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(分析化学专业论文)蛋白质氨基酸的拉曼光谱、表面增强拉曼散射(sers)研究.pdf.pdf 免费下载
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摘要 蛋白质氨基酸的f t - 拉曼光谱、表面增强拉 曼散射( s e r s ) 研究 学科专业:分析化学 指导教师:周光明教授 摘要 研究方向:拉曼光谱学 研究生:黎司( $ 2 0 0 4 0 8 7 3 ) 傅立叶变换拉曼( f t - 勋 n a n ) 光谱是研究化学和生物分子的一种重要【具。它能够为分子结 构、表面处理、界面反应提供丰富的信息。由于酱通拉曼散射信号强度非常弱灵敏度低, 而限制了其在低检测限获取信息的能力。为了获得无干扰、高质量的拉曼光谱图,几乎都要 利用某种增强效应:共振拉曼散射、表面增强拉曼散射等增强普通拉曼散射信号的技术。 表面增强拉曼光谱基于分子被吸附在一些具有一定租糙度的基底( 主要集中贵金属及其粒 子) 表面产生高于普通拉曼信号强度约6 1 0 个数量级的表面增强拉曼散射( s e r s ) ,而获得 的拉曼光谱。自上个世纪七十年代发现以来,在各个领域已经得到了广泛的应用,在基底制 备与选择、增强机理等基本理论方面达成了不少的共识。 氨基酸是蛋白质的基本构筑单元。在每种生物中,蛋白质都是由2 0 种基本的氨基酸构成( 蛋 白质氨基酸) 。此外,氨基酸还能在酶及其他生物体组织里找到,广泛地参予各种化学生物反 应以及在体内基本的能量生产循环、能量转移和肌肉活动中发挥着至关重要的作用。对于 高等生物包括人类的生长而言,氨基酸分为必须氨基酸和非必须氨基酸,前者要求必须在食 物中摄取,才能保证身体的健康生长。在蛋白质氨基酸中共有9 种必须氨基酸:组氨酸、亮 氨酸、异亮氨酸、赖氨酸、蛋氨酸,苯丙氨酸、苏氨酸、色氨酸和缬氨酸。在生物机体内存 在的氨基酸都为a _ 氨基酸,其光学异构除苯丙氨酸外都为l 型。 本文将拉曼光谱及s e r s 应用丁二研究2 0 种蛋白质氨基酸中的几类极有代表性的氨基酸:蛋 氨酸、亮氨酸、异亮氮酸、苯丙氨酸和色氨酸。分别获得其拉曼光谱及在两种基底表面的s e r s 。 根据s e r s 选律和机理,推测了它们在不同基底表面的吸附状态及其不同浓度d h 值下的变化 规律。另外,结合拉曼和红外光谱探讨了亮氨酸和异亮氨酸与九芴甲氧羰基( f m o c ) 的复合 物分子内对f 奄基团的振动情况。 1 氨基酸的f t - 拉曼光谱及其在银粒子基底表面的s e r s 光 谱 i 西南大学硕十学位论文 1 1 蛋氨酸的f 1 二拉曼光谱及其s e r s 光谱 测得了同态雨1 饱和液态蚩氨酸的f t - 拉曼光谱,对其特征振动峰位作了门属;以银粒子为 基底,测得不同浓度、p h 值条件下蛋氨酸的s e r s 光谱。分析了其固态和饱和液态f 的拉曼 光谱;依据s e r s 机制,推测了蚩氮酸在银粒子基底表面的吸附状态。实验结果表明:液态和 同态的拉曼光谱中,分子中氨基、羧基及硫原子都表现出较强的拉曼振动峰;在银胶体系中, 蛋氨酸的最佳s e r s 的浓度范围在l 1 0 3 1 矿m o l l ;此浓度范围内,星弱碱性体系时更利于 蛋氨酸与银粒子吸附。 1 2 亮氨酸与异亮氨酸的f t - 拉曼光谱及其s e r s 光谱 亮氨酸与异亮氨酸是2 0 种蛋白质氨基酸中惟一一对异构体氨基酸。测得了同态和饱和液 态亮氨酸与异亮氨酸的f t 拉曼光谱,归属了拉曼光谱中各特征振动峰位;以银粒子为基底, 获得了不同浓度、p h 值条件下亮氨酸与异亮氨酸的s e r s 光谱。实验结果表明:异构体分子 内对应的支链甲基的不同振动模式导致了支链甲基、氨基和羧基等基团不同的拉曼、s e r s 峰 位及其与银粒子不同的吸附状态。 1 3 含苯环氨基酸的f t 拉曼光谱极其s e r s 光谱 测得了固态和饱和液态苯丙氨酸和色氨酸的f t - 拉曼光谱及银粒子为基底的s e r s 光谱, 归属了各特征振动峰位,推测了苯丙氨酸和色氨酸分子内苯环在银粒子表面的吸附模式。由 实验结果:苯丙氨酸和色氨酸分子内苯环都与银粒子基底发生了化学吸附作用,其吸附模式 义因苯环在两者分子中的构造而不同。 2 氨基酸在金银核壳复合粒子基底表面的s e r s 光谱 获得了亮氨酸与异亮氨酸在金,银核壳复合粒子基底表面的s e r s 光谱,结合金,银核壳复 合粒子基底的特性和s e r s 机制,探讨了亮氦酸与异亮氨酸在基底表面不同的作用方式及其吸 附模式。实验结果表明:亮氨酸与异亮氨酸不同的s e r s 及其在金银核壳复合粒子基底表面 不同的吸附主要仍为异构体分子内对应的支链甲基的不同振动模式所致,又由于金,银核壳复 合粒子基底均一性和高s e r s 增强因子,致使两种分子在其表面的s e r s 和吸附差异更为明显。 3 f m o c 氨基酸的f t - 红外、f t 拉曼光谱 获得了f m o c 亮氨酸与f m o c 异亮氨酸的f t 拉曼光谱和红外光谱,归属了各特征振动峰 位;推测了f m o c 亮氨酸与f m o c 异亮氨酸分子内不同的振动模式。由各振动峰位的特性推测 了在亮氦酸与异亮氨酸在引入后备基团振动变化规律。 关键词:拉曼光谱表面增强拉曼散射蛋白质氨基酸基底九芴甲氧羰基 i i a b s t r a c t t h e s t u d yo f p r o t e i n i ca m i n n oa c i d s b y f t - r a m a n s p e c t r o s c o p ya n ds u r f a c e e n h a n c e dr a m a n s c a t t e r i n g ( s e r s ) s p e c i a l t y :a n a l y t i c a lc h e m i s t r y m e n t o r :g u a n g m i n gz h o u a b s t r a c t r e s e a r c h :r a m a ns p e c t m s c o p y p o s t g r a d u a t e :s il i ( n o s 2 0 0 4 0 8 7 3 ) f o u r i e rt r a n s f o r mr a m a n ( f t - r a m a n ) s p e c t r o s c o p yi