来源：德国波鸿鲁尔大学；电子科技大学红外毫米波与太赫兹研究院 张迁 编译

    德国波鸿鲁尔大学的研究人员开发了一种新的方法来测定生物分子特定位点附近的局部pH值。传统pH计的可靠测量只能在较大的整体或均匀体中进行。而这项基于太赫兹光谱学的新技术由来自Resolv团队在2020年11月6日首先在期刊《Angewandte Chemie International Edition》上提出。

    这项工作由Martina Havenith教授领导的物理化学协会和由Dominik Marx教授领导的理论化学协会团队合作进行。

    Martina Havenith 教授表示“越来越多的证据表明，生物反应在很大程度上并不取决于溶液的整体化学性质，而是取决于酶附近的局部条件。例如，pH值或局部电荷状态。”

    Dominik Marx教授指出“我们不仅要能够测量这些局部性质，还要能够提前计算。例如，我们可以计算出优化酶作为生物催化剂的溶剂化条件。”

    甘氨酸测试

    科学家们研究了甘氨酸溶液。它有两个官能团可以吸收或释放质子。因此，酸可以通过改变溶液的pH值来以不同的质子化状态存在。

    化学家使用太赫兹(THz)光谱学检测甘氨酸溶液。他们在溶液中以THz频率传输辐射，溶液会吸收部分辐射。研究人员在给定的频率范围内以光谱的形式表征吸收模式。同时，还模拟了不同pH条件下水溶液的太赫兹光谱。

    基于不同pH值的光谱

    甘氨酸的质子化状态决定了光谱的差异。

    这两组研究人员使用复杂的计算机模拟(称为从头算分子动力学模拟)来研究为什么会出现这种情况。这种方法使研究人员能够在光谱指定的波段来记录分子中不同键的移动。通过这种方式，他们展示了不同的质子化状态是如何在光谱中被反射的。

    去质子化甘氨酸(高pH)在太赫兹谱的这一部分几乎不产生吸收，而质子化甘氨酸(低pH)产生清晰可见的吸收带。中间状态的光谱，甘氨酸两性离子(中性pH)处于两者之间的状态。

    研究人员因此获得了一种质子化指纹，作为一种关于pH值的函数进行测量。他们表明，在0到15太赫兹范围内的光谱强度与pH值相关。

    在进一步的实验中，研究人员证明该方法也适用于其他生物分子，如缬氨酸和小分子肽。

    Martina Havenith总结道：“这一基础发现将为我们非损伤性地探测生物分子表面的局部电荷状态提供新的机会。”