共振瑞利散射和共振非线性散射及其在环境分析中的应用

杨清玲,刘 健,王 剑,鲁群岷,傅生会,段 慧

(1.重庆市环境监测中心,重庆401147;2.西南大学化学化工学院,三峡库区生态环境教育部重点实验室,重庆400715)

共振瑞利散射和共振非线性散射及其在环境分析中的应用

杨清玲1,2,刘 健2,王 剑2,鲁群岷2,傅生会2,段 慧2

(1.重庆市环境监测中心,重庆401147;2.西南大学化学化工学院,三峡库区生态环境教育部重点实验室,重庆400715)

共振瑞利散射(RRS)和共振非线性散射(RNLS)是20世纪90年代以后发展起来的新分析技术。由于它们的高灵敏度和简易性引起了人们的关注,研究和应用日益增多。本文简要介绍了 RRS和RNLS的基本理论及其在环境分析中的应用。

共振瑞利散射;共振非线性散射 ;环境分析

Abstract:Resonance Rayleigh scattering(RRS)and resonance non-linear scattering(RNLS)are new technologies developed in 1990s.Due to their remarkable characteristicsof high sensitivity and simp leoperation,RRSand RNLS have received much attention.The foundational theo ry of RRSand RNLSand the app lications in environmental analysis were introduced in this paper.

Key words:resonance rayleigh scattering;resonance non-linear scattering;environmental analysis

共振瑞利散射(RRS)和共振非线性散射(RNLS)是20世纪90年代以后发展起来的新分析技术。由于它们的高灵敏度和简易性引起了人们的关注,研究和应用日益增多。其研究和应用已涉及蛋白质、核酸、多糖类等生物大分子、药物、有机物的分析和纳米微粒的研究。近年来此项技术在环境分析中的应用也受到重视,分析应用研究逐渐增多,表明RRS和RNLS法在环境分析中有广泛的应用潜力,成为扩展这一技术分析应用的新领域和发展环境分析的新途径。

1 瑞利散射和共振瑞利散射

瑞利散射(Rayleigh Scattering,RS)是指散射光波长等于入射光波长,而且散射粒子(通常是分子)远远小于入射光波长的散射,它是一种没有能量转移的弹性光散射。瑞利散射自发现至今,经过一百三十多年的发展与完善,建立了较完善的理论体系,并在物理学、生物学、天文学、气象学和化学中得到了广泛的应用。其中与化学有关的应用主要表现在:分子量的测定,分子回旋半径、形状和大小的测定,缔合聚合反应过程动态行为的研究以及一些物理化学参数的测定等。瑞利散射分析技术所采用的理论基础是瑞利散射定律[1]:

其中 I为散射光强度,I0为入射光强度,λ为入射光和散射光波长,N为单位体积内粒子数目,ν为一个粒子的体积,n1和n0分别表示散射相和介质的折射率。由该公式可知,散射光强度与入射光波长的四次方 (λ4)成反比,波长愈短,散射愈强;散射光强度与粒子体积的平方 (ν2)成正比,这说明粒子尺度对光散射的重要性;散射光强度与单位体积内的粒子数 (N)成正比,这是定量分析的基础;分散相粒子与分散介质的折射率相差愈大,散射作用愈强。此公式适用于线性散射(即散射光频率与入射光频率相等)、球形微粒、无吸收、粒径 d与波长λ之比小于20(即 d/λ<20)的体系。

尽管瑞利散射技术已得到广泛的应用,并为研究工作提供了大量的信息,但该技术存在两大不足:(1)信号水平低,一般仅有入射光强度的千分之一左右;(2)选择性低,不同物质均遵守 I∝1/λ4的瑞利定律,无特征峰,因此限制了它的应用。

若在散射实验中,选择入射光波长接近待测物质的吸收带,电子吸收电磁波频率与散射频率相同,电子因共振而强烈吸收光的能量并产生再次散射,则该物质的散射会大大增强,而且会出现新的散射特征,这就是共振瑞利散射(Resonance Rayleigh Scattering,RRS)[1],它的出现大大弥补了瑞利散射的不足,提高了分析的灵敏度,使光散射技术得到了新的研究和应用。

1978年,M iller[1]利用宏观波动理论以及Stanton[2]等用半经验计算对RRS进行了理论探讨。根据宏观波动理论,分子散射源于折光指数(m)的涨落,而折光指数可以分为实部和虚部两部分,即m=n-ik,其中n为溶液的折光指数,k吸光系数,在分子吸收带附近,n与波长和摩尔吸光度之间的关系与分子在整个波长范围内的吸收有关,可用 Kroning-Kramers方程[3]表示:

