合肥研究院利用SERS技术解析生物分子在金属纳米材料表面的吸附作用

表面增强拉曼光谱(SERS)技术在物质分析上具有指纹识别、高灵敏度、无损、水干扰小等优点，已在化学、生物、医学、食品、环境等领域得到广泛应用。但目前关于SERS光谱的重复性和定量化及其化学增强效应和机理问题，仍是研究热点和难点，因为这与分子在金属纳米材料上的吸附方式和作用密切相关。

反向思考，是否可通过对SERS光谱测量与分析研究分子在金属纳米材料上的吸附方式和作用？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课题组对此开展研究并取得进展。相关研究结果发表于J. Phys. Chem. C（DOI:10.1021/acs.jpcc.8b00949）。

他们以典型的半胱氨酸-金溶胶体系为研究对象，利用分子-金属团簇理论模型结合SERS光谱解析氨基酸在金属纳米颗粒表面的吸附结构。通过量子化学理论计算，建立了半胱氨酸在金属纳米颗粒吸附的各种可能的分子-金属团簇模型；结合实验SERS光谱解析，得出半胱氨酸为Anti(II)旋转构象，即分子以硫原子和氧原子与基底形成化学键吸附到金表面。

此前，黄青课题组利用SERS方法，针对碱基在金/银纳米颗粒表面吸附方式进行研究，得到碱基以N7H异构体的N3和N9位氮原子双配位的方式吸附在金/银纳米材料表面的结果（J. Phys. Chem. C, 121, 2017, 9869-9878）。国外同行针对SERS研究中腺嘌呤在金/银表面吸附这个未解难题发表综述文章(ChemPhysChem，DOI:10.1002/cphc.201701223)，对研究结果进行引用、评述，并评论“我认为你们的工作对这个富有争议的话题是一个重要的贡献”。

以上工作出发点以典型氨基酸分子-半胱氨酸和碱基分子-腺嘌呤为例，利用SERS实验，结合这种密度函数理论（DFT）量化计算方法解析它们在金属纳米材料表面吸附方式和作用机理。这种方法可推广应用于解决其他生物分子在金属表面吸附的问题。基于DFT计算和SERS测量相结合方法，有助于解决SERS光谱定量化问题，解析SERS化学增强效应和机制。

此项研究工作得到国家自然科学基金、安徽省自然科学基金以及国家重点基础研究发展计划等项目资助与支持。

半胱氨酸在金纳米颗粒表面的（左上）量化计算Raman谱（左下）实验SERS谱（右）吸附结构