吸附在银纳米粒子表面的5-羟基-L-色氨酸：通过SERS和多尺度建模揭示其构象几何结构

《The Journal of Physical Chemistry C》：5-Hydroxy-L-tryptophan Adsorbed at the Silver Nanoparticle Surface: Conformational Geometries Revealed by SERS and Multiscale Modeling

5-HTP的拉曼光谱与表面增强拉曼散射（SERS）特性通过实验与分子动力学（MD）和密度泛函理论（DFT）模拟首次系统研究，揭示了其在固态为两性离子结构，吸附于银表面时以羧酸基团为主锚定，分子构象存在倾斜或平行取向，电磁与化学效应协同增强SERS信号，为生物传感提供新探针。

　　5-羟基-L-色氨酸（5-HTP）是一种具有重要生物学意义的代谢产物，同时也被认为是一种有前景的光学探针。然而，其振动特性一直未被充分研究。本研究通过结合实验结果与分子动力学（MD）模拟和密度泛函理论（DFT）计算，对5-HTP进行了系统的正常拉曼光谱（NR）和表面增强拉曼散射（SERS）分析。研究发现，DFT计算能够准确再现5-HTP的正常拉曼光谱，从而确认了该分子在固态下的两性离子特性。此外，本研究首次报道了使用银纳米颗粒作为SERS基底时的5-HTP光谱。SERS光谱显示了与正常拉曼光谱相比，相对峰强度存在显著差异，这与分子在金属表面的吸附和取向有关。MD模拟考虑了中性与带电银表面的情况，结果显示5-HTP并未形成单一构型，而是主要通过羧酸基团与银表面相互作用，且吲哚环常常以倾斜或平行的方式与表面接触。DFT计算进一步支持这些发现，并有助于描述化学和电磁效应在强度增强中的作用。这项工作不仅提供了5-HTP的拉曼指纹图谱，还揭示了其SERS增强机制，为未来将其作为拉曼探针用于生物化学传感和蛋白质结构研究提供了新的可能性。

5-HTP在生物和医学领域具有重要价值，它作为色氨酸的中间体，在大脑中调节血清素水平，从而影响抑郁、睡眠周期和压力等生理过程。此外，5-HTP在治疗抑郁症、偏头痛、阿尔茨海默病和帕金森病方面也展现出潜力。然而，过度使用可能导致不良后果，如血清素综合征，表现为精神状态改变和神经肌肉异常，严重时甚至可引发高热、多器官衰竭和心脏症状。尽管如此，5-HTP在生物化学研究中的应用主要集中在荧光技术上，其作为拉曼活性探针的潜力尚未被充分探索。拉曼光谱作为一种互补方法，能够提供分子结构的振动指纹，并在无需外部标记的情况下研究蛋白质构象和动态。特别是紫外共振拉曼光谱已被用于探测蛋白质的溶剂化、三级接触和二级结构。拉曼信号的增强通常来源于金属表面的电磁效应和化学效应，这些效应受纳米颗粒尺寸和形态、分子种类、激发波长及局部环境因素的影响。因此，准确预测和解释SERS信号强度仍然是一个挑战。为了解决这一问题，MD模拟与DFT计算的结合可以提供有关分子构型和振动模式的宝贵信息，有助于理解5-HTP与SERS基底的相互作用。

本研究通过实验和计算相结合的方法，系统地分析了5-HTP的正常拉曼和SERS光谱。在实验部分，5-HTP的正常拉曼光谱是在固态下记录的，使用的是Bruker FRS100/s FT-Raman光谱仪，激发波长为1064 nm，扫描次数为512次，激光功率为75 mW。SERS测量则在Renishaw InVia共聚焦拉曼显微镜上进行，使用785 nm激发波长，激光功率为1%（20 mW），并进行了三次重复实验。对于SERS测量，准备了200 μL的样品溶液，其中50 μL为5-HTP溶液，50 μL为200 mM的NaNO3溶液，再加入100 μL的银纳米颗粒溶液。所有拉曼光谱均经过基线校正，并通过洛伦兹函数进行谱带解卷积以确定谱带位置。

