中國科學院海洋研究所研發國際首個RiP-SERS探針，深海生物大分子探測靈敏度達nM級
近日，國際學術期刊《Applied Surfaces Science》在線發表了題為“In situ surface-enhanced Raman scattering detection of biomolecules in the deep ocean” (IF= 7.392)的文章[1]，報道了中國科學院院海洋研究所張鑫團隊和物理所楊洋團隊合作成功研制了一種適用于深海的新型表面增強拉曼散射插入式探針(RiP-SERS)，搭載“發現”號ROV機器人在南海冷泉區完成常態化航次應用，獲取了深海冷泉生物群落中納摩爾濃度的乙酰輔酶A、β-胡蘿卜素等生物大分子的拉曼光譜。這是國際上首次將表面增強拉曼技術用于深海，檢測靈敏度達nM級，為研究冷泉和熱液極端環境中的生命現象提供了一種新方法。
圖1 深海冷泉口微生物群落原位SERS探測概念圖:面板右側為RiP-SERS概念設計;面板左側RiP-SERS原位檢測照片
深海極端環境下的化能合成生命現象一直被認為是地球早期生命起源的一種可能，是國際深海科學和生命科學的研究熱點。然而深海生物，尤其是微生物，對環境因素的變化高度敏感，導致傳統采樣實驗中很多數據不準確。深海微生物生活環境的特殊性使得在實驗室中難以培養。因此，迫切需要開發能夠全面開展深海生物原位研究的探測技術。但是，由于深海化能合成細胞外代謝產物等有機大分子的濃度極低，且周圍環境復雜，國際上暫無任何原位檢測技術手段。
激光拉曼光譜是一種無損、非接觸、快速的探測技術，廣泛應用于深海極端環境的原位探測。然而，拉曼光譜的高檢出限和低靈敏度限制了在這些環境中檢測超低濃度生物分子的可能性。表面增強拉曼光譜(SERS)技術可以使分子吸附在粗糙金屬表面的拉曼信號強度提高數百萬倍。因此，深海原位拉曼系統可以與SERS技術相結合，實現深海生物分子的原位檢測。
圖2 (a) 南海海馬冷泉噴口生物群落的原位拉曼光譜(無SERS;帶SERS);
(b) 各種生物分子的SERS光譜與原位拉曼光譜的比較
基于此，團隊使用前期研發的新型納米材料[2]，突破了深海耐高壓、低溫、高鹽和渾濁流體環境下的SERS檢測技術，研發了一種新型的RiP-SERS探針，這是繼團隊研發RiP-Cs[3]、RiP-Pw[3]、RiP-Hv[3]和RiP-Gh[4]探針后的又一突破性進展。團隊成功利用RiP-SERS探針獲取了海馬冷泉口海水-沉積物界面生物信息分子的拉曼光譜數據，成功檢測到nM級濃度的乙酰輔酶A、β-胡蘿卜素等生物大分子。這也是國際上首次利用SERS技術在原位獲得深海生物大分子拉曼光譜數據的研究，為深海原位檢測低濃度的微生物代謝產物提供了新手段。同時，該技術的適用范圍也涵蓋了極端工業環境下的原位檢測，有一定的推廣應用前景。
博士研究生王思羽為文章第一作者，張鑫研究員為文章通訊作者，海洋所欒振東正高級工程師、李連福博士、博士生何婉瑩、物理所楊洋老師、和潘如豪博士為文章共同作者。研究得到了國家自然科學基金、中國科學院A類戰略性先導專項、中國科學院海洋大科學研究中心重點部署項目、泰山青年學者計劃等項目聯合資助和中科院物理所協同極端條件用戶設施(SECUF)的支持。
相關成果及鏈接如下：
[1] Siyu Wang, Ruhao Pan, Wanying He, Lianfu Li, Yang Yang, Zengfeng Du, Zhendong Luan, Xin Zhang*. In situ surface-enhanced Raman scattering detection of biomolecules in the deep ocean. Applied Surface Science (2023)
https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2023.156854
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0169433223005305 via%3Dihub
[2] Siyu Wang; Shichuan Xi; Ruhao Pan; Yang Yang; Zhendong Luan; Jun Yan；Xin Zhang*. One-step method to prepare coccinellaseptempunctate-like silver nanoparticles for high sensitivity SERS detection. Surfaces and Interfaces (2022)
https://doi.org/10.1016/j.surfin.2022.102440
[3] Xin Zhang*, Zengfeng Du, Ronger Zheng, Zhendong Luan, Fujun Qi, Kai Cheng, Bing Wang, Wangquan Ye, Xiaorui Liu, Chao Lian, Changan Chen, Jinjia Guo, Ying Li, Jun Yan. Development of a new deep-sea hybrid Raman insertion probe and its application to the geochemistry of hydrothermal vent and cold seep fluids. Deep Sea Res., Part I (2017).
https://doi.org/10.1016/j.dsr.2017.02.005
[4] Xin Zhang*, Zengfeng Du, Zhendong Luan, Xiujuan Wang, Shichuan Xi, Bing Wang, Lianfu Li, Chao Lian, Jun Yan. In Situ Raman Detection of Gas Hydrates Exposed on the Seafloor of the South China Sea. Geochemistry, Geophysics, Geosystems (2017).
https://doi.org/10.1002/2017GC006987