sa l li m p o r t a n ta n a l y t i c a lt e c h n i q u ef o r c h e m i c a la n db i o l o g i c a la n a l y s i sd u et ot h ew e a l t ho fi n f o r m a t i o no nm o l e c u l a rs t r u c t u r e s ,s u r f a c e p r o c e s s e s ,a n di n t e r f a c er e a c t i o nt h a tc a nb ee x t r a c t e df r o me x p e r i m e n t a ld a t & t h en o r m a lr a m a n s i g n a l si si n h e r e n t l yw e a k , t h u sp r e v e n t i n gt h ep o s s i b i l i t yo fa c h i e v i n gl o wd e t e c t i o nl i m i tw i t h n o r m a lg a m a ns p e c t r o s c o p y i no r d e rt oo b t a i nr a m a ns p e c t r u mw i t hh i g h e rq u a l i t ya n dl o w e r i n e r f e r e n c e ,t h e r es h o u l db eu s e ds o m ek i n do fr a m a ne n h a n c e de f f e c ts u c ha sr e s o n a n c er a m a n s c a r e f i n g ( r r s ) a n ds u r f a c ee n h a n c e dr a m a ns c a t t e r i n g ( s e r s ) s u r f a c ee n h a n c e dr a m a ns p e c t r o s c o p yi sb a s e do nt h a tm o l e c u l e sa r ea d s o r b e do i ls o m er u d e l y s u b s t r a t e s ( m o s t l ya r en o b l em e t a l sa n dt h e i rn a n o p a r t i c l e s ) s u r f a c ew h i c hc a np r o d u c et h es i g n a l t h es e n s i t i v i t yo f s i g n a li sh i g h e r6 - 1 0o r d e r st h a nn o r m a lr a m a n s s i n c el a s tc e n t u r ys e n v e n t ya g e , s e r sh a sb e e nw i d e l yu s e di nm a n yd i f f e r e n tf i e l d s m a n ya g r e e m e n t sh a v eb e e nm a d eo nb a s i c t h e o r ys u c ha st h ep r e p a r a t i o na n dc h o i c eo f s u b s t r a t e ,t h ee n h a n c e dm e c h a n i s m a m i n oa c i di st h eb a s i cc o n s t r u c t e dc e l lo fp r o t e i n t h ep r o t e i ni sm a d eo f2 0a m i n oa c i d s ( p r o t e i n i ca n i m oa c i d s ) i ne v e r yo r g a n i s m f u r t h e r m o r e ,w e c a nf i n da n i m oa c i di ne n z y m ea n do t h e r o r g a n i s m s i tw i d e l yg o e si nf o rl o t so fd i f f e r e n tc h e m i t r ya n db i o l o g yr e a c t i o n i ta l s op l a y sav e r y s i g n i f i c a n te f f e c to nt h eb a s i ce n e r g yc i r c l e ,t h ee n e r g yt r a n s f e ra n dm u s c l em o v e m e n ti no u rb o d y f o rt h eg r o w t ho f a l t i t u d el i f e - f o r mt h a tc o n t a i n e di nh a n m nb e i n g s ,t h ea m i n oa c i dc a nd e v i d ei n t o e s s e n t i a la m i n oa c i da n dn o n e s s e n t i a la m i n oa c i d t h ef o r m e rm u s tb ei n g e s t e df r o mf o o d ,w h i c h c a l le n s u r et h eb o d y sh e a l t hg r o w t h t h e r ea r e9e s s e n t i a la m i n oa c i d si np r o t e i n i ca n i m o a c i d t h e y a r eh i s t i d i n e ,i s o l e u c i n e ,l e u c i n e , l y s i n e ,m e t h i o n i n e ,p h e n y l a l a n i n e , t h r e o n i n e ,t