细胞色素在表面增强拉曼活性界面的电子转移研究

Surface-enhanced Raman scattering (SERS) spectroscopy is capable of offering structural information about cytochrome at metal interfaces, and it makes convenient to study electron transfer, structural dynamics of cytochrome. However, how to improve the biocompatibility of SERS-active interfaces and electron-transfer efficiency are two major challenges in the current SERS-based electrochemical study of cytochrome. As new SERS-active substrates, transition metals and semiconductor nanomaterials have the properties of high biocompatibility and chemical enhancement. This study will focus on investigating electron transfer of cytochrome at the interfaces of transition metals and semiconductor nanostructures, including synthesis of biocompatible transition metals and semiconductor SERS-active interfaces, adsorption and electron-transfer mechanism of cytochrome and SERS chemical mechanism at the interfaces. The motivation of the study is direct electron transfer of cytochrome at transition metals and semiconductor interfaces without applied potentials, and further understanding of the electron-transfer mechanism. This work may provide new interfaces for SERS-based study on cytochrome, and new theoretical support for charge-transfer mechanism of SERS effect.

表面增强拉曼散射（SERS）光谱能够提供吸附于金属界面分子水平的细胞色素的结构信息，为细胞色素的电子转移、结构动力学等方面的研究提供了便利。然而，常用贵金属界面的生物相容性和电子转移效率是目前电化学结合SERS研究细胞色素电子转移所面临的两个主要问题。新型SERS活性基底过渡金属和半导体纳米材料具有良好的生物相容性和电荷转移化学增强特性。本研究拟以过渡金属和半导体SERS活性基底研究细胞色素在其界面的电子转移行为，包括生物相容性过渡金属和半导体纳米材料的制备、细胞色素在活性界面的吸附方式、电子转移机理、SERS化学增强机理研究等。研究目标是突破外加电场的限制实现细胞色素在生物相容性活性界面直接的电子转移，并深入理解其电子转移机理，为基于SERS的细胞色素电子转移及其生物活性研究提供新的活性界面，同时也为深入理解SERS的电荷转移理论提供新的理论依据。

细胞色素是生物体内一类重要的血红素蛋白质，广泛参与生命体内多种生物学过程，体外研究其结构与功能对临床医学、肿瘤生化等具有重要的研究意义。表面增强拉曼光谱（SERS）具有高灵敏度、选择则性好及光谱不受水干扰等特点。我们利用SERS光谱探究了细胞色素在过渡金属基底上的电子转移，并对其电子转移机理提出了合理解释。本研究为蛋白质的SERS研究提供了生物相容性基底，并拓宽了过渡金属纳米材料在氧化还原蛋白质研究领域的应用。主要的研究内容如下：.（1）过渡金属镍岛膜为基底研究细胞色素的电子转移.以镍岛膜为SERS活性基底，利用表面增强共振拉曼散射（SERRS）光谱研究了细胞色素b5（Cyt b5）、细胞色素c（Cyt c）与肌红蛋白（Mb）在过渡金属上电子传递。结果表明，Cyt b5与Cyt c与镍之间存在相似的强亲和力，而Mb与镍之间的亲和力很微弱。Cyt b5与Cyt c都能够直接接收来自镍基底的电子，这种电子传递对受环境pH值影响。我们还发现吸附于镍岛膜上的Cyt b5能够将电子传递给Mb，其生物活性没有被破坏，证明了镍表面具有良好的生物相容性。另外，通过电化学方法粗糙化镍基底，提高了其对Cyt c的拉曼信号增强能力。.（2）细胞色素c在过渡金属纳米材料上的生物相容性及电子转移探究.制备了贵金属和过渡金属SERS活性纳米材料，利用SERS光谱探究了Cyt c与贵金属和过渡金属之间的电子转移。结果表明还原态Cyt c与银基底间的电子转移具有激发光波长依赖性，而镍和钴与氧化态Cyt c间能够发生直接的电子转移而且不依赖于激光。镍和钴纳米材料具有Cyt c还原活性。另外，相比于贵金属，过渡金属具有更好的生物相容性。我们还分别探讨了Cyt c与贵金属和过渡金属之间的电子转移机理。