其中 n0为纯溶剂的折光指数,c是溶液的物质的量浓度,λ0是真空中入射光和散射光波长,λ是整个分子吸收带中的任意研究波长,ε(λ)为所研究波长处分子的摩尔吸光系数。而吸光系数k只与吸收带相关的分子量子跃迁有关,其与λ0处摩尔吸光系数ε(λ0)的关系为[3]:

表征光散射特征的瑞利比(Rayleigh Ratio)与折射指数的关系为:

R(90°)表示与入射光成90°角处检测到的瑞利比,NA是阿佛加德罗常数,CV表示光散射增加的Cabannes因子。

如果入射光波长远离分子吸收带,则∂k/∂c=0,在散射粒子直径 d≤0.05λ0时,所获得的光散射光谱主要决定于折光指数的实部,散射光强度遵从Rayleigh散射定律。如果入射光波长接近于分子吸收带,∂k/∂c≠0,即除折光指数实部对光散射有贡献外,虚部也具有较大贡献,特别是吸收较强时,贡献更大,将产生强烈的共振瑞利散射。光散射强度与散射粒子浓度间的关系可表示为:由该式可知,当其他条件一定时,共振瑞利散射强度与溶液的物质的量浓度(c)成正比,这是共振瑞利散射法测定物质浓度的定量基础;此外,共振瑞利散射强度与分子的摩尔吸光系数密切相关,摩尔吸光系数越高,共振瑞利散射强度越大。因此,共振瑞利散射与瑞利散射相比,具有以下优点[4]:

(1)有更高的灵敏度,其信号水平可比瑞利散射提高几个数量级,可以用于更稀溶液的研究。

(2)检测更为方便,并可研究 RRS光谱特征。由于RRS有很高的信号水平,因而可用在紫外—可见光区发射连续光谱的灯等普通光源代替价昂且波长单一的激光作为光源,而这种光源可通过单色器提供连续波长的入射光,并通过普通荧光分光光度计同步扫描而得到完整的 RRS光谱,为研究RRS光谱特征创造了更好的条件,使用廉价的仪器也加快了这一技术的普及和推广。

(3)有特定的RRS峰,光谱特征有更好的选择性。由于RRS强度不再与λ-4成正比,其散射光谱特征直接受到吸收光谱的影响,具有不同吸收光谱的分子会出现彼此不同的RRS光谱特征和相应的RRS峰,因此较单一的瑞利散射具有更好的选择性。

(4)可为研究分子结构和反应特征提供更丰富的信息。由于RRS兼具散射和电子吸收光谱的双重特性,它既与分子中电子在入射光电磁场作用下发生受迫振动有关,又受电子能级跃迁的影响,它既源于瑞利散射和吸收光谱,又与同步不同,形成了一种新的光谱特征,因而它能够对研究分子结构、大小和形状(如球形、链形、棒形、无规则线团等)、电荷分布(特别是π电荷分布)、键合性质等提供新的、更丰富的信息,而有些信息是其他分析手段难以提供的。共振瑞利散射对于大分子非键作用,如缔合、聚集、偶极—偶极作用和长距离组装等非常敏锐,这对于生物大分子的测定、表征及反应历程的研究极为有利。静电作用,疏水作用以及电荷转移作用对于RRS强度和光谱特征有重要影响,这就为通过离子缔合反应用RRS技术测定痕量金属、非金属、有机化合物和药物等奠定了基础。RRS法灵敏度高、操作简便、仪器价廉和便于推广,完全有可能成为一种应用广泛的新分析技术。

2 共振非线性散射

在我国,刘绍璞教授等率先研究小分子之间借静电引力、疏水作用和电荷转移作用形成离子缔合物而产生强烈的RRS信号时,发现在入射光波长2倍处和1/2处出现较强的散射光,前者已为人们所熟知,称为二级散射(second-order scattering,SOS),并一直将其作为干扰荧光测定的有害现象加以回避或消除。后者的波长位于入射光的1/2处,即其频率为入射光的2倍,故称为倍频散射(frequency doubling scattering,FDS)或超瑞利散射(hyper Rayleigh scattering,HRS)。由于它位于入射光短波一侧,相当长的时期内在分析化学中未得到更多的注意和研究。近来的研究表明,它们是某些物质(如纳米微粒)所产生的一种特殊的非线性光学现象。并在1995年将它们作为一种光谱现象加以研究并报道了它们的分析应用[5]。此外,在入射光波长的3/2、5/2和3倍处还发现有较弱的散射光出现,他们分别是2/3,2/5和1/3分频散射。这些散射是由共振瑞利散射引起的一些共振非线性散射(resonance non-linear scattering,RNLS)现象,RNLS的强度随散射次数的增多而大大减弱,加之受到仪器检测波长的限制,因此不论对于分析化学或是其他研究工作,最重要的仍然是二级散射(SOS)和倍频散射或超瑞利散射(FDS或 HRS)。

