全 文 ：·技术与方法·
生物技术通报
B IO TECHNOLOGY　BULL ETIN 2009年第 12期
拉曼光谱在生物学领域的应用
李睿 1 周金池 2 卢存福 1
(1北京林业大学生物科学与技术学院 ,北京 100083; 2北京林业大学生物实验中心 ,北京 100083)
　　摘 　要 : 　随着人们对拉曼光谱技术研究的深入 ,拉曼光谱在生物学领域中得到越来越多的应用。综述了国内外拉曼光
谱在生物学领域的应用进展 ,同时对其应用前景做出了展望。
关键词 : 　拉曼光谱 生物技术 应用进展
Application of Raman Scatter ing Technology in Biology
L i Rui1 Zhou J inchi2 Lu Cunfu1
(1 College of B iological Sciences and B iotechnology, B eijing Forestry University, B eijing 100083;
2 Experim ent Center of Forest B iology, B eijing Forestry University, B eijing 100083)
　　Abs trac t: 　W ith the development of research of Raman scattering technology, Raman spectroscopy are increasingly emp loyed in bi2
ology. The recent advances made in biology and relative sciences were summarized in this paper. Perspectives of Raman scattering tech2
nology were also p resented in this paper.
Key wo rds: 　Raman scattering technology B iotechnology App lication p rogress
收稿日期 : 2009209202
作者简介 :李睿 ,女 ,在读硕士研究生 ,主要研究方向 :植物逆境分子生物学 ; E2mail: bangbang22@foxmail. com
通讯作者 :周金池 ,博士 ,讲师 ,主要研究方向 :分析化学与仪器分析 ; E2mail: zjc@bjfu. edu. cn
　　拉曼散射又称拉曼效应 ,是由印度物理学家拉
曼首先发现并因此获得 1930年诺贝尔物理奖。单
色光束的入射光光子与分子相互作用时可发生弹性
碰撞和非弹性碰撞 ,在弹性碰撞过程中 ,光子只改变
运动方向而不改变频率 ,光子与分子间没有能量交
换 ,这种散射过程称为瑞利散射。而在非弹性碰撞
过程中 ,光子与分子之间发生能量交换 ,光子不仅仅
改变运动方向 ,同时光子的一部分能量传递给分子 ,
或者分子的振动和转动能量传递给光子 ,从而改变
了光子的频率 ,这种散射过程称为拉曼散射。简单
来说 ,产生拉曼散射的原因是散射分子的转动能级
和振动能级发生了变化 ,使得散射光子频率不同于
入射光子 [ 1 ]。因此 ,每种物质的拉曼光谱也就是拉
曼散射光谱都只与其自身的分子结构有关 ,而与入
射光的频率无关。
另外 ,拉曼光谱类似于红外光谱 ,在分子结构分
析中 ,拉曼光谱与红外光谱是相互补充的 [ 2 ]。分子
偶极矩变化是红外光谱产生的原因 ,而拉曼光谱是
分子极化率变化诱导的 ,它的谱线强度取决于相应
的简正振动过程中极化率的变化大小。凡是具有对
称中心的分子或基团 ,如果有红外活性 ,则没有拉曼
活性 ;反之 ,如果没有红外活性 ,则拉曼活性比较明
显。一般分子或基团多数是没有对称中心的 ,因而
很多基团常常同时具有红外和拉曼活性 [ 3 ]。拉曼
效应普遍存在于一切分子中 ,无论是气态 ,液态和固
态 ,拉曼散射光谱对于样品制备没有特殊要求 ;对于
