胺基酸水溶液氣膠光電子能譜

 生物氣膠 (bio-aerosols)，如胺基酸及多胜肽水溶液氣膠可能經由海洋氣膠傳輸至大氣中，進而成為雲層的晶種 (cloud crystallization nuclei)並影響雲層形成及生長之微觀機制。另一方面，水溶液氣膠同時也提供了一微觀之水溶液環境來探測物質在水溶液下的特性。我們利用此技術探討了一系列胺基酸及胜肽在水溶液氣膠態的價電子能級結構。以半胱胺酸為例:

       半胱胺酸(cysteine)，由於其側鏈上具高度活性之硫醇官能基(-SH)的緣故，為一相當獨特的胺基酸。它往往在蛋白質參與的重要氧化還原反應中扮演電荷轉移的活性位點，並藉此調控蛋白質的生物功能。雖然半胱胺酸在生物上具有舉足輕重的重要性，攸關其化學活性的價電子能級結構迄今尚不清楚。

       由於半胱胺酸在不同酸鹼環境下可以質子化的陽離子(cation)、去質子化的陰離子(anion)以及兩性離子(zwitterion)的型態，我們利用自行開發建置之高解析度氣膠真空紫外光光電子光譜，並利用國家同步輻射研究中心所提供的真空紫外光 (U9, BL21B2) 作為游離光源，首次量測到了半胱胺酸在酸鹼環境改變時其價電子能級結構以及游離能的變化。 VUV光源屬於軟游離 (soft ionization)，可以提供與物質化學特性直接相關的價殼層(valence level)電子能級結構訊息。

       由於半胱胺酸在不同酸鹼環境下可以質子化的陽離子(cation)、去質子化的陰離子(anion)以及兩性離子(zwitterion)的型態，本工作利用高解析度之氣膠真空紫外光光電子光譜首次追蹤了半胱胺酸在酸鹼環境改變時其價電子能級結構以及游離能的變化。在低pH環境下半胱胺酸之游離能首次量測得到為8.98 ± 0.05 eV。在鹼性環境下當硫醇基開始發生去質子化時，一新的光電子特徵峰位於6.97 ± 0.05 eV 開始出現，顯示去質子化後硫醇基上的負電荷成為最容易游離並失去的電子。本工作提出當半胱胺酸參與氧化還原反應時，在不同酸鹼環境下其電荷轉移可能經由不同的分子軌域途徑發生。最後，本工作從微觀角度來重新檢視親核性 (nucleophilicity) 之概念以及其對於生物體系中的電荷轉移反應可能造成的影響。此新穎之氣膠探測技術，將可望幫助吾人對氣膠有更基礎深入且全面的認識，並藉此解決目前氣膠在環境科學、大氣科學及生醫材料科學等相關領域的重大議題。

Reference:

Su, C.-C., Yu, Y., Chang, P.-C., Chen, Y.-W., Chen, I-Y., Lee, Y.-Y., Wang, C. C.* (2015): VUV photoelectron spectroscopy of aqueous cysteine aerosols: A microscopic view of its nucleophilicity at varying pH conditions. J. Phys. Chem. Lett. 6, 817-823. (link)