赖氨酸本质荧光现象初探

赖氨酸本质荧光现象初探
赵方方;贾丹丹;刘纯;曹磊;梁赫;张俊行;王东军
【摘要】通过与精氨酸和甘氨酸的对比实验,赖氨酸在可见光区有较强的荧光,且其吸收也相对较强.赖氨酸在不同溶剂中荧光强度发生变化.同时对赖氨酸的荧光寿命
进行了分析测定.实验结果表明,赖氨酸的荧光性质明显区别于其它氨基酸,这与其特殊6-氨基官能团密切相关,且可归属于氮原子的本质荧光.
【期刊名称】《河北科技师范学院学报》
【年(卷),期】2015(029)001
【总页数】4页(P53-56)
【关键词】赖氨酸;本质荧光;吸收;荧光寿命
【作者】赵方方;贾丹丹;刘纯;曹磊;梁赫;张俊行;王东军
【作者单位】河北科技师范学院,河北秦皇岛,066004;河北科技师范学院,河北秦皇岛,066004;河北科技师范学院,河北秦皇岛,066004;天津大学;河北科技师范学院,河北秦皇岛,066004;沧州第三塑料有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】O631.2+4
近年来一些不含典型荧光基团的含氮物质可以发射本质荧光(Intrinsic fluorescence)，引起了人们极大的关注。

这些物质有大分子，如聚(酰胺-
胺)Ploy(amido amines), 聚(氨酯)Poly(amino esters)等，也有小分子，如乙二胺，三乙胺等[1～4]。

它们和传统的有机荧光物质相比，具有毒副作用小，水溶性好等
许多优良性能，应用前景广阔。

虽然人们从浓度、温度、pH、氧化等[2～7]因素
对此类含氮物质的荧光性能进行了较深入的研究，但是其荧光发射机理仍尚不清楚；目前的实验结果可以得出，这些物质会发射荧光，与其所含的氮原子密不可分。

氨基酸是蛋白质的基本结构单位和生物代谢过程中的重要物质。

氨基酸的分析对蛋白质化学，生物化学乃至整个生命科学研究等具有重要意义。

其中，色氨酸，酪氨酸和苯丙胺酸等芳香族氨基酸是仅有会发荧光的天然氨基酸，它们也是蛋白质荧光的主要来源[11～13]，以上三种芳香族氨基酸的荧光研究及其应用已有大量报道[11～17]。

但是对于非芳香族氨基酸的荧光研究却鲜有报道，虽然肖子丹等[18]指出赖氨酸可以发射荧光，但主要是研究氨基酸-金属配合物现象。

在前期工作基础上，我们推测氨基酸作为一类含有氮原子的小分子物质，也应该具有发射本质荧光的特性。

本文以赖氨酸(Lysine)，精氨酸(Arginine)和甘氨酸(Glycine)三种典型氨基酸为分析对象，研究不同氨基酸的本质荧光现象。

对比结
果首次验证了，只有含6-氨基的赖氨酸可产生可见区的本质荧光，而大多数氨基
酸中的2-氨基不具有此现象。

赖氨酸、精氨酸和甘氨酸均购自Aldrich公司，无水乙醇为天津市风船化学试剂，以上试剂均为分析纯。

实验用水为去离子水，所配待测样品浓度均为0.5 mol/L。

荧光分光光度计：日立F-7000，3D扫描速度为30 000 nm/min，狭缝宽度为EX=2.5 nm，EM=5 nm，步长为3 nm，测试温度为25 ℃ ，用10×10×40
mm3的比色皿盛放所测样品。

紫外可见近红外分光光度计：日立-2600，狭缝宽度1 nm，扫描速度为中速，测
试温度为室温，用10×1×40 mm3的比色皿盛放所测样品。

稳态/瞬态荧光光谱仪：爱丁堡FLS-920，激发光源采用便携式激光二极管(EPL-375，Edinburgh Instruments),其激发波长为379 nm，发射波长为激发波长所
对应的最大荧光强度处的波长，测试温度为25 ℃。

