CN102628807B

CN102628807B - 基于表面增强拉曼光谱探测痕量生物分子电离辐射分解反应的方法

Info

Publication number: CN102628807B
Application number: CN201210090975.9A
Authority: CN
Inventors: 黄青; 柯志刚; 鲁逸林; 孟国文; 朱储红; 黄竹林; 余增亮
Original assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Current assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Priority date: 2012-03-31
Filing date: 2012-03-31
Publication date: 2015-12-02
Anticipated expiration: 2032-03-31
Also published as: CN102628807A

Abstract

本发明公开了基于表面增强拉曼光谱探测痕量生物分子电离辐射分解反应的方法，包括有三种适合于生物分子辐射实验的表面增强拉曼光谱（SERS）基底及其相应的测试方法：利用银纳米片组成的微米半球做SERS基底，定量测量固态生物样品（例如：蛋白质）在离子辐射直接作用下的辐射损伤；利用金包裹二氧化硅亚微米球做SERS基底，再连接上DNA，定量测量固态生物样品DNA分子在离子辐射直接作用下的辐射损伤；利用银胶体颗粒，把它和从辐射反应溶液中取样混合，利用SERS效应测量辐射分解反应产物，研究辐射间接作用下生物分子的辐射损伤。本发明可以方便地对载能离子引起微量生物分子的辐解反应进行在线、25、无损和痕量检测。

Description

基于表面增强拉曼光谱探测痕量生物分子电离辐射分解反应的方法

技术领域

本发明属于生物检测和辐射生物学交叉领域，涉及利用表面增强拉曼光谱探测痕量生物分子在电离辐射、特别是载能离子辐照作用下发生辐射分解反应的过程及产物的方法。

背景技术

由于核技术在农业、工业、生物和医学等领域应用的迅速发展，人们对于辐射生物学效应、核安全防护、以及辐射对植物、动物及人类影响的关注也日益加强。特别是最近在日本发生9.0级地震引发核电站爆炸危机，核辐射防护成为当前急需解决重大问题。人们迫切需要了解与核辐射相关的电离辐射对生物体的效应及作用影响，以采取更有效的防护措施。而要深入研究作用机理，需要使用有效的测量方法和工具对电离辐射与生物细胞作用过程进行无干扰、实时的探测，从而准确记录生物分子在作用过程中发生的物理和化学上的细微、动态的变化。这在当前仍是一大挑战；其中，如何准确探测和评价电离辐射中的载能离子对生物体的作用也是当今世界科研前沿领域之一。

为了在分子水平探测辐射引起生物变化的微观、动态过程，必须了解载能离子辐射与生物体作用体系的特殊性质，明确何种物理或化学因素、与何种物质和多少数量的物质起作用。载能离子与生物体发生作用的过程非常复杂。从作用对象来说，可分为生物小分子(如氨基酸和碱基)，生物大分子(如蛋白质、脂类和DNA)、细胞和个体多个层次；从作用过程来说，经历了从原初的物理化学过程、生物化学过程到生物学终点效应宽广的时间域；从作用方式来说，可分为直接作用和间接作用，其中直接作用的物理因子包括载能离子能量、质量和电荷等，间接作用则主要指通过载能离子辐解反应生成的活性氧ROS(reactiveoxygenspieces)自由基对生物的作用。特别地，在实际体系中，比如在细胞中，载能离子辐射所涉及生物分子数量较少，而且经辐解反应后形成的产物分子数量也极少。对于研究这样的作用体系，要弄清楚载能离子对生物体作用的微观动态图像，首先需要有一个能够对痕量物质可以进行实时、在线、无损测量的方法。

