表面增强拉曼光谱技术引入到辐射生物学分析

电离辐射作用于生物可产生丰富的生物学效应。研究生物分子在电离辐射条件下结构和功能变化是理解辐射生物学效应及其早期生物过程的关键。目前，辐射生物光谱检测存在两个亟待解决的问题：一是在生物体内，对少量生物分子实现高灵敏光谱检测，二是在生物分子化学反应过程中，对含混合物的复杂体系进行光谱定性和定量分析。中国科学院合肥物质科学研究院技术生物与农业工程研究所研究员黄青带领课题组围绕这些科学问题持续进行研究，取得新进展。

课题组将表面增强拉曼光谱（SERS）技术引入到辐射生物学分析领域，利用拉曼光谱无损伤检测和指纹特性的优点，对含有多种成分的混合体系进行快速鉴别；利用金属纳米材料特性提高拉曼光谱灵敏度，对微量生物分子进行检测；同时，在光谱分析上，他们借助量化计算的密度泛函理论方法，通过计算分子振动模式及光谱性质对实验获得的光谱进行解读。

以研究电离辐射引起苯丙氨酸（Phe）氧化反应为例，课题组利用SERS技术检测了苯丙氨酸转化为三种酪氨酸异构体（o-Tyr，m-Tyr，p-Tyr）的氧化反应，并根据光谱理论模拟计算，确定了苯丙氨酸和各种酪氨酸异构体的特征峰，从而对离子辐射条件下苯丙氨酸向酪氨酸转变、并随辐射作用时间氧化增加过程进行了定量分析和研究。该成果已发表于Journal of Molecular Structure(2014,1072,195–202)。

对于生物分子振动光谱理论计算，课题组比较多种理论模型的计算，得出SMD溶剂模型和色散修正对氨基酸分子的结构参数计算和光谱计算的精度有明显的提升。以间位-酪氨酸（m-Tyr）为例，系统研究了其拉曼和红外光谱，并借助同位素拉曼光谱实验和理论计算数据对比解析它的振动模式。相关成果发表于国际光谱学专业期刊Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy(2015, 151, 111–123)。

在以上工作基础上，课题组利用SERS技术对一种生物体内普遍存在的生物分子谷胱甘肽（glutathione）在电离辐射条件下的氧化还原反应进行定量分析和研究。研究中，用环糊精做还原剂和稳定剂制备了SERS活性好、背景干扰小且形状大小均一的银纳米颗粒，由此对微量还原型谷胱甘肽（GSH）和氧化型谷胱甘肽（GSSG）进行了SERS检测和分析，发现可以通过509cm-1（S-S）与1051cm-1（C-N）这两个拉曼谱相对强度比值作为由GSH向GSSG转变的度量指标。该项工作不仅解决了SERS技术对微量生物分子反应体系所涉及混合物的定量分析，而且提出一种新的考量生物辐射损伤的检测方法，为下一步在活体细胞中实现对生物应激辐射氧化胁迫反应或辐射损伤进行快速、无损、定量评估打下基础。相关成果发表于RSC Advances ( 2015, 5, 57847–57852)。