从分子生物学水平认识生物频谱对生物化学和有机化学反应的影响

中国科学院感光化学所光化学开放实验室

刘＿＿ 王昌琦 马金石*

中国科学院高能物理所 陈锟

对经典光化学而言，"光"主要指可见区和紫外区的辐射，在这个区域，研究吸收光子后，引起分子的物理和化学变化过程。具体地讲即分子吸收一个光量子就产生一个电子激发的分子。激发的分子在短时间内（10－12－10－3s） 通过几种可能的途径弛豫（放出其多余的电子能量），在这些途径中有一些将导致化学上不同于起始分子的基态分子。

周林先生发明的频谱治疗仪可以发射从微米到毫米波，或说从红外到微波波段。根据量子理论[1]，微观体系内部运动一般是不连续的，它具有一系列分立的能级，每一物质都有自己的能级结构，全部能级间可能的辐射跃迁对应于一系列辐射频率，称为该物质的光谱。当组成物质的体系由高能级向低能级跃迁，从而放出辐射时，可观察到物质的发射光谱。当考察各种频率的辐射通过物质而被吸收的情况时，我们得到物质的吸收光谱，它对应于体系由低能级到高能给的辐射跃迁。所谓体系，此处主要指光化学最关心的对象，即原子和分子。

原子的内部运动主要指电子相对于原子核的运动，对应着一系列分立的能级。分子的内部运动除电子相对于核的运动外，还有核间的振动和整个分子的转动。因而分子光谱有转动光谱、振动光谱和电子光谱之分。分别出现于电磁辐射的微波、红外和可见――紫外波段。转动光谱由分立的谱带组成――相应于各对转动能级间的跃迁。振动光谱由若干谱带组成。电子光谱由若干带系组成。从以上这些概念出发，我们可以认为周林频谱仪作为辐射源，发出的从红外到微波的辐射，必然会引起分子振动、转动能级的跃迁，从而引起或影响分子的化学反应速度变化。

利用微波炉促进化学反应的研究，80年代末加拿大的Gedye等进行了系列的实验[2]，可以使某些化学反应速度上千倍地增长，使难以进行的反应在内分钟内完成。但这些反应都是在一个特殊的聚四氟乙烯密闭容器内进行的。频谱治疗仪的发射电磁波很弱，远低于规定的电磁波辐射安全标准。它能否影响化学，特别是生物化学反应，是本课题研究的目的。从而使我们从分子水平上逐渐认识频谱治疗仪对生命科学的贡献。

材料和方法

一、 仪器

频谱治疗仪301C型120W－250W，红外灯荷兰Philips公司HP3690型，吸收光谱仪 日立577型，高效液相色谱仪 法国GILSON公司。

二、 实验方法

采用对照实验，将反应混合物分为两等份，一份在红外灯照射下或恒温水浴中进行反应，另一份在频谱仪下。利用调压变压器和辐射源与反应器的距离来调节反应的温度，使二者湿度完全相同。在同样时间间隔内自反应液取样，用高效液相色谱和吸收光谱检测反应液的变化。

1． 生物化学实验

① 唾液酶水解淀粉[3]

可溶淀粉在唾液酶的作用下，可以水解为单糖和复糖。6.25g可溶淀粉用25ml冷水调成糊状，在强力扰拌下10分钟内加到165ml0.1％的NaCl水溶液中，加热至沸，45分钟后在冷水中快速冷却，加入2.5mlpH4.8的0.2M醋酸钠缓冲液。1.25ml新鲜唾液和1.25ml水混合后离心，放置1小时，取上清液加上上述可溶淀粉的溶液中。将混合液用水稀释到200ml，分成两份，分别用甲苯复盖。一份置于水浴中，恒温于37℃；一份置于频谱仪照射下，恒温于37℃。反应都在电磁扰拌下进行，每次取样后，离心取上清液进行HPLC分析（流动相为水，固定相为C18硅胶，示差析光检测，流速1ml/min）。

② 蓖麻籽中脂肪酶水解牛奶中脂肪[3]

取60粒蓖麻籽，去皮后加30ml10％甘油在研钵内研成糊状，用纱布过滤，加入25ml牛奶，几滴酚酞水溶液，用0.1NnaoH调至红色。取2ml反应液，加热变为无色，做为参比液。将反应液分成两份，一份用频谱仪照射，一份用红外灯照射。每隔10分钟取一次样，则550nm的吸收值A。