一般地，常规的对生物分子的辐解反应测量和分析方法包括：色谱(GC、LC)、质谱(MS)、电子顺磁共振(ESR)谱、核磁共振(NMR)谱等，利用它们可以检测载能离子注入有机小分子的能量吸收和传递、激发和电离、自由基的产生、化学键的断裂和分子片段化等。但是这些方法共同缺点是设备昂贵、测试费用高，而且测量速度慢，一般只能进行生物体外测量；而且，这些测试手段一般还需要准备较大量的测试样品。随着光学、材料、化学计量学和计算机科学技术的进步，现代光谱技术在生物领域已得到广泛应用。光谱方法的特点是灵敏度较高、具有时间和空间分辨，应用简单、快速、成本低。特别是振动光谱(包括红外和拉曼光谱)，具有分子本征谱线，无需对生物样品进行特殊标记，可以用来进行无损测量。但是，常规的拉曼光谱灵敏度较低，也不能达到检测到离子辐射所涉及少量生物分子的灵敏度。表面增强拉曼散射(SurfaceEnhancedRamanScattering)-SERS光谱技术是一种近年来发展很快的无损、痕量测量技术，它是指在具有纳米级粗糙度的贵金属颗粒或溶胶表面，在激光的照射下，吸附分子的拉曼散射信号大幅度增强的现象。与传统的拉曼光谱方法相比，灵敏度一般可以提高6-7个量级，甚至可以达到单分子测量水平。SERS效应最初由Fleischmann等人在1974年发现，由于SERS光谱可以获得极少量分子振动的指纹特性，在环境、化学分析和生物检测中都有极大应用前景。但是，目前为止，还没有出现把这项技术应用于辐射生物学领域的报道，而且，要把这项技术用来探测生物分子的辐射损伤，关键是需要获得对生物分子吸附性好、稳定性高、能重复测量、有较高SERS活性高的基底，还要检验它们是否经得起一般载能离子辐射条件和环境下可能造成的破坏和干扰。这是辐射生物学中的一个新问题，也是一项新的挑战。我们的发明正是为解决该问题提供的一个有效方案。

发明内容

本发明旨在解决上述关于探测痕量生物分子在载能辐照下发生变化所涉及的测量技术问题。为了解决这个问题，本发明提出可以应用表面增强拉曼散射(SERS)光谱技术进行辐射生物学方面的研究，并且，设计了一些具体和特殊的SERS基底和测量方案，用实验证明可以方便地对载能离子引起微量生物分子的辐解反应进行在线、定量、无损和痕量检测。本发明使用的SERS基底，既可以经得起低剂量下载能离子的辐照处理，即：SERS基底的纳米结构没有被辐射破坏，因而对测试小生物分子的SERS效应不受影响；也可以很有效地把极少量的生物分子的反应物和生成物吸附在SERS基底表面，而且测量的重复性好，可以得到用来定量分析生物辐射损伤的SERS信号，从而分析生物分子在载能离子辐照作用下的辐解反应。

本发明采用的技术方案如下：

基于表面增强拉曼光谱探测痕量生物分子电离辐射分解反应的方法，其特征在于，包括有三种适合于生物分子辐射实验的表面增强拉曼光谱(SERS)基底及其相应的测试方法：

(1)利用银纳米片组成的微米半球做SERS基底，定量测量固态生物样品(例如：蛋白质)在离子辐射直接作用下的辐射损伤；

①银纳米片组成的分散的微米半球的制备方法的关键过程如下：

以硝酸银和柠檬酸的水溶液作为电解液，石墨片为阳极，ITO衬底为阴极，在室温下采用20μA/cm²的电流密度，在恒电流条件下电沉积60分钟；然后将带有大量分立的银纳米片组成的微米半球的ITO衬底取出用去离子水清洗多次，再用纯氩气吹干，获得覆盖在ITO衬底上的大量分立的银纳米片组成的微米半球；

②在SERS光谱测试之前，将银微米半球用等离子体清洗20分钟，从而去除半球表面残留的柠檬酸；

③利用银纳米片组成的分散开的微米半球做SERS基底，在上面滴加微量生物分子(例如：蛋白质)；在SERS光谱测量中，在显微镜下可以清楚看见和区分那些分散开的微米小球，从而选定某一个银纳米片微球，并用532nm波长的激光聚焦其上，识别并反复测量单个微球上面的生物分子在不同辐照剂量下的SERS光谱；

