中紅外光譜分析甘氨酸分子結(jié)構(gòu)及熱變性

馬星怡 于佳琳 郭子祺 常美玲 張美環(huán) 于宏偉 / 石家莊學(xué)院化工學(xué)院

0 引言

甘氨酸是一類結(jié)構(gòu)最為簡單的氨基酸，廣泛應(yīng)用在食品[1-2]、醫(yī)藥[3-4]、農(nóng)業(yè)[5-6]、畜牧[7-8]及材料科學(xué)[9-10]等領(lǐng)域。甘氨酸受熱脫水可進(jìn)一步縮合生成肽鏈[11-12]是生物化工領(lǐng)域重要的單元反應(yīng)，但由于傳統(tǒng)分析儀器（包括：紫外、質(zhì)譜及核磁）的檢測原理限制，相關(guān)研究少見報道。中紅外（MIR）光譜[13-19]及變溫中紅外（TD-MIR）光譜[20-25]廣泛應(yīng)用于化合物的結(jié)構(gòu)及熱變性研究領(lǐng)域，并能提供豐富的光譜信息，但甘氨酸相關(guān)研究報道較少。本文采用MIR及TD-MIR光譜，分別開展了甘氨酸分子結(jié)構(gòu)及熱變性研究，為甘氨酸在生物化工領(lǐng)域應(yīng)用研究提供重要的技術(shù)參考。

1 實驗部分

1.1 材料

甘氨酸（分析純，天津市化學(xué)試劑一廠）。

1.2 儀器

Spectrum100型紅外光譜儀（美國PE公司）。Golden Gate型ATR-FTIR變溫附件（英國Specac公司）。

1.3 實驗方法

采用ATR-FTIR變溫附件，甘氨酸樣品不需要前處理。每次實驗以空氣為背景，對于甘氨酸樣品進(jìn)行8次掃描累加，測溫范圍303～523 K（變溫步長10 K）。采用獲得PE公司Spectrum v 6.3.5操作軟件甘氨酸分子的MIR及TD-MIR光譜數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 甘氨酸分子MIR光譜

在4 000～600 cm-1頻率范圍內(nèi)，采用MIR光譜開展了甘氨酸分子結(jié)構(gòu)研究（圖1）。

首先采用一維MIR光譜開展了甘氨酸分子的結(jié)構(gòu)研究（圖1A）。1 606.62 cm-1處的吸收峰歸屬于甘氨酸分子NH3+不對稱彎曲振動模式（δasNH3+-甘氨酸-一維）；1 581.93 cm-1處的吸收峰歸屬于甘氨酸分子COO-不對稱伸縮振動模式（νasCOO--甘氨酸-一維）；1 498.20 cm-1處的吸收峰歸屬于甘氨酸分子NH3+對稱彎曲振動模式；1 406.47 cm-1處的吸收峰歸屬于甘氨酸分子 COO-對稱伸縮振動模式（νsCOO--甘氨酸-一維）。進(jìn)一步開展了甘氨酸分子的二階導(dǎo)數(shù)MIR光譜研究（圖1B）。其中，1 608.39 cm-1處的吸收峰歸屬于甘氨酸分子；1 582.20 cm-1處的吸收峰歸屬于甘氨酸分子νasCOO--甘氨酸-二階導(dǎo)數(shù)；1 502.08 cm-1處的吸收峰歸屬于甘氨酸分子；1 410.15 cm-1處的吸收峰歸屬于甘氨酸分子νsCOO--甘氨酸-二階導(dǎo)數(shù)。進(jìn)一步開展了甘氨酸分子的四階導(dǎo)數(shù)MIR光譜研究（圖1C），其中，1 614.72 cm-1處的吸收峰歸屬于甘氨酸分子；1 504.84 cm-1處的吸收峰歸屬于甘氨酸分子；1 416.90 cm-1處的吸收峰歸屬于甘氨酸分子νsCOO--甘氨酸-四階導(dǎo)數(shù)。最后開展了甘氨酸分子去卷積MIR光譜研究（圖1D），其中，1 619.28 cm-1、1 615.81 cm-1、1 610.88 cm-1和 1 607.12 cm-1處的吸收峰歸屬于甘氨酸分子δasNH3+-甘氨酸-去卷積；1 591.05 cm-1、1 586.92 cm-1、1 582.99 cm-1和 1 578.51 cm-1處的吸收峰歸屬于甘氨酸分子νasCOO--甘氨酸-去卷積；1 502.91 cm-1、1 500.63 cm-1、1 497.13 cm-1和 1 493.61 cm-1處的吸收峰歸屬于甘氨酸分子；1 414.93 cm-1、1 411.13 cm-1、1 407.39 cm-1和 1 403.87 cm-1處的吸收峰歸屬于甘氨酸分子νsCOO--甘氨酸-去卷積。研究發(fā)現(xiàn)，甘氨酸分子二階導(dǎo)數(shù)MIR光譜的譜圖分辨能力沒有明顯提高，四階導(dǎo)數(shù)MIR光譜的譜圖分辨能力有所下降，而去卷積MIR光譜則過于復(fù)雜，而甘氨酸分子相應(yīng)官能團歸屬較為困難。

