共振瑞利散射光譜在納米檢測、手性分析等領域前景光明

　　“七彩光譜 萬象更新”主題，訪重慶三峽學院楊季冬教授

　　光譜技術已邁過百年歷史長河，中國的光譜分析技術亦可追溯到上個世紀50年代，今日中國的光譜技術已從國際上“跟跑”躍升到部分領域領跑的地位。在這背后，老中青科學家，克服了嚴峻的挑戰、付出了辛勤的汗水。伴隨著將在成都召開的第21屆全國分子光譜學學術會議，中國光學學會光譜專業委員會和分析測試百科網聯合舉辦了“七彩光譜 萬象更新”主題活動。活動將采訪業內的光譜界的一線工作者，探討光譜近年來的發展、最新技術與應用，展望光譜未來發展的新方向，希望對廣大光譜愛好與從業者有更多的啟發。

　　重慶三峽學院的楊季冬教授，將為我們著重展示光譜的一個新領域：共振瑞利散射光譜（RRS）的原理與應用，這是一個以前不被研究者特別關注的領域，甚至RRS被長期被看作為熒光測定的干擾，當重新注視RRS并破解其規律后，會再次發現其中蘊含的潛在價值和廣闊的發展前景。

RRS：分子光譜分析上的又一個里程碑

　　瑞利散射（RS）現象在自然界最常見，比如：我們看到的湛藍的天空、絢麗朝霞和夕陽都是瑞利散射的結果。但在光譜分析領域，瑞利散射過去可不怎么受待見，首先，瑞利散射信號水平低，一般僅有入射光的1/1000左右，其次缺乏選擇性，不同物質均遵守I∝1/λ4的瑞利定律，無特征峰，因此限制了它的應用。而且，瑞利散射還常成為熒光分析中的“惱人鬧心”峰，比如常做分子熒光的老師，常被熒光儀上一些尖銳的雜散光困擾，這些雜散光就部分源出于瑞利散射。

人們看到的紅色太陽和藍色天空就是瑞利散射的結果

　　面對熒光光譜上的“惱人”譜峰，是避免它放棄它，還是研究它利用它？

　　1993年，美國科學家Pasternack提出，可利用這種雜散光來分析分子聚集的增強光散射信號，并其命名為“共振光散射技術”(Resonance Light Scattering technique, 簡稱RLS)，并首次用于研究卟啉類化合物在DNA分子上的J型聚集(Jelley Scheibe Aggregation)，率先采用RLS新技術用于核酸的研究和檢測。1995年他們在Science上發表論文，認為生色團聚集作用是產生強烈的RLS的主要原因[1,2]。

　　與此同時，我國西南大學劉紹璞教授在研究溶液中離子締合物的聚集作用時，發現有“共振散射發光”現象，遂命名為“共振瑞利散射”（ Resonance Rayleigh Scattering, 簡稱RRS），RRS散射與自然界中瑞利散射的作用相似，產生RRS的關鍵是：散射位于或接近于散射分子吸收帶時，由于電子吸收電磁波頻率與散射頻率相同，電子因共振而強烈吸收光子能量發生再次散射，其散射強度比單純的瑞利散射提高幾個數量級，并且不再遵循I∝λ-4的瑞利定律，這種吸收-再散射過程即為共振瑞利散射(RRS)[3,4]。

　　楊季冬表示：劉教授的“共振散射發光”和Pasternack的“共振光散射”并沒有本質上的不同，僅基于不同的研究領域和實驗體系，故稱謂不同。但都是利用熒光儀設置Δλ=0的同步熒光測量到靠近分子吸收譜帶附近的共振增強散射信號。此后，劉教授還發展了非線性的二級散射(SOS，設置2λex=λem)和倍頻散射(PDF, 設置λex=2λem)。