(2)利用金包裹二氧化硅亚微米球(直径100-500nm)做SERS基底，再连接上DNA，定量测量固态生物样品DNA分子在离子辐射直接作用下的辐射损伤；

①制备金包裹二氧化硅亚微米球的操作过程如下：

在50mL纯酒精中加入3mL浓度为30％的氨水溶液搅拌，加入1.5mL的TEOS(Tetraethylorthosilicate)，缓慢搅拌过夜得到乳白色液体，调节参加反应的酒精和氨水摩尔比例，即可得到粒径在100-500纳米的二氧化硅小球；然后用硅烷偶联剂将金纳米颗粒种子(直径大约1-3nm)固定在APTES修饰的二氧化硅小球的表面；之后再在金纳米颗粒种子包裹的二氧化硅小球表面继续生长一层金的壳层，通过控制参加反应物质的量和核壳半径比率以及金壳层的完整度调节金包裹二氧化硅小球的可见-紫外吸收峰位置；

②利用金包裹二氧化硅亚微米球做SERS基底，再用一定的方法连接上DNA；操作过程如下：

取一定量的巯基修饰的单链或双链DNA粉末溶解于去离子水中，加入二硫苏糖醇(DTT)活化后，取若干微升样品滴加在基片上，将基片置于湿润环境中过夜即可；

③把连接上DNA的金包裹二氧化硅亚微米球铺在石英片上测量在不同辐射剂量(时间)的SERS光谱；操作过程如下：

取合适大小的石英片，用去离子水、酒精、piranhasolution(H₂SO₄/H₂O₂：7/3)循环清洗，氮气吹干备用；通过偶联剂将金包裹二氧化硅小球固定在石英片上；在显微镜下可以清楚看见和区分那些分散开的金包裹二氧化硅亚微米球(100-500nm)，选定某一个微球，用785nm波长的激光聚焦其上，识别并反复测量亚微米球上面的DNA分子在不同辐照剂量下的拉曼光谱，通过改变连接时间可以调节金包裹二氧化硅小球在石英片上的疏密程度；

(3)利用银胶体颗粒，把它和从辐射反应溶液中取样(辐射反应溶液中含微量的生物分子与反应生成物质)混合，利用SERS效应测量辐射分解反应产物，研究辐射间接作用下(即：通过活性氧自由基起作用)生物分子的辐射损伤；

①银胶体颗粒的制备，用一般的柠檬酸钠还原硝酸银的方法：用4mL1％柠檬酸钠还原200mL10^-3M硝酸银；

②利用银胶体颗粒做SERS基底，将辐射反应溶液中含有微量的生物分子及其反应生成物与纳米银颗粒混合，滴铺在石英片上，在显微镜下可以清楚看见和区分那些分散开的银胶体颗粒和纳米银颗粒，从而选定某一个银胶体颗粒或纳米银颗粒，并用532nm波长的激光聚焦其上，识别并反复测量单个颗粒上面的生物分子在不同辐照剂量下的SERS光谱。

所述基于表面增强拉曼光谱探测痕量生物分子电离辐射分解反应的方法，其特征在于：所述的离子辐照可以用α源(²⁴¹Am)。

本发明的有益效果在于：

1)本发明首次提出并用实践证明应用表面增强拉曼散射(SERS)(SurfaceenhancedRamanScattering)光谱技术可以有效进行辐射生物学研究，解决对涉及辐射反应痕量物的分析；

2)本发明可以方便地对载能离子引起微量生物分子的辐解反应进行在线、定量、无损和痕量检测；

3)本发明使用的SERS基底，既可以经得起低剂量下载能离子的辐照处理，即：SERS基底的纳米结构没有被辐射破坏，因而对测试小生物分子的SERS效应不受影响；也可以很有效地把极少量的生物分子的反应物和生成物吸附在SERS基底表面，而且测量的重复性好，可以得到用来定量分析生物辐射损伤的SERS信号，从而分析生物分子在载能离子辐照作用下的辐解反应。