样品数量要求比较少 ,可以是毫克甚至微克的数量
级。拉曼散射最突出的优点是采用光子探针 ,对于
样品无损伤探测 ,尤其适合对稀有或珍贵的样品进
行分析 ,甚至可以用拉曼光谱检测活体中的生物物
质 [ 4 ]。近年来 ,由于激光器的应用 ,激光拉曼光谱
技术广泛应用于生物、石油、化工、医学、食品和材料
等领域。
1　拉曼光谱技术在生物学领域的应用
随着当代科学技术的迅猛发展 ,对核酸、蛋白
质、磷脂等生物大分子的研究已经不能满足于一般
2009年第 12期 李睿等 :拉曼光谱在生物学领域的应用
性质的描述 ,而在分子水平上探讨其具体的化学结
构则成为新的研究课题 ,以进一步揭开生命的奥秘。
例如 ,人们利用表面增强拉曼技术解决了生物化学、
生物物理和分子生物学中的许多难题 ,包括分子的
特殊基团 ,如氨基酸中的氨基、羧基、芳环等与界面
的相互作用 ,生物分子与金属表面的键合方式 ,
DNA、RNA、卟啉在银溶胶上的吸附状态等 [ 5 ]。
1. 1 拉曼光谱在核酸方面的研究应用
1. 1. 1 拉曼光谱在 DNA结构研究方面的应用 　在
生物的遗传、变异、生长发育、以及繁殖起至关重要
作用的 DNA承载了生命体的遗传信息 ,是现代分子
生物学研究的热点。对于维持生命体正常活动的生
物大分子的研究 ,拉曼光谱是被公认的最有效的方
法之一。拉曼光谱技术在测量生物大分子时 ,具有
样品需要量小、结构信息量大、测量速度快、操作方
便、对样品无损伤和实时监测等优点 ,尤其是在测定
水溶液时 ,几乎不受水的干扰 [ 6 ]。
周殿凤等 [ 7 ]研究了小牛胸腺 DNA水溶液经紫
外辐射的拉曼光谱图 ,试验结果表明紫外辐射使小
牛胸腺 DNA的构象受到破坏 ,构型发生变化 ,除部
分单双键发生了断裂外 , 4种碱基也均受到不同程
度的影响 ,其中嘧啶、嘌呤碱基受到的损伤较为严
重。另外 ,该试验也表明 ,在水溶液中 , DNA以 B型
结构为主 ,局部的 A型结构仍然存在。Takashi等 [ 8 ]
用拉曼光谱研究了端粒 DNA的溶、液二级结构和
核苷构象 ,发现单链和双链端粒 DNA都显示了结
构的多态性 ,其 B型 DNA中双螺旋是不均匀的。
王杰芳等 [ 9 ]采用傅立叶变换拉曼光谱研究了质粒
pUC18DNA经过γ射线电离辐射以后结构的变化 ,
发现其脱氧核糖 2磷酸主链中各振动模式产生的谱
带强度有所增加 ,而各碱基震动谱带的相对强度则
非常弱 ,其结果表明碱基受损 ,主链断裂 ,超螺旋结
构部分解旋。董瑞新等 [ 10 ]测定了不同温度下 DNA
纤维和溶液的拉曼光谱 ,结果表明当温度变化时 ,碱
基、磷酸根等特征振动都不同程度地受到影响 ,谱线
强度、频率随温度呈非线性变化。在所有的振动模
式中 ,腺嘌呤 (A )的特征振动受到温度的影响最大。
余多慰等 [ 11 ]对鲱精 DNA纤维用酸溶液处理不同时
间后 ,将样品进行拉曼光谱分析。结果表明 DNA分
子发生明显的质子化作用 ,酸可以导致 DNA中部分
嘌呤、嘧啶的脱落 ,并探讨了其产生原因可能与质子
化强度有关。DNA结构、构型的变化 (如质子化、氢
键断裂、碱基受损伤等 )、超螺旋结构等在 DNA的
复制、遗传、变异及修饰等方面至关重要 ,拉曼光谱
可以探测到核酸水溶液中主链、碱基及磷酸基团的
振动。因此利用拉曼光谱的变化推测生物大分子的
结构及其变化有利于研究遗传信息的特性 ,并为基
因突变、转基因、诱变育种等提供有力技术保证。
1. 1. 2 在 DNA与小分子作用机制研究方面的应
用 生物体内生命活动离不开小分子与 DNA的相
互作用。如金属离子可稳定核酸的结构 ,对核酸有
特定的键合作用 ,有些还能直接与 DNA配位。但金
属离子也会对 DNA结构产生损伤。拉曼光谱研究
发现金属离子和 DNA 相互作用时影响 DNA 的构
象 ,使 DNA 双螺旋发生变性 [ 12 ] ,二价金属离子对
DNA结构的破坏还与分子量大小有关 [ 13 ]。刘桂强
等 [ 14 ]利用拉曼光谱技术研究了不同摩尔浓度的
Zn2 +对 DNA结构稳定性的影响 ,结果表明 ,低浓度
