近日，国际学术期刊《Applied Surfaces Science》在线发表了题为“In situ surface-enhanced Raman scattering detection of biomolecules in the deep ocean” (IF= 7.392)的文章，报道了中国科学院海洋所张鑫团队和物理所杨洋团队合作成功研制了一种适用于深海的新型表面增强拉曼散射插入式探针(RiP-SERS)，搭载“发现”号ROV机器人在南海冷泉区完成常态化航次应用，获取了深海冷泉生物群落中纳摩尔浓度的乙酰辅酶A、β-胡萝卜素等生物大分子的拉曼光谱。这是国际上首次将表面增强拉曼技术用于深海，检测灵敏度达nM级，为研究冷泉和热液极端环境中的生命现象提供了一种新方法。
深海极端环境下的化能合成生命现象一直被认为是地球早期生命起源的一种可能，是国际深海科学和生命科学的研究热点。然而深海生物，尤其是微生物，对环境因素的变化高度敏感，导致传统采样实验中很多数据不准确。深海微生物生活环境的特殊性使得在实验室中难以培养。因此，迫切需要开发能够全面开展深海生物原位研究的探测技术。但是，由于深海化能合成细胞外代谢产物等有机大分子的浓度极低，且周围环境复杂，国际上暂无任何原位检测技术手段。
激光拉曼光谱是一种无损、非接触、快速的探测技术，广泛应用于深海极端环境的原位探测。然而，拉曼光谱的高检出限和低灵敏度限制了在这些环境中检测超低浓度生物分子的可能性。表面增强拉曼光谱(SERS)技术可以使分子吸附在粗糙金属表面的拉曼信号强度提高数百万倍。因此，深海原位拉曼系统可以与SERS技术相结合，实现深海生物分子的原位检测。
基于此，团队使用前期研发的新型纳米材料，突破了深海耐高压、低温、高盐和浑浊流体环境下的SERS检测技术，研发了一种新型的RiP-SERS探针，这是继团队研发RiP-Cs[3]、RiP-Pw[3]、RiP-Hv[3]和RiP-Gh[4]探针后的又一突破性进展。团队成功利用RiP-SERS探针获取了海马冷泉口海水-沉积物界面生物信息分子的拉曼光谱数据，成功检测到nM级浓度的乙酰辅酶A、β-胡萝卜素等生物大分子。这也是国际上首次利用SERS技术在原位获得深海生物大分子拉曼光谱数据的研究，为深海原位检测低浓度的微生物代谢产物提供了新手段。同时，该技术的适用范围也涵盖了极端工业环境下的原位检测，有一定的推广应用前景。
博士研究生王思羽为文章第一作者，张鑫研究员为文章通讯作者，海洋所栾振东正高级工程师、李连福博士、博士生何婉莹、物理所杨洋老师、和潘如豪博士为文章共同作者。研究得到了国家自然科学基金、中国科学院A类战略性先导专项、中国科学院海洋大科学研究中心重点部署项目、泰山青年学者计划等项目联合资助和中国科学院物理所协同极端条件用户设施(SECUF)的支持。
相关成果及链接如下：
[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