r y p t o p h a na n dv a l i n e 西南大学硕十学侮论文 t h ea m i n oa c i d si no r g a n i s ma r ea l la - a m i n oa c i d s ,a n dt h e i ro p t i c si s o m e r sa r ca l llt y p ee x c e p t a l a n i n e t h i sa r t i c l es t u d i e saf e wr e p r e s e n t a t i v ea m i n oa c i d si n2 0p r o t e i n i ca m i n oa c i d sb yr a m a n s p e c t r o s c o p ya n ds e r s t h e ya r em e t h i o n i n e ,l e u c i n e ,i s o l e u c i n e ,p h e n y l l a l a n i n ea n dt r y p t o p h a n t h e i rr a m a ns p c c t r aa n ds e r so nt w os u b s t r a t e sa r co b t a i n e d a c c o r d i n gt os e l e c t i v er u l e sa n d m e c h a n i s mo fs e r s ,t h ea d s o r p t i o no nd i f f e r e n ts u b s t r a t c ss u r f a c ea n dt h ec h a n g ea td i f f e r e n t c o n c e n t r a t i o no rd i f f e r e n tp hv a l u ea g es p e c u l a t e d a tl a s t , t h ev i b r a t i o no fb o c a m i n oa c i da n d f m o c - a m i n oa c i da r es t u d i e db yr a m a na n di n f r a r e ds p e c t r o s c o p y 1 f t - r a m a na n ds e r so ns i l v e rn a n o p a r t i c l e so fa m i n o a c i d s 1 1f 1 - r a m a na n ds e r so fm e t h i o n i n e f t - r a m a na n ds e r so fm e t h i o n i n ei ns o l i da n di ns a t u r a t e dl i q u i ds t a t ea r cm e a s u r e d , t h e v i b r a t i o n a lp e a k sa r ca s s i g n e d s e r so fm e t h i o n i n eo ns i l v e rn a n o p a r t i c l ea r em e a s u r e da td i f f e r e n t c o n c e n t r a t i o na n dd i f f e r e n tp hv a l u e a c c o r d i n gt ot h es e r sm e c h a n i s m , t h ea d s o r p t i o no f m e t h i o n i n eo ns i l v e rn a n o p a r t i c l ei sc o n f e r e d f r o mt h ee x p e r i m e n t a lr e s u i t , w ec a nk n o wt h a tt h e a m i n o g e n ,c a r b o x y la n ds u l f u ra t o mi nm o l e c u l ea l lp u tu ps t r o n gr a l n a nv i b r a t i o n a lp e a k si ns o l i d a n dl i q u i ds t a t e t h eb e s tc o n c e n t r a t i o ns c a l eo f m e t h i o n i n e ss e r si sf r o ml 1 0 3m o l lt ol x l 0 4 m o l lo ns i l v e rn a n o p a r t i c l e m e t h i o n i n ea d s o r b e db e r e ro ns i l v e rn a n o p a r t i c l ew h e nt h es y s t e mi s a l k a l e s c e n c 宅 1 2f t _ r a m a na n ds e r so fi e u c i n ea n di s o l e u e i n e l c u c i n ea n di s o l e u c i n ei so n l yai s o m e ri n2 0p r o t e i n i ca m i n oa c i d f t - 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s h e l la u a gn a n o p a r t i c l e s t h ea c t i v e - s e r ss u b s t r a t e - c o r e - s h e l la u a gn a n o p a r t i c l e sa n ds e r so fl e u c i n ea n di s o l e u c i n e o nt h i ss u b s t r a t ea r ea b t a i n e d a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co fc o r e s h e l la u a gn a n o p a r t i c