Zn2 +对 DNA构象起着稳定性的作用 ,但是高浓度的
Zn2 +则破坏 DNA 构象的稳定性。同时 ,刘桂强
等 [ 15 ]利用拉曼光谱技术研究了不同摩尔浓度的
Cd2 +对 DNA构象的影响 ,结果表明 ,随着 Cd2 +浓度
增大 , DNA的构象由正常的 B型构象转变为修饰过
的 B型构象 ,同时 ,另一些峰位碱基堆垛坍塌 ,氢键
断裂 , AT损坏大于 GC[ 16～18 ]。
从分子水平上研究药物小分子和脱氧核糖核酸
(DNA)的相互作用 ,对于设计更加有效的、以 DNA
为作用靶标的新药具有重要的理论意义 [ 19 ]。王树
玲等 [ 20 ]用表面增强拉曼光谱研究了小檗碱 (BER )
与小牛胸腺 DNA ( ct DNA )的相互作用 ,以 Ag胶作
为表面增强基质 ,记录了小檗碱以及该药键合到
DNA后的 FT2SERS光谱 ,并对小檗碱的 SERS谱峰
变化进行了分析与归属 ,进一步探索了异喹啉类生
物碱与 DNA分子相互作用的模式和机理。彭红军
等 [ 21 ]利用傅立叶变换 ———表面增强拉曼光谱 ( FT2
SERS)研究了萘酚绿 B (NGB )与小牛胸腺 DNA
( ctDNA )的相互作用。吡啶酰胺是一类含有酰胺基
的多齿配体 [ 22, 23 ] ,有研究表明吡啶酰胺的金属配合
物能与核酸发生较强的相互作用并具有抗肿瘤活
性 ,林秋月等 [ 24 ]应用表面增强拉曼光谱研究了 3类
36
生物技术通报 B iotechnology　B u lle tin 2009年第 12期
吡啶酰胺化合物 : N , N′2双 ( 22吡啶甲酰胺 ) 21, 22乙
烷 ( H2 L1 ) , N , N′2双 ( 22吡 啶 甲 酰 胺 ) 21, 22苯
(H2 L2 ) , N2苯基 2吡啶 222甲酰胺 (HL3 )与 DNA的作
用方式和作用强度。由于拉曼光谱可以识别分子中
原子及电子的位置和相互作用 ,对大分子与配体之
间相互识别、作用等问题可以做出回答并提供准确
的信息 ,因此它在生物大分子与小分子相互作用的
研究领域中越来越引起人们的广泛关注。
1. 2　拉曼光谱在蛋白质方面的研究应用
用常规的方法难以检测多肽及蛋白质的结构 ,
或者是方法过于复杂 ,不易操作。拉曼光谱可以提
供丰富的关于蛋白质结构的信息。蛋白质拉曼光谱
不仅可以反映肽链的骨架振动 ,而且可以反映侧链
周围微环境的变化。近年来 ,拉曼光谱已应用于研
究蛋白质或多肽的一级结构 ,非折叠蛋白质 ,蛋白质
装配的特征描述 ,基于蛋白质制药的流程监控和质
量控制 [ 25 ]等诸多方面。Song等 [ 26 ]在研究多肽物质
聚 L2谷氨酸、聚 L2赖氨酸无规则卷曲、α2螺旋和β2
折叠构象的紫外共振拉曼光谱的过程中 ,依据溶液
pH值、温度与二级结构的依赖关系 ,建立了以酰胺
键的频率、强度为依据的蛋白质二级结构的研究基
础。王斌等 [ 27 ]采用傅立叶光谱技术对蛋白质样品
进行多次扫描 ,从而对蛋白质二级结构进行定量
分析。
1. 3　拉曼光谱在生物学其他方面的研究应用
拉曼光谱技术还广泛应用于生物学其他领域的
研究中 ,如随着分子标记突飞猛进的发展 ,拉曼光谱
技术用于检测分子标记已经成为研究热点。表面增
强拉曼光谱 SERS标记免疫技术是利用在基底上的
固相抗体与标记抗体通过与抗原的结合形成双抗体
的夹心复合物 ,通过对标记分子 SERS信号的识别
进行免疫分析。蒋芸等 [ 28 ]通过表面增强拉曼光谱
研究了标记分子 4, 4′2联吡啶在金溶胶上的吸附行
为 ,并将其与山羊抗小鼠 IgG结合 ,获得 SERS标记
免疫金溶胶。
2　展望
拉曼光谱技术具有分析速度快、所需样品浓度
低、样品无需预处理、不需破坏样品、灵敏度较高等
优点 ,现已成为生物学诸多研究领域中的有力武器。
特别是在激光拉曼光谱、表面增强拉曼光谱、傅立叶
变换拉曼光谱等技术出现以后 ,拉曼光谱在物质结
构分析以及物质定性、定量分析方面的应用得到快
速发展。今后拉曼光谱技术在生物学的研究趋势包
