD-MIR光谱

首先开展了甘氨酸分子的一维TD-MIR光谱研究（图2）。

试验发现：随着测定温度的升高，甘氨酸分子νasCOO--甘氨酸-一维、δsNH3+-甘氨酸-一维和νsCOO--甘氨酸-一维对应的吸收频率均发生红移，相应的吸收强度进一步增加。甘氨酸分子δasNH3+-甘氨酸-一维对应的吸收峰对温度变化比较敏感，393 K的温度条件下，其对应的吸收峰消失。463～523 K的温度区间内，甘氨酸分子主要官能团对应的吸收强度及频率明显改变。甘氨酸分子主要官能团相关光谱数据见表1。

表1 甘氨酸分子一维TD-MIR光谱数据（303 ～523 K）

2.2.2 甘氨酸分子二阶导数TD-MIR光谱

进一步开展了甘氨酸分子的二阶导数TD-MIR光谱研究（图3）。

图3 甘氨酸分子二阶导数TD-MIR光谱（303～523 K）

表2 甘氨酸分子二阶导数TD-MIR光谱数据（303 ～523 K）

在463 ～523 K的温度区间内，甘氨酸分子受热分解[11]，主要化学反应过程包括：脱羧基、脱水及脱氨基等（图4），甘氨酸分子的热稳定性则进一步降低，而相应的分子官能团对应的红外吸收频率和强度会发生一定的改变。

图4 甘氨酸分子热变性机理

3 结语

甘氨酸是一类结构最为简单的氨基酸，以甘氨酸为模板化合物，采用中红外光谱分析甘氨酸分子结构及热变性，为研究氨基酸脱水缩合成肽链过程，建立一个方法学，具有重要的应用研究价值。