RNLS具有较高的信号水平,可以用普通光源作入射光源,它能够在溶液中产生,并可作为一种光谱现象予以研究,因而它是一种过去很少被研究的新的散射现象。故可进一步寻找其产生原因、变化规律,与共振散射、分子吸收和发射之间的内在联系及其能量转移之间的关系,它的产生和强度变化与分子结构、电荷状态、键合形式、分子大小和形状之间的关系,并在此基础上进一步研究和拓展其分析应用领域,不论在理论上或者实际应用上都具有重要意义。

3 共振瑞利散射和共振非线性散射在环境分析中的应用

共振瑞利散射(RRS)技术作为一种新分析技术始于九十年代初,Pasternack等[6]首次在荧光分光光度计上利用普通光源用共振光散射研究卟啉类化合物在核酸分子上的J型堆积,率先将RRS作为一种分析技术并用于核酸的研究和检测,1995年他们在Science发表论文,认为生色团聚集作用是产生强烈RRS的主要原因[7]。至此之后,对 RRS技术的研究和应用日益增多,显示出该方法在研究生物大分子的识别、组装、超分子排列以及多个分析领域的应用前景,激起国内外分析工作者的浓厚兴趣和广泛关注。

共振瑞利散射和共振非线性散射由于其高灵敏度和简易性,在分析化学中得到越来越多的研究和应用。这些方法在蛋白质、核酸、肝素、硫酸软骨素等生物大分子的研究和测定中,在生物碱、纤维素、抗生素等药物分析中,在纳米微粒的研究以及在某些物理-化学参数的测定中均得到广泛的应用。此外,在环境分析中,RRS法和 RNLS法的应用也日益增多,成为发展环境分析方法的一个新的途径,其中包括环境中金属离子如 Ag(Ⅰ)[8-9]、A l(Ⅲ)[10]、Sn(Ⅳ)[11]、Au(Ⅲ)[12]、Bi(Ⅲ)[13]、Cd(Ⅱ)[14]、Cr(Ⅵ)[15-16]、Cu(Ⅱ)[17]、Hg(Ⅱ)[18]、Mo(Ⅴ)[19]、Ni(Ⅱ)[20]、Pb(Ⅱ)[21]、Pd(Ⅱ)[22]、Rh(Ⅲ)[23]、K(Ⅰ)[24]、非 金 属离 子如 ClO-[25]、Cr2O72-[25]、M nO4-[25]、I-[26]、IO3-[27]、P(Ⅴ)[28]、Se(Ⅳ)[29]、Si(Ⅳ)[30]、SO42-[31]、Cl-[32]、F-[33]、NO2-[34]的测定 ,以及 ClO2[35]、H2O2[36]、阴离子表面活性剂[37-38]和阳离子表面活性剂[39-40]的测定等。RRS和 RNLS法在环境分析中的应用见表1。

从表1可以看出,目前在环境分析中 RRS和RNLS法已有较多的研究,包括20余种金属离子和非金属离子[41]以及离子型表面活性剂。说明这一方法不仅是测定某些生物大分子、药物的有用手段,在环境分析中有较大的应用潜力。当需在深度和广度上进一步加强这方面的研究工作,因为这不仅可拓展RRS和RNLS法的应用范围,也可为环境分析方法的研究注入新的活力。

表1 RRS和RNLS法在测定无机离子以及某些表面活性剂中的应用

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In troduction of Resonance Rayleigh Scattering and Resonance Non-linear Scattering Spectra and their Applications in Environment Analysis

YANG Qing-ling1,2,LIU Jian2,WANGJian2,LU Qun-min2,FU Sheng-hui2,DUAN Hui2

(1.Environmental Monito ring Center in Chongqing City,Chongqing 401147,China;2.Key Labo rato ry of Eco-environments in Three Go rges Reservoir Region,M inistry of Education,School of Chemistry and Chemical Engineering,Southwest University,Chongqing 400715,China)

X502

A

1674-2842(2010)03-0038-05

2010-04-02

国家自然科学基金(20475045)资助、重庆市自然科学基金(No.CSTC2006BB7267、No.CSTC2006BA 7026)、重庆市环科院环保基金(No.200603、No.200705)资助

杨清玲(1966-),女,四川泸州人,博士,教授级高工,主要从事环境监测工作和环境分析方法研究。E-mail:yangqingling99@163.com