括 : DNA与酶、药物等的相互作用 ;生物大分子之间
的弱相互作用 ;分子结构的研究 ;酶与底物的识别以
及基于蛋白质制药的质量监控等。相信拉曼光谱技
术以及拉曼光谱与其他仪器联用技术将会在分子生
物学、免疫学、生物化学、生物物理学、食品、医药、环
境和能源等领域中发挥更大的作用 ,成为研究各种
分子结构以及物质间相互作用机理的更佳有力
工具。
参 考 文 献
1　田国辉 ,陈亚杰 ,冯清茂. 化学工程师 , 2008, 1: 34～36.
2　常建华 ,董绮功 ,波谱原理及解析 [M ]. 北京 :科学出版社 , 2001,
113～118.
3　李帅鲜 ,高启楠. 科技资讯 , 2008, 18: 206～207.
4　张延会 ,吴良平 ,孙真荣. 化学教学 , 2006, 4: 32～35.
5　伍林 ,等. 光散射学报 , 2005, 17 (2) : 180～186.
6　 Puppels GJ, et al. B iochem istry, 1994, 33 (11) : 3386～3395.
7　周殿凤 ,柯惟中. 光谱学与光谱分析 , 2004, 24 (11) : 1370～1372.
8　 TakashiM, et al. B iochem istry, 1994, 33 (25) : 7848～7856.
9　王杰芳 ,等. 光谱学与光谱分析 , 2002, 22 (2) : 245～247.
10　董瑞新 ,等. 光谱学与光谱分析 , 2004, 24 (19) : 1075～1078.
11　余多慰 ,等. 光谱学与光谱分析 , 2003, 23 (4) : 734～738.
12　唐玉龙 ,郭周义. 激光生物学报 , 2004, 13 (5) : 386～393.
13　Duguid J, et al. B iophysical Journal, 1993, 65: 1916～1928.
14　刘桂强 ,等. 化学物理学报 , 2005, 18 (1) : 87～92.
15　L iu G, et al. Chinese Op tics Letters, 2004, 2 (3) : 154～156.
16　Deng H, et al. B iopolymers, 1999, 50: 656～666.
17　Thomas GJ, et al. B iophysical Journal, 1995, 68: 1073～1088.
18　Benevides JM, et al. B iochem istry, 1988, 27: 931～938.
19　W aring MJ, Roberts GCK, D rug Action at the Molecular Level. Lon2
don: Macm illar, 1977, 167～189.
20　王树玲 ,于俊生. 高等学校化学学报 , 2002, 23 (9) : 1676～1679.
21　彭红军 ,等. 西南师范大学学报 , 2005, 30 (2) : 308～311.
22　Kurosaki H, Sharma RK, Aoki S, et al. Journal of the Chem ical Soci2
ety2Dalton Transactions, 2001, 4: 441～447.
23　陆晓红 ,等. 光谱学与光谱分析 , 2007, 27 (6) : 1176～1180.
24　林秋月 ,等. 光谱学与光谱分析 , 2008, 28 (6) : 1359～1363.
25　Tuma R, et al. B iochem istry, 2001, 40 (3) : 665～674.
26　Song SH, A sher SA. The Am Chem Soc, 1989, 111: 4295～4305.
27　王斌 ,王清 ,余江 ,等. 光谱学与光谱分析 , 1999, 19 (5) : 674.
28　蒋芸 ,崔颜 ,姚建林 ,等. 化学学报 , 2006, 64 (3) : 240～244.
46