共振瑞利散射光谱在纳米检测、手性分析等领域前景光明

　　“七彩光谱 万象更新”主题，访重庆三峡学院杨季冬教授

　　光谱技术已迈过百年历史长河，中国的光谱分析技术亦可追溯到上个世纪50年代，今日中国的光谱技术已从国际上“跟跑”跃升到部分领域领跑的地位。在这背后，老中青科学家，克服了严峻的挑战、付出了辛勤的汗水。伴随着将在成都召开的第21届全国分子光谱学学术会议，中国光学学会光谱专业委员会和分析测试百科网联合举办了“七彩光谱 万象更新”主题活动。活动将采访业内的光谱界的一线工作者，探讨光谱近年来的发展、最新技术与应用，展望光谱未来发展的新方向，希望对广大光谱爱好与从业者有更多的启发。

　　重庆三峡学院的杨季冬教授，将为我们着重展示光谱的一个新领域：共振瑞利散射光谱（RRS）的原理与应用，这是一个以前不被研究者特别关注的领域，甚至RRS被长期被看作为荧光测定的干扰，当重新注视RRS并破解其规律后，会再次发现其中蕴含的潜在价值和广阔的发展前景。

RRS：分子光谱分析上的又一个里程碑

　　瑞利散射（RS）现象在自然界最常见，比如：我们看到的湛蓝的天空、绚丽朝霞和夕阳都是瑞利散射的结果。但在光谱分析领域，瑞利散射过去可不怎么受待见，首先，瑞利散射信号水平低，一般仅有入射光的1/1000左右，其次缺乏选择性，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。而且，瑞利散射还常成为荧光分析中的“恼人闹心”峰，比如常做分子荧光的老师，常被荧光仪上一些尖锐的杂散光困扰，这些杂散光就部分源出于瑞利散射。

人们看到的红色太阳和蓝色天空就是瑞利散射的结果

　　面对荧光光谱上的“恼人”谱峰，是避免它放弃它，还是研究它利用它？

　　1993年，美国科学家Pasternack提出，可利用这种杂散光来分析分子聚集的增强光散射信号，并其命名为“共振光散射技术”(Resonance Light Scattering technique, 简称RLS)，并首次用于研究卟啉类化合物在DNA分子上的J型聚集(Jelley Scheibe Aggregation)，率先采用RLS新技术用于核酸的研究和检测。1995年他们在Science上发表论文，认为生色团聚集作用是产生强烈的RLS的主要原因[1,2]。

　　与此同时，我国西南大学刘绍璞教授在研究溶液中离子缔合物的聚集作用时，发现有“共振散射发光”现象，遂命名为“共振瑞利散射”（ Resonance Rayleigh Scattering, 简称RRS），RRS散射与自然界中瑞利散射的作用相似，产生RRS的关键是：散射位于或接近于散射分子吸收带时，由于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子能量发生再次散射，其散射强度比单纯的瑞利散射提高几个数量级，并且不再遵循I∝λ-4的瑞利定律，这种吸收-再散射过程即为共振瑞利散射(RRS)[3,4]。

　　杨季冬表示：刘教授的“共振散射发光”和Pasternack的“共振光散射”并没有本质上的不同，仅基于不同的研究领域和实验体系，故称谓不同。但都是利用荧光仪设置Δλ=0的同步荧光测量到靠近分子吸收谱带附近的共振增强散射信号。此后，刘教授还发展了非线性的二级散射(SOS，设置2λex=λem)和倍频散射(PDF, 设置λex=2λem)。