附图说明

图1为本发明的实验装置的结构示意图。

图2(A)为本发明所使用的微纳结构的银纳米片组成的微米半球的SEM电镜图。

图2(B)为本发明所使用的微纳结构的银纳米片组成的微米半球在不同辐照时间下同一微球上的HRP的SERS光谱图。

图2(C)为本发明所使用的微纳结构的银纳米片组成的微米半球的光谱强度的分析显示图(随辐照剂量增大HRP分子破坏增加)。

图3(A)为本发明所使用的纳米金包裹二氧化硅亚微米球SEM电镜图。

图3(B)为本发明所使用的纳米金包裹二氧化硅亚微米球在不同辐照时间下同一微球上的DNA的SERS光谱图。

图3(C)为本发明所使用的纳米金包裹二氧化硅亚微米球的光谱强度的分析显示图(DNA随分子随辐照剂量增大而破坏增加)。

图4为本发明中Phe经放电处理后生成酪氨酸Tyr的示意图。

具体实施方式

本发明的基本指导思想是要进行定位的、可以重复测量的、痕量检测的SERS光谱实验。这是因为进行生物分子辐射剂量增加而变化的辐照实验时，需要把被测试样品从拉曼光谱显微镜的载物台拿开，辐照之后再反复测量。这里，本发明提出的有效方案是使用具有微纳结构的SERS基底，因为使用这种含纳米结构的微米球的好处是可以用显微镜很方便地对测量点进行定位和识别，这样拿走样品辐照后，可以重新找到原来的测量点进行测量。其中，每个微米小球是分散开的，而且它的大小应该比激光聚焦光斑小。实验设计的示意图见图1所示。

经过反复测试，得到三种适合于生物分子辐射实验的SERS基底和测试方法，下面分别予以介绍并给出实例证明。

1、利用银纳米片组成的微米半球SERS基底，定量测量固态生物样品(蛋白质)在离子辐射作用下的辐射损伤。具体步骤包括：

①SERS基底及制备：这里用银纳米片组成的微米半球做SERS基底。用2g/L硝酸银和40g/L柠檬酸的水溶液作为电解液，石墨片为阳极，ITO衬底为阴极(1cm²)，在室温下采用20μA/cm²的电流密度，在恒电流条件下电沉积60分钟。然后将带有大量分立的银纳米片组成的微米半球的ITO衬底取出用去离子水清洗多次，再用纯氩气吹干，获得覆盖在ITO衬底上的大量分立的银纳米片组成的微米半球。在SERS测试之前，将银微米半球用等离子体清洗20分钟，从而去处半球表面残留的柠檬酸。制备出的银纳米片组成的微米半球如图2A所示，可以看到，这些银纳米片组成的微球是分散均匀分布的，每个微球尺寸＜10um，一般小于激光聚焦光斑。

②测试方法：试验样品为辣根过氧化物酶(horseradishperoxidase，简称HRP)。取小块SERS基底浸泡于40mg/mLHRP溶液(溶于蒸馏水)30分钟，取出样品后立即用滤纸吸去基底上的HRP溶液，样品干燥之后利用Xplora(HORIBAJOBINYVON)拉曼光谱仪采集单个半球上的HRP拉曼光谱，分析拉曼谱采集过程中激光对HRP分子可能造成的影响。然后对附有HRP分子的基底中一特定半球进行拉曼谱采集，完毕后进行α-粒子辐照(α辐射源来自²⁴¹Am，辐照在样品上的粒子能量约为4MeV)。

③实例分析：辐照剂量分别为2h、4h、6h(相应于辐射剂量大约为36、72、108Gy)，每一剂量辐照完毕都对辐照前设定的那个微米半球进行拉曼谱采集，探究α-粒子辐照对HRP分子的影响。其中，拉曼光谱测量条件为：激光：532nm，功率：＜10uW(滤光片0.1％)，物镜：×100；(10W/cm²)积分时间：30秒，，循环测量次数：2次。发现HRP随辐照时间增加而损伤增加，图2B给出测量的SERS光谱，图2C是对图2B分析，显示HRP分子的确随辐照剂量增大而破坏增加。

