楊清玲,劉 健,王 劍,魯群岷,傅生會,段 慧

(1.重慶市環(huán)境監(jiān)測中心,重慶401147;2.西南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室,重慶400715)

共振瑞利散射和共振非線性散射及其在環(huán)境分析中的應(yīng)用

楊清玲1,2,劉 健2,王 劍2,魯群岷2,傅生會2,段 慧2

(1.重慶市環(huán)境監(jiān)測中心,重慶401147;2.西南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室,重慶400715)

共振瑞利散射(RRS)和共振非線性散射(RNLS)是20世紀(jì)90年代以后發(fā)展起來的新分析技術(shù)。由于它們的高靈敏度和簡易性引起了人們的關(guān)注,研究和應(yīng)用日益增多。本文簡要介紹了 RRS和RNLS的基本理論及其在環(huán)境分析中的應(yīng)用。

共振瑞利散射;共振非線性散射 ;環(huán)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)和共振非線性散射(RNLS)是20世紀(jì)90年代以后發(fā)展起來的新分析技術(shù)。由于它們的高靈敏度和簡易性引起了人們的關(guān)注,研究和應(yīng)用日益增多。其研究和應(yīng)用已涉及蛋白質(zhì)、核酸、多糖類等生物大分子、藥物、有機(jī)物的分析和納米微粒的研究。近年來此項技術(shù)在環(huán)境分析中的應(yīng)用也受到重視,分析應(yīng)用研究逐漸增多,表明RRS和RNLS法在環(huán)境分析中有廣泛的應(yīng)用潛力,成為擴(kuò)展這一技術(shù)分析應(yīng)用的新領(lǐng)域和發(fā)展環(huán)境分析的新途徑。

1 瑞利散射和共振瑞利散射

瑞利散射(Rayleigh Scattering,RS)是指散射光波長等于入射光波長,而且散射粒子(通常是分子)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于入射光波長的散射,它是一種沒有能量轉(zhuǎn)移的彈性光散射。瑞利散射自發(fā)現(xiàn)至今,經(jīng)過一百三十多年的發(fā)展與完善,建立了較完善的理論體系,并在物理學(xué)、生物學(xué)、天文學(xué)、氣象學(xué)和化學(xué)中得到了廣泛的應(yīng)用。其中與化學(xué)有關(guān)的應(yīng)用主要表現(xiàn)在:分子量的測定,分子回旋半徑、形狀和大小的測定,締合聚合反應(yīng)過程動態(tài)行為的研究以及一些物理化學(xué)參數(shù)的測定等。瑞利散射分析技術(shù)所采用的理論基礎(chǔ)是瑞利散射定律[1]:

其中 I為散射光強(qiáng)度,I0為入射光強(qiáng)度,λ為入射光和散射光波長,N為單位體積內(nèi)粒子數(shù)目,ν為一個粒子的體積,n1和n0分別表示散射相和介質(zhì)的折射率。由該公式可知,散射光強(qiáng)度與入射光波長的四次方 (λ4)成反比,波長愈短,散射愈強(qiáng);散射光強(qiáng)度與粒子體積的平方 (ν2)成正比,這說明粒子尺度對光散射的重要性;散射光強(qiáng)度與單位體積內(nèi)的粒子數(shù) (N)成正比,這是定量分析的基礎(chǔ);分散相粒子與分散介質(zhì)的折射率相差愈大,散射作用愈強(qiáng)。此公式適用于線性散射(即散射光頻率與入射光頻率相等)、球形微粒、無吸收、粒徑 d與波長λ之比小于20(即 d/λ<20)的體系。

盡管瑞利散射技術(shù)已得到廣泛的應(yīng)用,并為研究工作提供了大量的信息,但該技術(shù)存在兩大不足:(1)信號水平低,一般僅有入射光強(qiáng)度的千分之一左右;(2)選擇性低,不同物質(zhì)均遵守 I∝1/λ4的瑞利定律,無特征峰,因此限制了它的應(yīng)用。

若在散射實驗中,選擇入射光波長接近待測物質(zhì)的吸收帶,電子吸收電磁波頻率與散射頻率相同,電子因共振而強(qiáng)烈吸收光的能量并產(chǎn)生再次散射,則該物質(zhì)的散射會大大增強(qiáng),而且會出現(xiàn)新的散射特征,這就是共振瑞利散射(Resonance Rayleigh Scattering,RRS)[1],它的出現(xiàn)大大彌補(bǔ)了瑞利散射的不足,提高了分析的靈敏度,使光散射技術(shù)得到了新的研究和應(yīng)用。

1978年,M iller[1]利用宏觀波動理論以及Stanton[2]等用半經(jīng)驗計算對RRS進(jìn)行了理論探討。根據(jù)宏觀波動理論,分子散射源于折光指數(shù)(m)的漲落,而折光指數(shù)可以分為實部和虛部兩部分,即m=n-ik,其中n為溶液的折光指數(shù),k吸光系數(shù),在分子吸收帶附近,n與波長和摩爾吸光度之間的關(guān)系與分子在整個波長范圍內(nèi)的吸收有關(guān),可用 Kroning-Kramers方程[3]表示:

其中 n0為純?nèi)軇┑恼酃庵笖?shù),c是溶液的物質(zhì)的量濃度,λ0是真空中入射光和散射光波長,λ是整個分子吸收帶中的任意研究波長,ε(λ)為所研究波長處分子的摩爾吸光系數(shù)。而吸光系數(shù)k只與吸收帶相關(guān)的分子量子躍遷有關(guān),其與λ0處摩爾吸光系數(shù)ε(λ0)的關(guān)系為[3]:

表征光散射特征的瑞利比(Rayleigh Ratio)與折射指數(shù)的關(guān)系為:

R(90°)表示與入射光成90°角處檢測到的瑞利比,NA是阿佛加德羅常數(shù),CV表示光散射增加的Cabannes因子。

如果入射光波長遠(yuǎn)離分子吸收帶,則?k/?c=0,在散射粒子直徑 d≤0.05λ0時,所獲得的光散射光譜主要決定于折光指數(shù)的實部,散射光強(qiáng)度遵從Rayleigh散射定律。如果入射光波長接近于分子吸收帶,?k/?c≠0,即除折光指數(shù)實部對光散射有貢獻(xiàn)外,虛部也具有較大貢獻(xiàn),特別是吸收較強(qiáng)時,貢獻(xiàn)更大,將產(chǎn)生強(qiáng)烈的共振瑞利散射。光散射強(qiáng)度與散射粒子濃度間的關(guān)系可表示為:由該式可知,當(dāng)其他條件一定時,共振瑞利散射強(qiáng)度與溶液的物質(zhì)的量濃度(c)成正比,這是共振瑞利散射法測定物質(zhì)濃度的定量基礎(chǔ);此外,共振瑞利散射強(qiáng)度與分子的摩爾吸光系數(shù)密切相關(guān),摩爾吸光系數(shù)越高,共振瑞利散射強(qiáng)度越大。因此,共振瑞利散射與瑞利散射相比,具有以下優(yōu)點[4]:

(1)有更高的靈敏度,其信號水平可比瑞利散射提高幾個數(shù)量級,可以用于更稀溶液的研究。

(2)檢測更為方便,并可研究 RRS光譜特征。由于RRS有很高的信號水平,因而可用在紫外—可見光區(qū)發(fā)射連續(xù)光譜的燈等普通光源代替價昂且波長單一的激光作為光源,而這種光源可通過單色器提供連續(xù)波長的入射光,并通過普通熒光分光光度計同步掃描而得到完整的 RRS光譜,為研究RRS光譜特征創(chuàng)造了更好的條件,使用廉價的儀器也加快了這一技術(shù)的普及和推廣。

(3)有特定的RRS峰,光譜特征有更好的選擇性。由于RRS強(qiáng)度不再與λ-4成正比,其散射光譜特征直接受到吸收光譜的影響,具有不同吸收光譜的分子會出現(xiàn)彼此不同的RRS光譜特征和相應(yīng)的RRS峰,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(jié)構(gòu)和反應(yīng)特征提供更豐富的信息。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(fā)生受迫振動有關(guān),又受電子能級躍遷的影響,它既源于瑞利散射和吸收光譜,又與同步不同,形成了一種新的光譜特征,因而它能夠?qū)ρ芯糠肿咏Y(jié)構(gòu)、大小和形狀(如球形、鏈形、棒形、無規(guī)則線團(tuán)等)、電荷分布(特別是π電荷分布)、鍵合性質(zhì)等提供新的、更豐富的信息,而有些信息是其他分析手段難以提供的。共振瑞利散射對于大分子非鍵作用,如締合、聚集、偶極—偶極作用和長距離組裝等非常敏銳,這對于生物大分子的測定、表征及反應(yīng)歷程的研究極為有利。靜電作用,疏水作用以及電荷轉(zhuǎn)移作用對于RRS強(qiáng)度和光譜特征有重要影響,這就為通過離子締合反應(yīng)用RRS技術(shù)測定痕量金屬、非金屬、有機(jī)化合物和藥物等奠定了基礎(chǔ)。RRS法靈敏度高、操作簡便、儀器價廉和便于推廣,完全有可能成為一種應(yīng)用廣泛的新分析技術(shù)。