l e sa n d i l a b s t r a c t s e r sm e c h a n i s m , t h ea d s o r p t i o nm o d eo fl e u c i n ea n di s o l e u c i n ea 托s p e c u l a t e d f r o mt h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t w ec a l lk n o wt h a tt h ed i f f e r e n ta d s o r p t i o nm o d e lo fl e u c i n ea n di s o l e u c i n es t i l l c m l s e db yt h ed i f f e r e n tc o n s t r u c t i o no ft h ei s o m e r t h eo t h e rr e o s o ni st h eh o m o g e n i z a t i o na n dh i 曲 e n h a n c e m e mo f c o r e - s h e l la u a gn a n o p a l t i c l e s 3 f t i rf t - r a m a ns t u d yo ff m o c a m i n oa c i d s f t - r a m a na n di n f r a r e ds p e c t r ao ff m o c l e u c i n ea n df m o c - i s o l e u c i n ea r eg a i n e d , t h ev i b r a t i o n a l p e a k sa r ea s s i g n e d t h ev i b r a t i o n a lm o d e lo ff m o c - l e u c i n ea n df m o c - i s o l e u c i n ea r es p e c u l a t e d , w h i c hc o u l do b t a i nt h er e f e r e n c ei n f o r m a t i o no ft h em e c h a n i s ma n dv i b r a t i o n a li n o d e la f t e ro t h e r a m i n oa c i d sa l ec o m b i n e dw i t ht h ef m o e g r o u p k e y w o r d s :r a m a ns e r sp r o t e i n i ca m i n oa c i d ss u b s t a t e sf m o c i l l 独创性声明 学位论文题目:蛋自厦氢基酸啦擅量堂遭二盘亘邋理垫量邀盟 ( ! ! 垦12 盟窒 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地 方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含 为获得西南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 学位论文作者:黎司签字日期:2 0 0 7 年4月5 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规 定,有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允 许论文被查阅和借阅。本人授权西南大学研究生院可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书,本论文:口不保密, 口保密期限至年月止) 。 学位论文作者签名:茗留导师签名:彰铲鬈弓弓乙 签字日期:20 0 7 年4 月5 日签字日期:20 0 7 年4 月1 0 日 学位论文作者毕业后去向: 工作单位: 通讯地址: 电话:(2 邮编: s e g m f e n ti i n t r o d u c t i o n s e g m e n t ii n t r o d u c t i o n 1 i n t r o d u c t i o no fr a m a n s p e c t r o s c o p ya n ds e r s 1 1 r a m a ns p e c t r o s c o p y r a m a ns p e e t r a s c o p y , b a s e do nt h e ;i g h tn o n e l a s t i e a l l ys c a t t e r e de f f e c to fw h i c hf i r s td i s c o v e r e d b yc h a n d r a s e k h a r av e n k a t ar a m a ni n1 9 2 8 i ,2 】,i st h em e a s u r e m e n to ft h ew a v e l e n g t he n d i n t e n s i t yo fi n e l a s t i c a l l ys c a t t e r e dl i g h tf r o mm o l e c u l e sa n d o rc r y s t a ll a t t i c e s t h er a m a ns c a t t e r e d l i g h to c c u r sa tw a v e l e n g t h ss h i f t e df r o mt h ei n c i d e n tl i g h tb yt h ee n e r g i e so ft h ev i b r a t i o n s r a m a n s p e c t r ao fm o l e c u l e sr e s u l tf r o mv i b r a t i o n a lm o t i o n s t h a tr e s u l tf r o mt h ec h a n g ei nt h ep o l a r i z a b i l i t y o fa l li n d u c e dm o l e c u