近日，厦门大学王翔副教授/任斌教授团队结合实验和理论发展了生物大分子表面增强拉曼光谱（SERS）解析策略，首次实现了基于SERS的蛋白质结构解析。相关成果以“Rapidly determining the 3D structure of proteins by Surface-enhanced Raman spectroscopy”为题发表于Science Advances（DOI：10.1126/sciadv.adh8362）。

研究背景

生物大分子的结构研究是结构生物学领域的核心科学问题之一。尽管传统的结构生物学方法已经在蛋白质结构分析领域取得了显著的进展，仍需进一步发展无标记和高灵敏的方法，以获得低浓度和生理环境下天然蛋白质的动态三维结构，从而揭示蛋白质、核酸等生物大分子结构和功能之间的关系。SERS技术具有单分子水平的灵敏度，能够提供分子指纹信息，原理上可解构蛋白质的空间结构信息，是实现上述目标的强大工具。然而，蛋白质分子量大，其与表面等离激元增强的光电场作用复杂，使得基于SERS光谱确定蛋白质结构极具挑战。 

研究内容

基于此，研究团队结合实验和理论发展了生物大分子SERS光谱解析策略，首次实现了基于SERS的蛋白质结构解析。在实验上，研究团队利用碘离子修饰的金纳米粒子与金单晶基底形成纳米间隙，在蛋白质的天然状态下获得高重现高信噪比蛋白质SERS光谱。在理论上，研究团队利用SERS增强电磁场的衰减特性，对蛋白质分子进行空间断层扫描，同时将蛋白质在界面上的构象简化为氨基酸在空间的排列组合。这样原本计算蛋白质与表面等离激元电磁场相互作用所需的复杂积分迭代可简化为极化率张量导数、旋转矩阵和梯度局部电场的简单矩阵计算，进而在1秒内即可获得蛋白质的理论光谱。该算法计算的理论SERS光谱与实验获得的蛋白质光谱高度相似。因此，通过搜索构象，对比实验-理论光谱的相似性，即可重构蛋白质的3D结构。研究团队从简单小分子、多肽到复杂蛋白质等多个体系验证了该策略的可行性；通过解析界面DNA结构，验证了该策略对生物大分子分析的普适性。该研究工作首次建立了蛋白质SERS光谱的解析策略，对明晰SERS的谱构关系，进而实现未知序列蛋白质的结构解析具有重要意义。

表面增强拉曼光谱 （SERS） 是一种超灵敏的分析技术，将待测分子吸附在粗糙的纳米金属材料表面，可使待测物的拉曼信号实现百万倍的放大效果，对单个分子具有高灵敏度。 

21 世纪前，学术界主流观点认为仅有金、银等少数金属的粗糙表面和纳米粒子体系具有SERS效应，因而该技术无法被广泛应用，这导致SERS 研究一度陷入低潮。2010年，厦门大学田中群院士课题组取得突破性进展，建立了壳层隔绝纳米粒子增强拉曼光谱方法，显著拓展SERS 方法普适性，推进其应用和产业化，取得了国际领先水平的创新成果。相关技术成果荣获国家自然科学二等奖。

普识纳米由厦门大学国际领先的拉曼研究团队创立，致力于表面增强拉曼技术领域的前沿探索和应用。基于厦门大学院士团队研发的表面增强拉曼核心技术，研发出的增强试剂，达到国际最高拉曼检测灵敏度，具有高灵敏度、高通量、高稳定性，操作简单的优势，配合普识纳米系列拉曼产品可以广泛应用于实验室分析以及现场的快速检测。

普识纳米表面增强拉曼试剂，在从生物分析到材料表征等不同领域都有良好应用。比如，生物分析方面，实现生物DNA、蛋白质检测。食品安全方面——瓜果蔬菜表面的农药残留、饮料中的代糖检测、奶粉里的三聚氰胺检测、各种禁用食品添加的检测等等；安全检测方面——尿液、酒水饮料中的毒品检测等。

检测实例

食品中添加剂的快速检测

在威士忌酒水中检测出摇头丸