2.1 三种氨基酸水溶液的荧光对比
甘氨酸、精氨酸和赖氨酸是三种典型的非芳香性氨基酸。

其结构式如图1所示，
其中甘氨酸含有一个2-氨基；精氨酸除了2-氨基，还含有胍基；赖氨酸具有2,6-氨基。

对0.5 mol/L的赖氨酸、甘氨酸和精氨酸的水溶液进行了对比荧光测试，实验中首先采用了激发-发射矩阵(EEM)测试方法，该方法能够有效地分析未知荧光
现象。

结果表明，赖氨酸在可见光区有较强的荧光现象(图2)；而精氨酸在紫外光
区只有很弱的荧光发射，这与色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸等类似[13], 甘氨酸则几
乎没有荧光发射。

同时，图3表明，赖氨酸在可见光区的荧光强度是精氨酸的数
十倍。

由此可见，赖氨酸的荧光性能与其它氨基酸有显著的区别。

根据传统有机荧光理论，赖氨酸并不具有典型的荧光基团，但是却可以发射可见区荧光，因此赖氨酸是具有本质荧光特性的一种氨基酸，与其分子中的氨基密切相关。

此处可以排除杂质的干扰，因为笔者对来自几个不同厂家的赖氨酸进行荧光测试，发现均有可见区荧光现象。

通过上述对比实验，我们首次证明了赖氨酸的6-氨基
应该是产生本质荧光的关键基团，而其它氨基酸所具有的2-氨基并不能产生本质
荧光。

可推测由于2-氨基与羧基邻近，羧基的电子效应使2-氨基的活性降低，因此只含有2-氨基的甘氨酸和精氨酸很难发射可见区本质荧光。

赖氨酸含有相对孤
立的6-氨基，故而导致了其具有与非芳香性氨基酸不同的荧光现象。

2.2 三种氨基酸水溶液的吸收对比
如图4所示，赖氨酸在277 nm和308 nm处有吸收肩峰，而且其吸收强度明显
高于精氨酸和甘氨酸。

一般地，在此范围内多出现具有共轭结构的有机分子的吸收，但是赖氨酸本身不具有共轭的官能团，因此可推测赖氨酸的6-氨基可能出现了团
聚[8,9]，导致了电子跃迁能级接近，进而产生红移。

与此不同，精氨酸和甘氨酸
均未在此波长范围内出现明显吸收，可见2-氨基没有发生团聚现象，这可能与其
电子效应和空间位阻有关。

根据荧光和吸收测定结果，笔者认为赖氨酸的特殊6-
氨基官能团是其生成荧光中心和生色团的关键。

2.3 溶剂对赖氨酸荧光的影响
为了研究溶剂改变对赖氨酸荧光性能的影响，实验中用乙醇改变溶剂的极性。

由于赖氨酸微溶于乙醇，为此笔者将赖氨酸溶于无水乙醇和去离子水等体积混合的液体中，得到溶质为赖氨酸的溶液的浓度仍为0.5 mol/L。

实验结果表明，加入无水乙醇的赖氨酸的荧光强度比赖氨酸水溶液的荧光强度要强，但是对荧光峰的位置影响却不大(图5)。

同时其吸收峰的位置也不变，只是强度略有增加，这说明不同溶剂
中赖氨酸的荧光中心没有发生变化。

无水乙醇的加入，只使赖氨酸的荧光强度增强，说明无水乙醇的加入，并没有使赖氨酸的荧光中心改变；强度有所增加，其可能原因是：(1)加入了无水乙醇，赖氨
酸在不良溶剂中的状态发生改变，从而导致团聚状态的改变，改变赖氨酸分子所处的微环境，从而有助于荧光增强[2,5]；(2)相对于水溶液，加入无水乙醇后，溶液
粘度增大，减少了分子间的碰撞几率，使无辐射跃迁减少，从而荧光增强。