RRS與其它光譜的區別

　　為了我們更好地認識RRS，楊季冬介紹了RRS和其它光譜技術的區別。

　　RSS光強的數學表達式

　　由該公式可知：

　　⑴在其它條件一定時，RRS強度與溶液的物質的量濃度（cv）成正比，這是共振瑞利散射作為物質濃度測定方法的定量基礎。

　　⑵RRS強度與分子的摩爾吸光系數密切相關，摩爾吸光系數越高，RSS信號越強。

　　⑶當其它條件固化時，上式可簡化為：IRRS=KI0VC，此式說明，RRS強度與反應體系中微粒的聚散(體積V變化)有關。

　　小編聽到這里，覺得好“似曾相識”，這不跟紫外的朗伯-比爾定律一樣么？這個“惱人”峰的強度只跟物質本身性質和物質濃度有關，那就可以直接做定量羅。

　　RRS（共振瑞利散射）與RS（瑞利散射）的區別

　　相比于瑞利散射(RS)，共振瑞利散射（RRS）有如下優點：

　　（1）有更高的靈敏度（文獻報道RRS的靈敏度最高可達f g級），可以用于更稀溶液的研究；

　　（2）檢測更為方便，由于RRS有很高的信號水平，因而可用普通光源，比如可在紫外-可見光區發射連續光譜的燈。

　　（3）更好的選擇性。由于RRS強度不再與λ4成反比，因此較單一的瑞利散射具有更好的選擇性；

　　（4）可為研究分子結構和反應特征提供更豐富的信息。

　　RSS與拉曼散射（RS）的區別

　　RRS優勢：反應快捷靈敏，操作簡單，應用廣泛，適宜快檢。

　　RRS弱勢：信號不穩定，選擇性不如紅外和拉曼好，適宜水相體系。

　　近年來，共振瑞利散射光譜(RRS)分析作為新發展起來的分析技術，加之它操作簡單，靈敏度特高，不需要另購置儀器，所以廣受國內外分析研究工作者的青睞。由于RRS兼具散射和電子吸收光譜的雙重特性，它既與分子中電子在入射光電磁場作用下發生受迫振動有關，又受電子能級躍遷的影響，因此形成了一種新的光譜特征。在研究分子結構和形態、電荷分布、鍵合性質以及反應特征時，RRS可提供更豐富的信息。

　　RRS的特點小結：

　　操作簡捷，靈敏度高，包含豐富的分子結構和反應特征的信息，具有一定的特效選擇性。

　　RRS亟待改善的弱勢是：①信號不夠穩定；②限在水相反應；③單一使用時選擇性較差。

RRS的應用

　　RRS已廣泛地應用于：痕量金屬和非金屬離子的測定，藥物分析、環境分析，以及生物大分子的分析，也用于反應體系中相互作用的機理分析和理化參數的測定等。楊季冬表示：“查閱RRS相關文獻，劉紹璞團隊發表較多，近年來國內外有關RRS的報道也逐漸增多。以致于前兩年有些SCI外刊編審感嘆：‘散射分析文章象潮水一樣湧來’。”

　　楊季冬接下來介紹了自己的主要工作：“自2011年以來，我們團隊在研究改善RRS的弱勢，提升其選擇性方面做了大量的工作。尤其是國家自科基金委對我們利用RRS進行手性物分析工作連續兩次資助，使我們對提高RRS的選擇性有更深入的認識，并利用RRS同時測定手性對映體，這些年我們相繼在“Chriality” 等專業刊物上發表了較多的論文成果和ZL成果[5-11]。”

手性對映體化合物示意

　　楊季冬隨后介紹了課題組在RRS研究方面的幾項：

　　1、手性對映體無需分離直接鑒定

　　由于手性對映體分子的理化性能幾乎相同，所以對它們的分析測定相當困難，因此，一般研究都是先分離后分析。“手性分離”因而是“手性分析”很重要的一步工作。多數手性分析建立在“先分離（如用色譜）后分析”的基礎上，而在許多特殊情形下須不經分離而快速同時測定。課題組用RRS實現了真正的手性分析。

　　2、揭示手性對映體的光譜差異

　　利用高靈敏度的RRS結合高選擇性的新技術，可以找到手性對映體的光譜差異，這是手性分析的基礎。比如，手性對映體的光譜可能完全重疊，但在加入一種加合物的情況下，譜峰強度隨加入濃度的變化是不同的。那么，找到這種可以加入手性對映體的物質，研究分別加入后對映體隨濃度變化的各自規律，揭示其光譜差異，就可能為后續的分析鑒定基礎。

　　3、“同原射線計量分析法”：對手性對映體混合物直接分別定量

　　過去，在一對手性對映體共存情況下，用光譜來對其分別定量，幾乎是不可能的。因為，對映體的譜峰完全重疊。在上述研究的基礎上課題組發現：手性對映體的光譜差異多體現在相同特征譜峰下的增幅不同，創建了“同原射線計量分析法”，一舉解決了“譜峰完全重疊的雙組分混合物”的組分定量分析，突破了分析化學教科書的存念岐見，被授權中國發明ZL，推進了分析化學方法更新。

國家發明ZL《譜峰完全重疊的雙組分混合物同時測定的光譜分析方法》(ZL200810233109.4 )

　　課題組也給出了同原射線計量分析需滿足的條件：（1）雙組分的光譜信號增幅響應具有差異性；

　　（2）雙組分的光譜強度均與濃度呈線性正相關；