共振拉曼光谱方法探测水溶液中生物分子的研究

【摘要】：分子生物学的发展给人类社会带来了巨大进步,它的发展不仅促进了生命科学的高速进步,而且对医药学、农业、化学等诸多学科也都产生极大影响。生物分子的结构、性质及检测研究是分子生物学的主要研究内容和热门课题。众所周知,生物分子的生物过程和生物功能的实现大多是在水溶液中进行和完成的。因而,水中生物分子的探测、识别与控制研究是既有理论意义又有应用价值的前沿课题。然而,水是一种极性分子,其电子态能级很高。研究已证明,在二元溶液中电子态能级高的分子,其拉曼光谱会被增强,而电子态能级低的分子拉曼光谱会被减弱。因而,对水中电子态能级较低的生物分子,用拉曼光谱探测变得困难。加之水的溶剂效应十分复杂,水溶液中存在着静电、偶极、氢键、范德瓦尔斯等多种相互作用力,使水中生物分子处在各种作用力之中,它的结构、性质都会受到影响。水分子对红外光谱强烈吸收,拉曼散射截面又很小,因而水中生物分子探测,尤其低浓度(乃至单分子)下探测是一项富有挑战性的工作。 在本文中,我们选用有特殊分子结构的生物分子β胡萝卜素和采用液芯光纤内共振拉曼光谱技术进行水中生物分子探测研究,取得了预期成果。 β胡萝卜素是含有9个CC共轭双键的线性链状多烯类生物分子。它具有宽带荧光,非线性系数大,特别是在低浓度溶液中能产生“相干弱阻尼CC振动”而具有很大的拉曼活性,即具有很大的拉曼散射截面(强的拉曼光谱)。这为其低浓度溶液探测提供了可能。 液芯光纤可以提高分子光谱强度103倍,共振拉曼技术可以提高拉曼光谱强度106倍,在低浓度溶液作为液芯光纤芯材料时,可产生芯内液体分子的共振拉曼效应,即,可以实现提高拉曼光谱强度109倍。加之样品的高拉曼活性,这为研究低浓度水溶液中生物分子(β-胡萝卜素)检测提供了保证。我们将β胡萝卜素先溶于吡啶再加入水中做为石英空芯光纤芯液体,测得了10-7-10-9mol/L的β胡萝卜素拉曼光谱。我们用Teflon空芯光纤,测得浓度为10-9-10-10mol/L的水中β胡萝卜素的拉曼光谱,研究取得了预期结果。 为了解水与生物分子相互作用规律,我们对水的物理性质进行了初步探讨,研究了高压和大能量激光作用下水的拉曼光谱性质。 测量了2.5-23GPa压强下冰VII的拉曼光谱。随压强增加水(冰)氧原子间距d oo减小,氢键长度变短,导致O ? H化学键键长增加,力常数减小,拉曼光谱发生红移,质子(氢核)取向有序性随压强先增加后减小,致使拉曼光谱强度先增加而后减小,拉曼谱线宽度先减小而后增加,当压强约为13GPa时呈现最小值。 我们测得了激光作用下水分子团簇产生等离子体的过程。实验中激光能量为4mJ时,水分子产生等离子体;在泵浦激光能量由5mJ增加到15mJ的过程中,水分子OH键伸缩振动的受激拉曼Stokes散射光强逐渐增大、受激谱带宽度逐渐加宽,并且受激拉曼Stokes散射中心波长呈现蓝移趋势;当能量为15mJ时,产生了OH键伸缩振动的受激拉曼anti-Stokes散射光.我们利用激光诱导等离子体增强水分子团簇的受激拉曼散射理论解释了以上现象,实验与理论符合的很好。采用液芯光纤共振拉曼技术,检测到水中生物分子β-胡萝卜素10-7-10-10mol/L的拉曼光谱,该研究对水中生物分子,尤其是对线性链状多烯类生物分子研究将会有重要的参考价值和应用前景。