③猪胰脏中脂肪酶水解牛奶中脂肪[3]

取5g洗净，剪碎的胰脏，加入10ml10％甘油溶液，在研钵内成糊状，用浸湿的纱布过滤后保存于－10℃冷箱内。取0.5ml胰脏的混合液，加牛奶100 ml，几滴酚酞水溶液，用0.1NnaoH调至红色。将反应液分为两份，一份用频谱仪照射，一份用红外灯照射，都用电磁扰拌，温度都维持在37℃，5分钟取一次样，测550nm的吸收值A。

2． 有机化学实验

① Wittig反应－亚磷酸酯和醛反应生成双键[4] （反应式，P2） 亚磷酸酯0.4g，苯甲醛0.2g,KOH0.1g溶解在100mlDMF中，发为两份，一份用红外灯加热，一份用频谱仪照射，在电磁扰拌下同时升温至40℃，测定产物最大吸收330nm的A值。

② 缩合反应[5] 将原料各0.1g溶在170ml甲醇中，分为两份，一份用红外灯照射，一份用频谱仪照射，在电磁扰拌下，同时同速升温至60℃，大约每隔10分钟从反应液中取一次样，测量410nm处产物的A值。 溶剂极性对反应的影响：用四氢呋喃代替甲醇，进行对比实验。

结果和讨论

一、 生物化学实验

唾液酶水解可溶淀粉的实验中，用HPLC检测水解产物的增加，HPLC图见图1。 以单糖、双糖和麦芽三糖的峰面积之和对反应时间作图，见图2。 蓖麻籽脂肪酶水解牛奶中脂肪的实验，酚酞的颜色随脂肪酸的增加而减弱，将此变化对反应时间作图，见图2。 猪胰脂肪酶水解牛奶脂肪的实验，测检方法和蓖麻籽脂肪酶实验相同，其结果见图4。 从以上三个实验的结果可以看出，频谱仪对生物化学反应的促进是明显的。当反应进行到一半时，二者的瞬时反应速度比是大约1.1－1.2，从反应开始到反应近半时的反应速度比，一般都大于这个比值，也就是说，用频谱仪照射反应比红外灯照射，其反应速度要快10－20％以上。

二、有机化学反应

Wittig反应是形成双键的一个反应，在这个反应中，应用频谱仪辐射比用红外灯加热反应速度快近40％。见图5。

在另一个缩合反应中，形成双吡咯化合，用频谱仪照射的优越性显得更突出。当反应在甲醇中进行时，二个原料的浓度都是2.7mMol/L，用频谱仪照射，1.5小时内反应已结束；而用红外灯照射，1.5小时内反应基本没进行。见图6。当反应在甲醇和四氢呋喃中进行时，同样用频谱仪照射，原料的浓度都是47 mMol/L，可以发现在甲醇中反应40分钟，反应已结束，而在四氢咐喃中140分钟反应还基本上没开始，其后反应才逐渐开始，3.5小时后反应刚过半。见图7。这是因为甲醇是极性溶剂，四氢呋喃是非极性溶剂。分子吸收微波能量依赖于分子的极性，分子对红外的吸收也随着分子极性，或说偶极的增加而增强。因此分子的极性越大，吸收辐射的能量越大。吸收能量后引起振动、转动能级的跃迁，产生"内生热效应"。

以上实验结果可以表明，频谱治疗仪对生物化学和有机化学反应存在明显的促进作用。对上述三个酶促生物化学反应而言，利用频谱仪照射的反应比红外灯照射快10-20％以上。

对有机合成反应的影响尤其突出，在红外灯照射下反应进行很慢，而在频谱仪照射下反应进行极快。

所有实验都是在红外光源和频谱仪辐射下，利用相同反应量、同步升温、同温度下进行反应。可以看出周林频谱仪的辐射作用远大于红外灯。虽然频谱仪的发射能量较低，但作用已很明显。如果增大频谱仪的辐射能量，使反应能在较高的回流温度下进行，并改造一下外型，使之适合于化学实验室对热源外型的要求，那么就可以进行大部分有机化学实验的研究。深入了解频谱仪对生物化学，特别是有机化学反应的积极影响，最终使之应用于有机合成反应，以至化工生产，提高反应效率，节省能源。这在有机化学反应方法学上，无疑是一次飞跃。 （此处有：图1，P4；图2和图3，P5；图4和图5，P6；图6和图7，P7。）