表面增強拉曼光譜技術引入到輻射生物學分析

電離輻射作用于生物可產生豐富的生物學效應。研究生物分子在電離輻射條件下結構和功能變化是理解輻射生物學效應及其早期生物過程的關鍵。目前，輻射生物光譜檢測存在兩個亟待解決的問題：一是在生物體內，對少量生物分子實現高靈敏光譜檢測，二是在生物分子化學反應過程中，對含混合物的復雜體系進行光譜定性和定量分析。中國科學院合肥物質科學研究院技術生物與農業工程研究所研究員黃青帶領課題組圍繞這些科學問題持續進行研究，取得新進展。

課題組將表面增強拉曼光譜（SERS）技術引入到輻射生物學分析領域，利用拉曼光譜無損傷檢測和指紋特性的優點，對含有多種成分的混合體系進行快速鑒別；利用金屬納米材料特性提高拉曼光譜靈敏度，對微量生物分子進行檢測；同時，在光譜分析上，他們借助量化計算的密度泛函理論方法，通過計算分子振動模式及光譜性質對實驗獲得的光譜進行解讀。

以研究電離輻射引起苯丙氨酸（Phe）氧化反應為例，課題組利用SERS技術檢測了苯丙氨酸轉化為三種酪氨酸異構體（o-Tyr，m-Tyr，p-Tyr）的氧化反應，并根據光譜理論模擬計算，確定了苯丙氨酸和各種酪氨酸異構體的特征峰，從而對離子輻射條件下苯丙氨酸向酪氨酸轉變、并隨輻射作用時間氧化增加過程進行了定量分析和研究。該成果已發表于Journal of Molecular Structure(2014,1072,195–202)。

對于生物分子振動光譜理論計算，課題組比較多種理論模型的計算，得出SMD溶劑模型和色散修正對氨基酸分子的結構參數計算和光譜計算的精度有明顯的提升。以間位-酪氨酸（m-Tyr）為例，系統研究了其拉曼和紅外光譜，并借助同位素拉曼光譜實驗和理論計算數據對比解析它的振動模式。相關成果發表于國際光譜學專業期刊Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy(2015, 151, 111–123)。

在以上工作基礎上，課題組利用SERS技術對一種生物體內普遍存在的生物分子谷胱甘肽（glutathione）在電離輻射條件下的氧化還原反應進行定量分析和研究。研究中，用環糊精做還原劑和穩定劑制備了SERS活性好、背景干擾小且形狀大小均一的銀納米顆粒，由此對微量還原型谷胱甘肽（GSH）和氧化型谷胱甘肽（GSSG）進行了SERS檢測和分析，發現可以通過509cm-1（S-S）與1051cm-1（C-N）這兩個拉曼譜相對強度比值作為由GSH向GSSG轉變的度量指標。該項工作不僅解決了SERS技術對微量生物分子反應體系所涉及混合物的定量分析，而且提出一種新的考量生物輻射損傷的檢測方法，為下一步在活體細胞中實現對生物應激輻射氧化脅迫反應或輻射損傷進行快速、無損、定量評估打下基礎。相關成果發表于RSC Advances ( 2015, 5, 57847–57852)。