2.2 甘氨酸分子TD-MIR光譜

在303～523 K的溫度范圍內(nèi)，分別開展了甘氨酸分子一維及二階導(dǎo)數(shù)TD-MIR光譜研究，并進(jìn)一步考查溫度變化對甘氨酸分子結(jié)構(gòu)的影響。

2.2.1 甘氨酸分子一維TD-MIR光譜

首先開展了甘氨酸分子的一維TD-MIR光譜研究（圖2）。

試驗發(fā)現(xiàn)：隨著測定溫度的升高，甘氨酸分子νasCOO--甘氨酸-一維、δsNH3+-甘氨酸-一維和νsCOO--甘氨酸-一維對應(yīng)的吸收頻率均發(fā)生紅移，相應(yīng)的吸收強度進(jìn)一步增加。甘氨酸分子δasNH3+-甘氨酸-一維對應(yīng)的吸收峰對溫度變化比較敏感，393 K的溫度條件下，其對應(yīng)的吸收峰消失。463～523 K的溫度區(qū)間內(nèi)，甘氨酸分子主要官能團對應(yīng)的吸收強度及頻率明顯改變。甘氨酸分子主要官能團相關(guān)光譜數(shù)據(jù)見表1。

表1 甘氨酸分子一維TD-MIR光譜數(shù)據(jù)（303 ～523 K）

2.2.2 甘氨酸分子二階導(dǎo)數(shù)TD-MIR光譜

進(jìn)一步開展了甘氨酸分子的二階導(dǎo)數(shù)TD-MIR光譜研究（圖3）。

圖3 甘氨酸分子二階導(dǎo)數(shù)TD-MIR光譜（303～523 K）

表2 甘氨酸分子二階導(dǎo)數(shù)TD-MIR光譜數(shù)據(jù)（303 ～523 K）

在463 ～523 K的溫度區(qū)間內(nèi)，甘氨酸分子受熱分解[11]，主要化學(xué)反應(yīng)過程包括：脫羧基、脫水及脫氨基等（圖4），甘氨酸分子的熱穩(wěn)定性則進(jìn)一步降低，而相應(yīng)的分子官能團對應(yīng)的紅外吸收頻率和強度會發(fā)生一定的改變。

圖4 甘氨酸分子熱變性機理

3 結(jié)語

甘氨酸是一類結(jié)構(gòu)最為簡單的氨基酸，以甘氨酸為模板化合物，采用中紅外光譜分析甘氨酸分子結(jié)構(gòu)及熱變性，為研究氨基酸脫水縮合成肽鏈過程，建立一個方法學(xué)，具有重要的應(yīng)用研究價值。