2 共振非線性散射

在我國,劉紹璞教授等率先研究小分子之間借靜電引力、疏水作用和電荷轉(zhuǎn)移作用形成離子締合物而產(chǎn)生強(qiáng)烈的RRS信號時,發(fā)現(xiàn)在入射光波長2倍處和1/2處出現(xiàn)較強(qiáng)的散射光,前者已為人們所熟知,稱為二級散射(second-order scattering,SOS),并一直將其作為干擾熒光測定的有害現(xiàn)象加以回避或消除。后者的波長位于入射光的1/2處,即其頻率為入射光的2倍,故稱為倍頻散射(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側(cè),相當(dāng)長的時期內(nèi)在分析化學(xué)中未得到更多的注意和研究。近來的研究表明,它們是某些物質(zhì)(如納米微粒)所產(chǎn)生的一種特殊的非線性光學(xué)現(xiàn)象。并在1995年將它們作為一種光譜現(xiàn)象加以研究并報道了它們的分析應(yīng)用[5]。此外,在入射光波長的3/2、5/2和3倍處還發(fā)現(xiàn)有較弱的散射光出現(xiàn),他們分別是2/3,2/5和1/3分頻散射。這些散射是由共振瑞利散射引起的一些共振非線性散射(resonance non-linear scattering,RNLS)現(xiàn)象,RNLS的強(qiáng)度隨散射次數(shù)的增多而大大減弱,加之受到儀器檢測波長的限制,因此不論對于分析化學(xué)或是其他研究工作,最重要的仍然是二級散射(SOS)和倍頻散射或超瑞利散射(FDS或 HRS)。

RNLS具有較高的信號水平,可以用普通光源作入射光源,它能夠在溶液中產(chǎn)生,并可作為一種光譜現(xiàn)象予以研究,因而它是一種過去很少被研究的新的散射現(xiàn)象。故可進(jìn)一步尋找其產(chǎn)生原因、變化規(guī)律,與共振散射、分子吸收和發(fā)射之間的內(nèi)在聯(lián)系及其能量轉(zhuǎn)移之間的關(guān)系,它的產(chǎn)生和強(qiáng)度變化與分子結(jié)構(gòu)、電荷狀態(tài)、鍵合形式、分子大小和形狀之間的關(guān)系,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究和拓展其分析應(yīng)用領(lǐng)域,不論在理論上或者實際應(yīng)用上都具有重要意義。

3 共振瑞利散射和共振非線性散射在環(huán)境分析中的應(yīng)用

共振瑞利散射(RRS)技術(shù)作為一種新分析技術(shù)始于九十年代初,Pasternack等[6]首次在熒光分光光度計上利用普通光源用共振光散射研究卟啉類化合物在核酸分子上的J型堆積,率先將RRS作為一種分析技術(shù)并用于核酸的研究和檢測,1995年他們在Science發(fā)表論文,認(rèn)為生色團(tuán)聚集作用是產(chǎn)生強(qiáng)烈RRS的主要原因[7]。至此之后,對 RRS技術(shù)的研究和應(yīng)用日益增多,顯示出該方法在研究生物大分子的識別、組裝、超分子排列以及多個分析領(lǐng)域的應(yīng)用前景,激起國內(nèi)外分析工作者的濃厚興趣和廣泛關(guān)注。

共振瑞利散射和共振非線性散射由于其高靈敏度和簡易性,在分析化學(xué)中得到越來越多的研究和應(yīng)用。這些方法在蛋白質(zhì)、核酸、肝素、硫酸軟骨素等生物大分子的研究和測定中,在生物堿、纖維素、抗生素等藥物分析中,在納米微粒的研究以及在某些物理-化學(xué)參數(shù)的測定中均得到廣泛的應(yīng)用。此外,在環(huán)境分析中,RRS法和 RNLS法的應(yīng)用也日益增多,成為發(fā)展環(huán)境分析方法的一個新的途徑,其中包括環(huán)境中金屬離子如 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 屬離 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]的測定 ,以及 ClO2[35]、H2O2[36]、陰離子表面活性劑[37-38]和陽離子表面活性劑[39-40]的測定等。RRS和 RNLS法在環(huán)境分析中的應(yīng)用見表1。

從表1可以看出,目前在環(huán)境分析中 RRS和RNLS法已有較多的研究,包括20余種金屬離子和非金屬離子[41]以及離子型表面活性劑。說明這一方法不僅是測定某些生物大分子、藥物的有用手段,在環(huán)境分析中有較大的應(yīng)用潛力。當(dāng)需在深度和廣度上進(jìn)一步加強(qiáng)這方面的研究工作,因為這不僅可拓展RRS和RNLS法的應(yīng)用范圍,也可為環(huán)境分析方法的研究注入新的活力。

表1 RRS和RNLS法在測定無機(jī)離子以及某些表面活性劑中的應(yīng)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

國家自然科學(xué)基金(20475045)資助、重慶市自然科學(xué)基金(No.CSTC2006BB7267、No.CSTC2006BA 7026)、重慶市環(huán)科院環(huán)保基金(No.200603、No.200705)資助

楊清玲(1966-),女,四川瀘州人,博士,教授級高工,主要從事環(huán)境監(jiān)測工作和環(huán)境分析方法研究。E-mail:yangqingling99@163.com