氨基酸作为组成蛋白质的基本结构单元,在生物学、材料学和化学等领域扮演着尤为重要的角色,同时,其也被认为是研究蛋白质物理和化学性质的基石之一。通过研究丝素蛋白中主要氨基酸与水的相互作用,可以更为深入地了解丝素蛋白的成型机理及相关构象转变机制。另外,氨基酸类药物和食品在其生产及储存过程中极易与水分子发生相互作用,从而容易导致其本身相应结构和性质的改变。因此,研究氨基酸与水分子作用后其结构和特性的变化,对实现氨基酸类产品的性能监测也具有重要意义。太赫兹时域光谱(THz-TDS)是一种基于超快飞秒激光器的THz波谱分析技术,近年来已逐渐应用于化学分析、环境监测、物理学、天文学、安全检查以及生物材料等领域。相比于传统的红外光谱,THz光谱技术对分子的集体骨架振动及氢键、范德华力等弱的分子间作用力具有较强的敏感性,尤其对大部分的极性分子(如氨分子、水分子等)呈现出更为强烈的吸收特性。基于此,本文选取丝素蛋白中含量最高的四种氨基酸(甘氨酸、丙氨酸、丝氨酸、酪氨酸)进行THz光谱的检测,并且利用THz光谱分析上述四种氨基酸与水分子不同作用形式(结晶水、薄膜水、结合水)下的相互作用机理。论文主要研究工作:(1)采用THz-TDS系统对四种无水氨基酸及其对应的含有结晶水的氨基酸水合物进行检测,通过Gaussian软件对无水氨基酸的振动模式进行归属,并根据无水氨基酸和对应氨基酸水合物的吸收峰差异,对相应氨基酸水合物的THz吸收模式进行指认。实验结果表明,各类无水氨基酸和对应氨基酸水合物的THz吸收特性均存在明显差异,证明利用THz光谱可以实现同类无水氨基酸及其氨基酸水合物的识别。无水氨基酸在THz波段的振动吸收主要来自于氨基酸分子的集体振动和分子间振动,而氨基酸水合物的振动吸收主要来自于结晶水与氨基酸间的氢键振动。四种氨基酸与结晶水结合后吸收峰变化程度大小排序依次为丝氨酸>甘氨酸>丙氨酸>酪氨酸。此结果与四类氨基酸的疏水性指数强弱排序相反,表明氨基酸疏水性越强,水合物中含有的结晶水含量越少。(2)基于THz-TDS系统研究了四种氨基酸与薄膜水的相互作用。对四种氨基酸吸附和解离薄膜水的过程进行了实时监测,并根据此过程中吸收峰的变化情况,对不同薄膜水含量下的振动模式进行了归属。实验结果显示,THz光谱对氨基酸表面薄膜水的吸附及解离过程极其敏感,可将其用于氨基酸表面薄膜水含量的定量分析。四种氨基酸对薄膜水的吸附速率和解离速率的快慢排序均为甘氨酸>丝氨酸>丙氨酸>酪氨酸,此排序与氨基酸的疏水性指数和相对比表面积综合相关。疏水性越弱、比表面积越大的氨基酸对薄膜水的亲和能力也越强。(3)利用THz-TDS研究四种氨基酸在溶液状态下与结合水的相互作用规律,分析不同氨基酸种类和不同溶液体系对氨基酸与结合水相互作用的影响。分别测试了两种体系(纯水、pH为7.2的磷酸盐缓冲液)下的四种氨基酸溶液的THz光谱吸收特性。结果表明,两种溶液体系中四种氨基酸溶液的THz吸收谱图均无明显特征吸收峰,且吸收系数均随着频率的增加而线性增大。在缓冲液体系下,四种氨基酸溶液的THz吸光度随着浓度的增大而线性降低,四者降低速率大小排序依次为酪氨酸>丙氨酸>甘氨酸>丝氨酸,这与氨基酸的疏水性指数排序相一致。纯水体系中,酪氨酸溶液的THz吸光度仍随浓度增大而线性降低。但是,甘氨酸、丝氨酸、丙氨酸的THz吸光度则随浓度增大出现非线性变化,这主要是由于上述三种氨基酸的加入改变了纯水溶液的酸碱环境,从而使氨基酸与结合水的作用发生改变。总体而言,氨基酸类型和溶液的pH环境都会影响氨基酸与结合水的相互作用模式,并且这种相互作用模式的改变可被THz光谱检测到。