在计算部分，MD模拟采用了一种改良的协议，由Roccatano等人提出。模拟系统包括两种模型：一种是中性银表面，另一种是带电银表面，后者通过将表面均匀分布的10个原子赋予正电荷来构建。银表面位于模拟盒子的底部，5-HTP分子则被随机分布。系统被水分子溶剂化，仅允许水和5-HTP分子自由扩散，而银表面原子则被固定。模拟使用了GROMACS 2022软件，采用CHARMM36力场参数集对5-HTP进行建模，而金属原子和TIP3P模型用于描述水分子。系统经过10,000步的最速下降算法进行能量最小化，随后在NVT系综下进行250 ps的平衡模拟，温度保持在300 K，耦合常数为0.1 ps。生产阶段则在NPT系综下进行200 ns的模拟，温度和压力分别通过Nose–Hoover热浴和Parrinello–Rahman压强器维持。短程非键相互作用使用1.4 nm的截断，长程静电相互作用则采用粒子网格Ewald方法。所有分子内的键长通过LINCS算法进行约束。为了简化量子力学（QM）计算，仅包含靠近5-HTP分子的十原子金属簇，其余银纳米颗粒表面被忽略。MD模拟图像使用PyMol软件生成。

DFT计算采用Gaussian 09软件进行，优化5-HTP在孤立状态和吸附在银簇上的几何结构，使用M06-2X泛函和混合基组：6-311++G(d,p)用于非金属元素，LANL2DZ用于银原子。溶剂效应通过默认的极化连续模型（PCM）进行考虑。计算振动拉曼频率和活性，通过比较计算和实验谱图的峰位和相对强度进行振动模式的归属。振动模式的描述来源于VEDA程序的输出，结合Chemcraft软件对原子运动的观察。所有优化的分子结构图像由Chemcraft生成。

研究结果显示，5-HTP在固态下的正常拉曼光谱与DFT计算结果高度一致，尤其在低于1000 cm?1的范围内，计算的振动频率与实验峰位非常吻合。尽管之前已有5-HTP的理论光谱，但其与实验数据的匹配度较低。相比之下，本研究的计算结果与实验数据高度一致，表明5-HTP在固态下确实具有两性离子结构。此外，5-HTP的光谱整体更接近于5-HT而非Trp，这归因于其在苯环C11位置的羟基，这一结构特征与5-HT相同。

在SERS光谱中，5-HTP的谱带表现出更宽的分布，且相对强度发生了显著变化。SERS光谱的解卷积结果（见图S1）以及表1中的谱带位置显示，SERS光谱与正常拉曼光谱相比，没有明显的波长偏移，但部分谱带的强度发生了显著变化。例如，原本在正常拉曼光谱中强度较高的1553 cm?1峰在SERS光谱中向蓝移至1569 cm?1，同时其他谱带的强度也发生了变化。这些变化可能与分子在金属表面的吸附和取向有关。

MD模拟进一步揭示了5-HTP在银表面的吸附行为。在中性银表面，5-HTP的吲哚环通常以平行或倾斜的方式与表面接触，而羧酸基团则作为主要的吸附位点。在带电银表面，分子更倾向于通过羧酸基团与表面相互作用，同时吲哚环可能以倾斜或平行的方式存在。模拟结果表明，5-HTP在银表面并未形成单一构型，而是存在多种吸附方式。这一结果与SERS光谱中谱带强度的变化相吻合，表明分子在不同吸附构型下的振动模式受到表面性质的影响。

DFT计算进一步支持了这些发现，并有助于解释SERS光谱中强度变化的来源。通过优化四种代表性的5-HTP-银簇模型，研究发现，当分子通过羧酸基团与银表面直接相互作用时，某些振动模式（如1640 cm?1附近的拉曼活性模式）的强度显著增强。这表明电磁增强效应在SERS中起着重要作用。此外，计算还显示，带电银表面促进了更多的倾斜构型，从而增强了某些振动模式的强度。这些计算结果与实验数据相吻合，表明5-HTP在银纳米颗粒表面的吸附主要通过羧酸基团，并可能涉及与银原子的配位作用。

研究还发现，SERS光谱中某些特定的谱带（如1569 cm?1和1640 cm?1）的强度变化可能与分子在表面的吸附构型有关。这些谱带的增强可能来源于电磁效应和化学效应的共同作用。例如，1569 cm?1峰的蓝移可能与分子在银表面的倾斜构型有关，而1640 cm?1附近的强峰则可能与羧酸基团的伸缩振动和氨基的振动有关。这些结果表明，5-HTP在银表面的吸附行为受到多种因素的影响，包括分子的构型、表面电荷状态以及激发波长。

总体而言，本研究通过实验和计算相结合的方法，全面揭示了5-HTP的正常拉曼和SERS光谱特性，以及其在银纳米颗粒表面的吸附机制。这些发现不仅有助于理解5-HTP的分子行为，还为其在生物化学传感和蛋白质结构研究中的应用提供了新的思路。此外，研究结果表明，5-HTP作为拉曼探针的潜力，特别是在研究与血清素相关的代谢途径和蛋白质结构方面，可能为未来的生物分子研究提供重要的工具。