基于SERS技術的微生物發(fā)酵過程物質定量檢測研究.pdf

1、表面增強拉曼散射（Surface-enhanced Raman scattering, SERS）技術常用來探測物質分子的結構信息，被稱為“指紋譜”。SERS技術在保持常規(guī)拉曼光譜檢測優(yōu)勢的同時，也克服了后者信號強度低的缺陷。微生物發(fā)酵技術作為工業(yè)上化學制品生產的重要技術，受到各領域學者的廣泛關注?；赟ERS技術在痕量物質檢測和生物領域檢測的廣闊應用前景，本課題通過制備性能良好的SERS基底底來實現(xiàn)對發(fā)酵過程物質的快速定量檢測。本課題

2、中采用兩種不同類型的SERS基底，分別是銀納米顆粒(AgNanoparticles,Ag NPs)原位生長在硅納米線陣列(Si NanowireArray，SiNWA)的Ag/SiNWA結構(Ag Nanoparticles/Si Nanowire Array)以及Ag溶膠。由于在實際的微生物發(fā)酵體系一般較為復雜，其中的生物分子的種類往往較多，會導致SERS測試中熒光背景較高，使得物質信號被淹沒，不利于實現(xiàn)SERS技術定量分析，因而需要

3、對此進行針對性的處理，經(jīng)文獻調研本課題采用循環(huán)滾動濾波法（Rolling-Circle Filtering, RCF）對檢測到的SERS光譜的背景噪聲信號進行消除。隨后利用SERS技術對以下三種微生物發(fā)酵過程進行檢測研究:好氧型S-腺苷蛋氨酸（S-Adenosy-L-Methionine, SAM）發(fā)酵，厭氧型1,3-丙二醇(1,3-Propanediol，1,3-PDO)發(fā)酵以及兼性厭氧型乳酸(Lactic acid,Lac)發(fā)酵。針

4、對SAM發(fā)酵產物的檢測，本課題組通過對濃度系列樣品進行SERS檢測，以2920cm-1處的拉曼特征峰建立其定量檢測關系曲線，來計算SAM濃度，實現(xiàn)對SAM的檢測。同時為了驗證其在發(fā)酵過程中的適用性，又以高效液相色譜法（High performance liquid chromatography, HPLC）的檢測結果做對比，相對誤差小于13％，表明SERS技術對于SAM發(fā)酵過程生物分子的檢測具有較高準確度。在此基礎上，課題組又對以甘油(

5、Glycerol, GLY)為碳源，1,3-PDO為主產物，Lac為副產物的厭氧型發(fā)酵體系進行了檢測。通過分析三種物質的拉曼光譜圖，發(fā)現(xiàn)1,3-PDO及Lac均具有獨立的拉曼特征峰，可以直接對這兩種物質進行定量檢測;GLY雖沒有獨立的特征峰，但通過對三種物質的拉曼光譜進行標準化處理，可以對共有的特征峰(～2920 cm-1)建立GLY的線性定量關系，通過差分反演方法計算GLY的濃度，相對誤差更是小于20％，進而實現(xiàn)了對該發(fā)酵過程中三種物

6、質的快速定量檢測。隨后本課題組又將建立好的定量關系應用到實際發(fā)酵液的檢測中，與HPLC的測試結果做對比，相對誤差小于15％，檢測限低至1 g/L，結果能夠滿足實際發(fā)酵體系中對1,3-PDO的濃度檢測要求。最后課題組對兼性厭氧型同型Lac發(fā)酵體系進行了檢測，以GLY為供給物，Lac為產物，利用其各自的特征峰建立了定量關系，并對實際發(fā)酵體系的物質濃度進行檢測，通過與HPLC結果對比，確認其相對誤差小于20％。系統(tǒng)研究表明SERS技術在微生物