撰文：李俊博

研究背景

一般情況下利用拉曼光譜技術(shù)可以非常方便的鑒定物質(zhì)成分，獲得結(jié)構(gòu)信息。但是，一些化學(xué)物質(zhì)直接通過(guò)拉曼光譜無(wú)法檢測(cè)出信號(hào)，需要通過(guò)拉曼增強(qiáng)技術(shù)，提高拉曼信號(hào)信噪比，從而檢測(cè)出待檢物質(zhì)。

表面增強(qiáng)共振拉曼（SERS）活性基底的快速發(fā)展促進(jìn)了人們對(duì)SERS機(jī)理的探究，這使SERS的應(yīng)用范圍拓寬至更廣的領(lǐng)域。大量的研究表明SERS的增強(qiáng)機(jī)理主要有兩種：表面等離子體共振及電荷轉(zhuǎn)移機(jī)理。對(duì)于過(guò)渡金屬基底來(lái)說(shuō)，其增強(qiáng)能力取決于自身的性質(zhì)及材料的表面形態(tài)，電磁場(chǎng)與化學(xué)增強(qiáng)的共同作用使之產(chǎn)生增強(qiáng)的拉曼信號(hào)。然而，目前只有幾種有機(jī)小分子在過(guò)渡金屬上能夠被選擇性的增強(qiáng)，這限制了過(guò)渡金屬的實(shí)際應(yīng)用。

基于以上背景，吉林大學(xué)超分子結(jié)構(gòu)與材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的趙冰教授等人制備了四種SERS活性基底（兩種過(guò)渡金屬和兩種貴金屬），并通過(guò)細(xì)胞色素c （Cyt c）在基底上SERS光譜的變化，討論了Cyt c與這些活性基底間的電子轉(zhuǎn)移路徑與機(jī)理。

本研究中， SERS光譜的采集采用了HORIBA LabRam系列拉曼光譜儀，所有的拉曼數(shù)據(jù)則通過(guò)LabSpec軟件進(jìn)行分析。

下面讓我們走進(jìn)該項(xiàng)研究：

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為什么選擇Cyt c?

細(xì)胞色素c是一種水溶性的血紅素蛋白質(zhì)并常作為呼吸鏈中的電子載體。大部分Cyt c的SERS光譜的獲得是通過(guò)電化學(xué)結(jié)合拉曼光譜的方法，從而研究氧化還原蛋白質(zhì)在基礎(chǔ)及應(yīng)用科學(xué)領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)與反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。基于Cyt c的電子轉(zhuǎn)移的能力，Cyt c常用作新型的探針來(lái)探究SERS活性基底與吸附生物分子之間的電子轉(zhuǎn)移。

圖1. 細(xì)胞色素c與SERS活性材料之間的電子轉(zhuǎn)移示意圖。

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具體的研究過(guò)程

作者通過(guò)紫外光譜表征發(fā)現(xiàn)過(guò)渡金屬鎳和鈷納米粒子可將氧化態(tài)的Cyt c還原，并且通過(guò)SERS光譜發(fā)現(xiàn)二者與還原劑連二硫酸鈉的作用相同，二者作為良好的還原劑與Cyt c之間發(fā)生了電子轉(zhuǎn)移，且通過(guò)譜峰的對(duì)比證實(shí)了在過(guò)渡金屬的作用下，蛋白質(zhì)仍保持著良好的二級(jí)結(jié)構(gòu)。另一方面，對(duì)惰性金屬Au和Ag納米粒子也進(jìn)行了相同的實(shí)驗(yàn)，通過(guò)紫外圖的表征說(shuō)明二者對(duì)氧化態(tài)和還原態(tài)的Cyt c均未產(chǎn)生價(jià)態(tài)上的影響，而SERS光譜則表明Ag納米粒子能使還原態(tài)Cyt c氧化，并且譜峰相對(duì)強(qiáng)度的變化意味著Cyt c結(jié)構(gòu)的改變。

基于以上現(xiàn)象，作者對(duì)Cyt c與金屬納米粒子之間的電子轉(zhuǎn)移機(jī)理進(jìn)行了探究并給出合理解釋。氧化態(tài)Cyt c與Ni NWs之間的轉(zhuǎn)移方向是從Ni的費(fèi)米能級(jí)至Cyt c的導(dǎo)帶，此處由于Cyt c的電導(dǎo)性表現(xiàn)出半導(dǎo)體的行為，因此根據(jù)肖特基勢(shì)壘和歐姆接觸可知，金屬鎳的功函與Cyt c的電子親和能值十分接近，促移則基于SERS的電子轉(zhuǎn)移機(jī)理，實(shí)驗(yàn)所用的激發(fā)光能量恰能夠激發(fā)Cyt c HOMO能級(jí)上的電子轉(zhuǎn)移至Ag的費(fèi)米能級(jí)。

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研究的創(chuàng)新點(diǎn)

本研究將氧化還原蛋白質(zhì)的電子轉(zhuǎn)移與SERS中的電荷轉(zhuǎn)移機(jī)理相結(jié)合，為電荷轉(zhuǎn)移理論提出了新的見(jiàn)解。并且，Cyt c與過(guò)渡金屬之間直接的電子轉(zhuǎn)移行為的發(fā)現(xiàn)將會(huì)拓寬過(guò)渡金屬在氧化還原蛋白質(zhì)光譜研究領(lǐng)域的應(yīng)用。?

此項(xiàng)研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資金支持。

相關(guān)成果近期發(fā)表在雜志《Chemistry - A European Journal》上: Junbo Li, Weina?Cheng, Xiaolei Wang, Haijing Zhang, Jin Jing, Wei Ji, Xiao Xia Han, Bing Zhao, “Electron Transfer of Cytochrome c on Surface-Enhanced Raman Scattering-Active Substrates: Material Dependence and Biocompatibility”. Chem. Eur. J. 2017, DOI: 10.1002/chem.201702307

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