2、利用纳米金包裹二氧化硅亚微米球做SERS基底，再连接上DNA，定量测量固态生物样品(DNA)在离子辐射作用下的辐射损伤。

①SERS基底及制备：用金包裹二氧化硅核壳结构做SERS基底。制备步骤：1)首先合成1-3nm金纳米颗粒种子：在45mL的超纯水中加入0.5mLNaOH(1M)和12μL质量分数为80％的THPC(tetrakis(hydroxymethyl)phosphoniumchloride)，磁力搅拌5分钟。迅速加入36μLHauCl₄3H₂O(1M)，继续搅拌15分钟，静置。溶液在4℃条件下保存一个星期后备用。2)制备二氧化硅小球(100-500纳米)：在50mL纯酒精中加入3mL质量分数为30％的氨水溶液搅拌，加入1.5mL的TEOS(Tetraethylorthosilicate)，缓慢搅拌过夜得到乳白色液体。调节参加反应的酒精和氨水摩尔比例，即可得到粒径在100-500纳米的二氧化硅小球。3)通过硅烷偶联剂将金纳米颗粒种子固定在二氧化硅小球的表面：取20mL氨水稳定的二氧化硅溶液加入一定量的APTES(3-aminopropyltriethoxysilane)，搅拌两个小时后，缓慢加热到40℃继续加热两个小时，不断添加纯酒精保持溶液体积不变。溶液冷却后，6500转离心十分钟，用去离子水和纯酒精交替清洗。取5mL的1-3nm金颗粒溶液，加入500μLAPTES修饰的二氧化硅溶液，轻微震荡，静置过夜。4)在金纳米颗粒种子包裹的二氧化硅小球表面继续生长一层金的壳层：在100mL超纯水中加入25mg碳酸钾，磁力搅拌10分钟后，加入50μLHAuCl₄3H₂O(1M)溶液，搅拌30分钟，溶液从淡黄色变成无色，陈化过夜后备用。取5.2mL的纳米金颗粒修饰的二氧化硅溶液，2000转离心十分钟，弃上清，在沉淀中加入4mL超纯水，超声复溶。取10mL陈化后的氯金酸溶液，加入50μL-500μL纳米金颗粒修饰的二氧化硅溶液后，迅速加入10μL甲醛，磁力搅拌两个小时，即得到不同吸收峰位置的金包裹二氧化硅纳米小球。制备出的金包裹二氧化硅纳米小球如图3A所示。5)通过控制参加反应物质的量和核壳半径比率以及金壳层的完整度调节金包裹二氧化硅小球的可见-紫外吸收峰位置(650-800nm可调)。取合适大小的石英片，用去离子水、酒精、piranhasolution(即：H₂SO₄/H₂O₂：7/3)循环清洗，氮气吹干备用。通过偶联剂将金包裹二氧化硅小球固定在石英片上。通过改变连接时间可以调节金包裹二氧化硅小球在石英片上的疏密程度。

②测试方法：试验样品为巯基修饰的单链DNA(SH-AAAAAAAAAAAAAAA，大连宝生物)。取一定量的单链DNA粉末溶解于去离子水中，加入二硫苏糖醇(DTT)活化。单链DNA和DTT的终浓度分别为50微摩尔和5毫摩尔。取3微升样品滴加在基片上，将基片置于湿润环境中过夜。Alpha辐照和拉曼信号收集前，基片小心淋洗，自然风干。利用Xplora(HORIBAJOBINYVON)拉曼光谱仪采集基片的背景信号及检测拉曼信号收集过程中激光对ssDNA分子可能造成的影响。选择基片中一特定的区域进行拉曼光谱的采集，完毕后进行α-粒子辐照。

