[論文レビュー] Prevalent Intrinsic Emission from Nonaromatic Amino Acids and Poly(Amino Acids)

Xiaohong Chen, Weijian Luo+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2017

Biotin and Related Studies被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、非芳香族アミノ酸およびポリ(アミノ酸)に内在する可視発光が、凝集誘発発光（CTE）によって引き起こされることを明らかにした。非伝統的チャノフォア（アミノ、カルボニル、ヒドロキシル基）が電子雲の重なりと構造的剛性化を伴って凝集体を形成する。主な発見は、室温燐光（RTP）およびε-ポリ-L-リジンにおける持続的RTPを含む広範な発光であり、非芳香族アミノ酸は発光しないという長年の信念に挑戦するものである。

ABSTRACT

Nonaromatic amino acids are generally believed to be nonemissive, owing to their lack of apparently remarkable conjugation within individual molecules. Here we report the intrinsic visible emission of nonaromatic amino acids and poly(amino acids) in concentrated solutions and solid powders. This unique and widespread luminescent characteristic can be well rationalized by the clustering-triggered emission (CTE) mechanism, namely the clustering of nonconventional chromophores (i.e. amino, carbonyl, and hydroxyl) and subsequent electron cloud overlap with simultaneously conformation rigidification. Such CTE mechanism is further supported by the single crystal structure analysis. Besides prompt fluorescence, room temperature phosphorescence (RTP) are also detected from the solids. Moreover, persistent RTP is observed in the powders of exampled poly(amino acid) of ε-poly-L-lysine (ε-PLL) after ceasing UV irradiation. These results not only illustrate the feasibility of employing the building blocks of nonaromatic amino acids in the exploration of new luminescent biomolecules, but also provide significant implications for the RTP of peptides and proteins at aggregated or crystalline states.

研究の動機と目的

• 非芳香族アミノ酸が芳香族共鳴を欠くにもかかわらず、内在する発光を示すかどうかを調査すること。
• 非芳香族アミノ酸は発光しないという従来の仮定に挑戦すること。
• 濃溶液および固体状態で観察された発光の背後にある光物理学的メカニズムを特定すること。
• 非芳香族アミノ酸およびそのポリマーが新しいタイプの発光性バイオ分子としての可能性を調査すること。
• 凝集または結晶性ペプチド系系において、室温燐光および持続的燐光が可能かどうかを検討すること。

提案手法

• 非芳香族アミノ酸およびポリ(アミノ酸)の濃溶液および固体粉末に対して、系統的なフォトルミネッセンス（PL）分光測定を実施した。
• CTEメカニズムを支持する分子配列および分子間相互作用を分析するために、単結晶X線回折を用いた。
• 発光寿命および量子収率を特徴付けるために、時間分解蛍光および燐光測定を実施した。
• 固体状態試料における持続的燐光挙動を調査するために、UV放射を適用した。
• 構造的および光物理学的データに基づき、チャノフォアの凝集体形成と構造的剛性化を強調する、凝集誘発発光（CTE）メカニズムを提唱した。
• 異なるアミノ酸およびポリマー間での発光スペクトルおよび量子収率の比較分析を通じて、構造-性質関係を確立した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非芳香族アミノ酸は、芳香族チャノフォアを欠くにもかかわらず、濃溶液または固体状態で内在する可視発光を示すか？
• RQ2 非芳香族アミノ酸およびそのポリマーにおける観察された発光の背後にある光物理学的メカニズムは何か？
• RQ3 固体状態の非芳香族アミノ酸誘導体において、室温燐光（RTP）が観察可能か？
• RQ4 UV励起後に、ε-ポリ-L-リジンのようなポリペプチド系系で持続的燐光が可能か？
• RQ5 分子凝集体形成および構造的剛性化は、非芳香族アミノ酸系材料の発光特性にどの程度寄与しているか？

主な発見

• グリシン、アルアニン、リジンを含む非芳香族アミノ酸は、濃溶液および固体粉末において強力な内在的可視発光を示す。これは、長年の非発光性仮定に反する。
• 発光は、アミノ基、カルボニル基、ヒドロキシル基が凝集することで電子的に重なり合う非伝統的チャノフォアを形成する凝集誘発発光（CTE）メカニズムに起因する。
• 単結晶X線分析により、電子雲の重なりと剛性化を示す、密接な分子間接触および特定の配列モチーフが確認され、CTEメカニズムの裏付けが得られた。
• 固体状態試料、特にε-ポリ-L-リジン（ε-PLL）において、室温燐光（RTP）が観察され、燐光寿命はミリ秒スケールにまで延びた。
• UV照射を停止した後も、ε-PLL粉末において持続的燐光が検出され、凝集体状態に長寿命励起状態が存在することが示された。
• ε-PLLにおける発光量子収率は、希薄溶液に比べて固体状態で顕著に向上しており、凝集体形成が発光を促進する役割を果たしていることが確認された。