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

(1 河北科技师范学院，河北 秦皇岛，066004；2 天津大学；3 沧州第三塑料有限公司)

ZHAO Fang-fang,JIA Dan-dan,LIU Chun,CAO Lei,LIANG He,ZHANG Jun-xing,WANG Dong-jun

(1 Hebei Normal University of Science &Technology,Qinhuangdao Hebei,066004;2 Tianjin University;3 the Third Branch of Cangzhou Plastic Co.,Ltd;China)



赖氨酸本质荧光现象初探

赵方方1，贾丹丹1，刘 纯1，曹 磊2，梁 赫1，张俊行3，王东军*

(1 河北科技师范学院，河北 秦皇岛，066004；2 天津大学；3 沧州第三塑料有限公司)

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。

赖氨酸；本质荧光；吸收；荧光寿命

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。

1 样品与方法

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 结果与分析

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。

图1 从左至右依次为甘氨酸、精氨酸、赖氨酸的结构式

图2 0.5 mol/L 赖氨酸水溶液的EEM扫描荧光图谱(箭头指明其激发/发射位置和强度)

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。

图4 0.5 mol/L的赖氨酸(Lysine)、精氨酸(Arginine)、甘氨酸(Glycine)水溶液的紫外可见吸收图谱

图6 0.5 mol/L赖氨酸水溶液的荧光寿命衰减曲线

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。

3 结 论

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。

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Study on the Intrinsic Fluorescence Phenomenon of Lysine

By the contrast experiments with Arginine and Glycine， Lysine exhibited a stronger fluorescence in the visible region，and its absorption was also relatively higher. Furthermore, the fluorescence intensity of Lyisne changed in different solvents. In addition，the fluorescence lifetime of Lyisne was also analyzed. The results showed that the fluorescence properties of Lysine were significantly different from other amino acids, which was closely related to its special 6-amino functional groups. Meanwhile it is confirmed that the emission of Lysine could be assigned to the intrinsic fluorescence of the nitrogen atom.

Lyisne;intrinsic fluorescence;absorption;fluorescence lifetime

ZHAO Fang-fang,JIA Dan-dan,LIU Chun,CAO Lei,LIANG He,ZHANG Jun-xing,WANG Dong-jun

(1 Hebei Normal University of Science &Technology,Qinhuangdao Hebei,066004;2 Tianjin University;3 the Third Branch of Cangzhou Plastic Co.,Ltd;China)

10.3969/J.ISSN.1672-7983.2015.01.010

赵方方(1987-)，女，硕士研究生。主要研究方向：功能材料化学。

河北省自然科学基金项目(项目编号：E2013407124)；河北省教育厅(项目编号：ZH2012039,Z2010258)。

2014-12-12

O631.2+4

A

1672-7983(2015)01-0053-04

*通讯作者，男，博士，教授。主要研究方向：材料化学。E- mail: wdj9999@126.com。