③实例分析：辐照的剂量分别为2h、4h、6h、8h(相应于辐射剂量大约为72、144、216、288Gy)，每一剂量辐照完毕都对辐照前设定的区域进行拉曼谱采集，探究α-粒子辐照对ssDNA的影响。拉曼光谱测量条件为：激光：785nm，功率(滤光片1％)：0.3mW；积分时间：30秒，循环次数：2，物镜：×50。试验结果如图3B、C所示，其中图3B是不同辐照时间下的SERS光谱图，图3C是光谱数据分析，显示了DNA数量的确随辐照时间增加而减少。

3、通过从反应溶液中取样与能产生SERS效应的纳米银颗粒混合再测量其中反应产物的方案。

①SERS银胶制备：用4mL1％柠檬酸钠还原200mL10^-3M硝酸银，所制备的银胶体最大吸收峰为430nm。

②测试方法：经离心去除上清，加入50微升水到银胶沉淀中，吹打混匀，然后向其中分别加入放电处理(放电处理用一个自制装置，其目的是产生各种自由基)前后的苯丙氨酸Phe(1mM)溶液50微升，混匀后吸取10微升混合液滴加于石英片上，干燥后SERS检测。

③实例分析：放电等离子体处理苯丙氨酸Phe溶液，测量Phe辐射分解产物。检测条件：532nm激光，功率(filter：1％)：0.07mW；hole：100，slit：100，1200T，物镜：100倍，积分时间：2S，积分次数：2次。Phe经放电处理后在1163cm^-1处发现一新的拉曼峰，与酪氨酸Tyr样品的SERS信号相同。这与我们以前用HPLC分析的结果相符，实验结果见图4。

以上所有的SERS基底在小剂量辐照下，证明仍然可以保持较高的SERS活性。

Claims

1.基于表面增强拉曼光谱探测痕量生物分子电离辐射分解反应的方法，其特征在于，利用金包裹二氧化硅亚微米球做SERS基底，再连接上DNA，定量测量固态生物样品DNA分子在离子辐射直接作用下的辐射损伤，所述方法包括如下步骤：

①制备金包裹二氧化硅亚微米球，操作过程如下：

在50mL纯酒精中加入3mL浓度为30%的氨水溶液搅拌，加入1.5mL的TEOS（Tetraethylorthosilicate），缓慢搅拌过夜得到乳白色液体，调节参加反应的酒精和氨水摩尔比例，即可得到粒径在100-500纳米的二氧化硅小球；然后用硅烷偶联剂将金纳米颗粒种子固定在APTES修饰的二氧化硅小球的表面；之后再在金纳米颗粒种子包裹的二氧化硅小球表面继续生长一层金的壳层，通过控制参加反应物质的量和核壳半径比率以及金壳层的完整度调节金包裹二氧化硅小球的可见-紫外吸收峰位置；

取一定量的巯基修饰的单链或双链DNA粉末溶解于去离子水中，加入二硫苏糖醇（DTT）活化后，取若干微升样品滴加在基底上，将基底置于湿润环境中过夜即可；

③把连接上DNA的金包裹二氧化硅亚微米球铺在石英片上测量在不同辐射剂量的SERS光谱；操作过程如下：

取合适大小的石英片，用去离子水、酒精、piranhasolution循环清洗，氮气吹干备用；通过偶联剂将金包裹二氧化硅小球固定在石英片上；在显微镜下可以清楚看见和区分那些分散开的金包裹二氧化硅亚微米球，选定某一个微球，用785nm波长的激光聚焦其上，识别并反复测量亚微米球上面的DNA分子在不同辐照剂量下的拉曼光谱，通过改变连接时间可以调节金包裹二氧化硅小球在石英片上的疏密程度。

2.根据权利要求1所述基于表面增强拉曼光谱探测痕量生物分子电离辐射分解反应的方法，其特征在于：所述的电离辐射采用离子辐照，其为α粒子辐射源、低能离子束、重离子束、放电等离子体辐射。