2.4 赖氨酸水溶液的荧光寿命
为了分析赖氨酸的荧光中心，对其水溶液进行了荧光寿命的测定。

实验得到三个荧光寿命，寿命值分别为0.95,3.11和7.72 ns，图6显示的是其寿命衰减曲线。

这
说明赖氨酸可能具有三个荧光中心，也可能是一个荧光中心具有三种不同的微环境。

根据前期研究结果，笔者认为前一种可能性更大[2,4]。

另外，赖氨酸荧光寿命值
与其它含氮有机本质荧光寿命值相近[4,10]，此结果证明了一个重要结论，即赖氨酸荧光发射也应归属于本质荧光。

相对于精氨酸和甘氨酸，赖氨酸水溶液在可见光区出现较强的荧光发射，并且吸收也较强，此现象与赖氨酸的6-氨基酸密切相关。

在不同溶剂中赖氨酸的荧光测试
表明，其6-氨基的团聚是产生较强荧光的原因。

赖氨酸的荧光寿命测定结果证明
三个荧光中心的存在，而且三个荧光中心应归属于本质荧光。

致谢:作者感谢河北省自然科学基金(项目编号：E2013407124)和河北省教育厅(项目编号：ZH2012039,Z2010258)的财政支持。

【相关文献】
[1] Wang Dongjun,Jia Dandan,Zhao Yongguang,et al.Fluorescence Emission from Small Molecules Containing Amino Group[J].Chinese Chemical Letters,2006,17(4):502-504. [2] Wang Dongjun,Imae Toyoko.Fluorescence Emission from Dendrimers and Its pH Dependence[J].Journal of the American Chemical Society,2004,126:13 204-13 205.
[3] 王东军,贾丹丹,郑学芳,等.PAMAM树型高分子等含氮有机物的荧光研究进展[J].高分子通
报,2011(5):27-33.
[4] Jia Dandan,Cao Lei,Wang Dongni,et al.Uncovering a board class of fluorescenct amino-containing compounds by heat treatment[J].Chemical Communications,2014,50:11 488-11 491.
[5] Cao Lei,Jia Dandan,Wang Shaofei,et al.Significant Influence of distance between amine groups on the intrinisic fluorescence properties[J].Chemistry Letters,2014,43:246-248. [6] Chu Chinchien,ImaeToyoko.Fluorescence Investigtions of OxyGen-Doped Simple Amine Compared with Fluorescent PAMAM Dendri-mer[J].Macromolecular Rapid Communications,2009,30:89-93.
[7] 王少飞,贾丹丹, 刘纯,等.不同氧化剂氧化对乙二胺荧光性能的影响[J].河北科技师范学院学
报,2012,26(2):37-41.[8] Wang Dongjun,Imae Toyoko.Morphological Dependence of Fluore-scence Emitted from Pbs/PAMAM Dendrimer Nanocomposite[J].Chemistry Letters,2005,34(5):640-641.
[9] Sun miao,Hong Chunyan,Pan Caiyuan.A Unique Aliphatic Tertiary Amine Chromphore:Fluorescence,Polymer Structure,and Applica-tion in Cell Imaging[J].Journal of the American Chemical Society,2012,134:20 581-20 584.
[10] Shaofei Wang,Dandan Jia,Dongjun Wang,et al.Synthesis and Fluorescence properties of Hyperbranched Poly(amido amine)with New Fluorescence-emitting
Moieties[J].Advanced Materials Research,2011,306-307:348-351.
[11] 董存智,桂王艳,吴雯辉.芳香族氨基酸作探针荧光淬灭法测定痕量抗坏血酸[J].光谱实验
室,2013,30(2):645-648.[12] 李晓燕,刘志洪,蔡汝秀,等.荧光光谱PLS法同时测定氨基酸混合物[J].武汉大学学报:理学版,2002,48(4):423-426.
[13] 薛泽春,程新胜,杨丽文,等.鸡肝脏谷胱甘肽转移酶的荧光光谱分析[J].光谱学与光谱分
析,2007,27(1):99-103.[14] 邹欣平,周兴旺,袁汇娟,等.两亲荧光探针与氨基酸的荧光光谱[J].光谱实验室,2007,24(3):380-383.
[15] 张悦,马睿,赵冠超,等.同步荧光法对三种芳香族氨基酸的测定[J].食品科学,2010,31(16):204-207.
[16] 甘晓娟,刘绍璞,刘忠芳,等.某些芳香族氨基酸做探针荧光淬灭法测定安乃近及其代谢产物[J].化学学报,2012,70(1):58-64.
[17] 江珊珊,刘忠芳,胡小莉,等.某些芳香族氨基酸作探针荧光淬灭法测定秋水仙碱[J].化学学
报,2010,68(22):2 325-2 330.
[18] 肖子丹,张朝平.赖氨酸-Ag反应机理的研究[J].无机化学学报,2004,20(8):915-919.。