基于SERS技术的微生物发酵过程物质定量检测研究

摘要

表面增强拉曼散射（Surface-enhanced Raman scattering, SERS）技术常用来探测物质分子的结构信息，被称为“指纹谱”。SERS技术在保持常规拉曼光谱检测优势的同时，也克服了后者信号强度低的缺陷。微生物发酵技术作为工业上化学制品生产的重要技术，受到各领域学者的广泛关注。基于SERS技术在痕量物质检测和生物领域检测的广阔应用前景，本课题通过制备性能良好的SERS基底底来实现对发酵过程物质的快速定量检测。本课题中采用两种不同类型的SERS基底，分别是银纳米颗粒(AgNanoparticles,Ag NPs)原位生长在硅纳米线阵列(Si NanowireArray，SiNWA)的Ag/SiNWA结构(Ag Nanoparticles/Si Nanowire Array)以及Ag溶胶。由于在实际的微生物发酵体系一般较为复杂，其中的生物分子的种类往往较多，会导致SERS测试中荧光背景较高，使得物质信号被淹没，不利于实现SERS技术定量分析，因而需要对此进行针对性的处理，经文献调研本课题采用循环滚动滤波法（Rolling-Circle Filtering, RCF）对检测到的SERS光谱的背景噪声信号进行消除。随后利用SERS技术对以下三种微生物发酵过程进行检测研究:好氧型S-腺苷蛋氨酸（S-Adenosy-L-Methionine, SAM）发酵，厌氧型1,3-丙二醇(1,3-Propanediol，1,3-PDO)发酵以及兼性厌氧型乳酸(Lactic acid,Lac)发酵。针对SAM发酵产物的检测，本课题组通过对浓度系列样品进行SERS检测，以2920cm-1处的拉曼特征峰建立其定量检测关系曲线，来计算SAM浓度，实现对SAM的检测。同时为了验证其在发酵过程中的适用性，又以高效液相色谱法（High performance liquid chromatography, HPLC）的检测结果做对比，相对误差小于13％，表明SERS技术对于SAM发酵过程生物分子的检测具有较高准确度。在此基础上，课题组又对以甘油(Glycerol, GLY)为碳源，1,3-PDO为主产物，Lac为副产物的厌氧型发酵体系进行了检测。通过分析三种物质的拉曼光谱图，发现1,3-PDO及Lac均具有独立的拉曼特征峰，可以直接对这两种物质进行定量检测;GLY虽没有独立的特征峰，但通过对三种物质的拉曼光谱进行标准化处理，可以对共有的特征峰(～2920 cm-1)建立GLY的线性定量关系，通过差分反演方法计算GLY的浓度，相对误差更是小于20％，进而实现了对该发酵过程中三种物质的快速定量检测。随后本课题组又将建立好的定量关系应用到实际发酵液的检测中，与HPLC的测试结果做对比，相对误差小于15％，检测限低至1 g/L，结果能够满足实际发酵体系中对1,3-PDO的浓度检测要求。最后课题组对兼性厌氧型同型Lac发酵体系进行了检测，以GLY为供给物，Lac为产物，利用其各自的特征峰建立了定量关系，并对实际发酵体系的物质浓度进行检测，通过与HPLC结果对比，确认其相对误差小于20％。系统研究表明SERS技术在微生物发酵过程检测方面具有良好的工业应用前景，这也是本课题组下一步的研究重点。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 微生物发酵技术的研究进展

1．1．1 微生物发酵技术简介

1．1．2 微生物发酵技术的应用

1．1．3 微生物发酵过程中物质的检测方法

1．2 拉曼光谱

1．2．1 拉曼光谱的原理

1．2．2 拉曼光谱在发酵过程中的应用

1．2．3 拉曼光谱的优缺点

1．3 表面增强拉曼散射

1．3．1 表面增强拉曼散射的发展现状

1．3．2 表面增强拉曼散射的增强机理

1．3．3 表面增强拉曼散射技术在发酵过程检测所面临的问题

1．4 选题依据及研究思路

第二章 循环滚动滤波法介绍及算法分析

2．1 循环滚动算法描述

2．2 RCF算法参数分析

2．3 小结

第三章 SERS基底的制备及物性分析

3．1 仪器设备及药品

3．2 Ag／SiNWA基底的制备及物性分析

3．2．1 Ag／SiNWA基底的制备

3．2．2 Ag／SiNWA基底的物性分析

3．3 Ag溶胶基底的制备及物性分析

3．3．1 Ag溶胶基底的制备

3．3．2 Ag溶胶基底的物性分析

3．4 本章小结

第四章 利用SERS技术检测微生物发酵生成的S-腺苷蛋氨酸

4．1 微生物发酵生产S-腺苷蛋氨酸研究现状

4．3 发酵液中S-腺苷蛋氨酸浓度的定量检测

4．4 本章小结

第五章 利用SERS技术分析微生物发酵生成1，3-丙二醇过程

5．2．2 1，3-丙二醇，乳酸及甘油浓度系列定量关系的建立

5．3 基于标准谱建立混合物质检测定量关系

5．4 利用SERS技术定量分析1，3-丙二醇发酵过程中生物分子

5．5 本章小结

第六章 利用SERS技术分析微生物发酵生成乳酸过程

6．1 微生物发酵生成乳酸的研究现状

6．2 原料(甘油)及产物(乳酸)定量关系的建立

6．3 基于SERS技术分析微生物发酵生成乳酸的过程

6．4 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

附录

研究成果及发表的学术论文

致谢

作者及导师简介