RRS与其它光谱的区别

　　为了我们更好地认识RRS，杨季冬介绍了RRS和其它光谱技术的区别。

　　RSS光强的数学表达式

　　由该公式可知：

　　⑴在其它条件一定时，RRS强度与溶液的物质的量浓度（cv）成正比，这是共振瑞利散射作为物质浓度测定方法的定量基础。

　　⑵RRS强度与分子的摩尔吸光系数密切相关，摩尔吸光系数越高，RSS信号越强。

　　⑶当其它条件固化时，上式可简化为：IRRS=KI0VC，此式说明，RRS强度与反应体系中微粒的聚散(体积V变化)有关。

　　小编听到这里，觉得好“似曾相识”，这不跟紫外的朗伯-比尔定律一样么？这个“恼人”峰的强度只跟物质本身性质和物质浓度有关，那就可以直接做定量罗。

　　RRS（共振瑞利散射）与RS（瑞利散射）的区别

　　相比于瑞利散射(RS)，共振瑞利散射（RRS）有如下优点：

　　（1）有更高的灵敏度（文献报道RRS的灵敏度最高可达f g级），可以用于更稀溶液的研究；

　　（2）检测更为方便，由于RRS有很高的信号水平，因而可用普通光源，比如可在紫外-可见光区发射连续光谱的灯。

　　（3）更好的选择性。由于RRS强度不再与λ4成反比，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。

　　RSS与拉曼散射（RS）的区别

　　RRS优势：反应快捷灵敏，操作简单，应用广泛，适宜快检。

　　RRS弱势：信号不稳定，选择性不如红外和拉曼好，适宜水相体系。

　　近年来，共振瑞利散射光谱(RRS)分析作为新发展起来的分析技术，加之它操作简单，灵敏度特高，不需要另购置仪器，所以广受国内外分析研究工作者的青睐。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，因此形成了一种新的光谱特征。在研究分子结构和形态、电荷分布、键合性质以及反应特征时，RRS可提供更丰富的信息。

　　RRS的特点小结：

　　操作简捷，灵敏度高，包含丰富的分子结构和反应特征的信息，具有一定的特效选择性。

　　RRS亟待改善的弱势是：①信号不够稳定；②限在水相反应；③单一使用时选择性较差。

RRS的应用

　　RRS已广泛地应用于：痕量金属和非金属离子的测定，药物分析、环境分析，以及生物大分子的分析，也用于反应体系中相互作用的机理分析和理化参数的测定等。杨季冬表示：“查阅RRS相关文献，刘绍璞团队发表较多，近年来国内外有关RRS的报道也逐渐增多。以致于前两年有些SCI外刊编审感叹：‘散射分析文章象潮水一样湧来’。”

　　杨季冬接下来介绍了自己的主要工作：“自2011年以来，我们团队在研究改善RRS的弱势，提升其选择性方面做了大量的工作。尤其是国家自科基金委对我们利用RRS进行手性物分析工作连续两次资助，使我们对提高RRS的选择性有更深入的认识，并利用RRS同时测定手性对映体，这些年我们相继在“Chriality” 等专业刊物上发表了较多的论文成果和ZL成果[5-11]。”

手性对映体化合物示意

　　杨季冬随后介绍了课题组在RRS研究方面的几项：

　　1、手性对映体无需分离直接鉴定

　　由于手性对映体分子的理化性能几乎相同，所以对它们的分析测定相当困难，因此，一般研究都是先分离后分析。“手性分离”因而是“手性分析”很重要的一步工作。多数手性分析建立在“先分离（如用色谱）后分析”的基础上，而在许多特殊情形下须不经分离而快速同时测定。课题组用RRS实现了真正的手性分析。

　　2、揭示手性对映体的光谱差异

　　利用高灵敏度的RRS结合高选择性的新技术，可以找到手性对映体的光谱差异，这是手性分析的基础。比如，手性对映体的光谱可能完全重叠，但在加入一种加合物的情况下，谱峰强度随加入浓度的变化是不同的。那么，找到这种可以加入手性对映体的物质，研究分别加入后对映体随浓度变化的各自规律，揭示其光谱差异，就可能为后续的分析鉴定基础。

　　3、“同原射线计量分析法”：对手性对映体混合物直接分别定量

　　过去，在一对手性对映体共存情况下，用光谱来对其分别定量，几乎是不可能的。因为，对映体的谱峰完全重叠。在上述研究的基础上课题组发现：手性对映体的光谱差异多体现在相同特征谱峰下的增幅不同，创建了“同原射线计量分析法”，一举解决了“谱峰完全重叠的双组分混合物”的组分定量分析，突破了分析化学教科书的存念岐见，被授权中国发明ZL，推进了分析化学方法更新。

国家发明ZL《谱峰完全重叠的双组分混合物同时测定的光谱分析方法》(ZL200810233109.4 )

　　课题组也给出了同原射线计量分析需满足的条件：（1）双组分的光谱信号增幅响应具有差异性；

　　（2）双组分的光谱强度均与浓度呈线性正相关；