l a rd i p o l e t h es e l e c t i o nr u l e sf o rr a m a ns c a t t e r i n gd i f f e rf r o mt h o s ef o r i n f r a r e da b s o r p t i o n 锄ds or a n a na n di r $ p e c i l ap r o v i d es o m e w h a tc o m p l e m e n t a r yi n f o r m a t i o n b e n d ss p e c i f i ct oag i v e nb o n dc a r lb ep r e s e n ti nr a m a ns c a t _ t e x i n g , i ni ra b s o r p t i o n , o rb o t h r a m a n s c a t t e r i n gi sa ni n e f f i c i e n tp r o c e s se n dt y p i c a ls c a t t e r i n gc r o s s - s e c t i o n s 批o n l y1 0 _ 6t o1 0 吨m a j o r r e q u i r e m e n t st oo b t a i nr a m a ns p e c t r aa r e :ah d g h t h i g h l ym o n o c h r o m a t i ce x c i t a t i o ns o u r c ew i t h s p e c t r a ll i n ew i d t ho ft h eo r d e ro f1e n l l ;h i g ht h r o u g h p u to p t i c s ;h i g hr e j e c t i o no fe l a s t i c a l l y ( r a y l e i g h ) s c a t t e r e dl i g h t ;a ne f f i c i e n t , h i g h l yr e s o l v i n gs p e c t r o g r a p ha n dl o wn o i s e ,h i g hd y n a m i c r a n g ed e t e c t i o n , s u c ha st h a tp r o v i d e db yc o o l e dc h a r g e - c o u p l e dd e v i c e ( c c d ) d e t e c t o r s 3 r a m a ns p e c t r o s c o p y ,e s p e c i a l l yi nc o n j u n c t i o nw i t hi n f r a r e ds p e c t r o s c o p y , i sa l li m p o r t a n t a n a l r t i c a lt e c h n i q u ef o rc h e m i c a la n db i o l o g i c a l a n a l y s i sd u et ot h ew e a l t ho fi n f o r m a t i o no n m o l e c u l a rs l f f b c t u r e s ,s u r f a c ep r o c e s s e s , c a n c e p 3d i a g r o s i s , p h a r m a r c e u t i c a la n a l y s i s 【4 - l l lt h a tc b ee x t r a c t e df r o me x p e r i m e n t a ld a t a 1 2 r e f e r e n c e 1 d a l o n g r a m a ns p e c t r o s c o p y ,m c g r a w - h i l l ,1 9 7 7 ,b e i j i n g :s c i e n c ep r e s s ,! - 2 2 s h a n x u e nz h e n g l a s e rr a l t l a ns p e c t r o s c o p y s h a n g h a i :s h a n g h a is c i e n c ea n dt e c h n o l o g y p r e s s 。1 9 8 5 ,i - 2 3 y i n g f a n gc h e r t i ra n dr a m a ns p e c t r o s c o p y b e r i n g :s p i na n dw e a v ei n d u s t r yp r e s s ,1 9 8 8 , 引一8 3 4 a k u d e l s k i r a m a ns t u d i e so nt h ec o v e r a g ei n t e g r i t yo fm o n o l a y e r sf o r m e do ns i l v e rf r o m v a r i o u sc o - f u n c t i o n a l i s e da l k a n e t h i o l s ,v i b r a t i o n a ls p e c t r o s c 2 0 0 6 ,4 1 ,8 3 8 9 5 r l f r o s t , j c e j k a , m l w e i e r , e ta 1 ar a m a na n di n f r a r e ds p e c t r o s c o p i cs t u d yo f t h eu r a n y l s i l i c a t e s - w e e k s i t e ,s o d d y i t e a n dh a i w e e i t e ,s p e c t r e c h i m a e t a p a r t a ,2 0 0 6 ,6 4 ,3 0 8 3 1 5 6 r l f r o s t , r a e h a e l - 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