共振瑞利散射光谱在纳米检测、手性分析等领域前景光明

2020年6月15日 09:51:40 来源: 分析测试百科
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  “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。

RRS共振瑞利散射RS拉曼散射
弹性散射非弹性散射
RRS与荧光存在能量转移传递的关系,即反应体系的荧光强时散射弱,荧光弱时散射则与红外光谱有外在联系,表征互补,可用作分子结构分析
高灵敏度的定量分析多用于定性分析,现在借助表面增强(SERS)或激光共振拉曼以(LRRS)也可以作定量分析
可用荧光仪检测,比如同步荧光扫描( △λ = 0)专用拉曼仪器

  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专利成果[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,被授权中国发明专利,推进了分析化学方法更新。

国家发明专利《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;(3)双组份的光谱强度具有加合性

  4、合成“光散射探针”

  课题组提出“光散射探针”的新概念,亦即合成具有光学活性,能形成手性环境,有助于手性识别和手性分析的有机试剂。该研究工作获得2018年重庆市“自然科学奖”,目前正在继续开展 “手性环境污染物”的分析工作。

研究实例

  1、氧化石墨烯修饰的CdTe量子点共振瑞利散射法手性识别扁桃酸对映体

  上图中,氧化石墨烯修饰的CdTe量子点,RRS散射强度中等(上图绿线),加入D-扁桃酸,RRS强度大幅增加(蓝线),而加入L-扁桃酸,RRS强度基本无变化(红线)。设计不同浓度D-扁桃酸混合CdTe量子点的光谱试验,并做出线性图。在D-和L-扁桃酸共存体系并知道总浓度时,即可通过加入CdTe量子点,直接测定强度获得D-型扁桃酸含量,从而快速计算出L-扁桃酸含量。

  2、基于Maillard反应产物的荧光“turn-off-on”平台同时检测异抗坏血酸和酒石酸

  由文献所知,Maillard(美拉德)反应可做单一物质的检测;葡萄糖和精氨酸在高温反应釜里反应后,生成Maillard反应的产物,它是一个有很强荧光的混合体,如果加入高猛酸钾,荧光会猝灭(RRS会增强)。分别加入异抗坏血酸和酒石酸,荧光会恢复(RRS会减弱),加入酒石酸恢复得更多。利用这种荧光差异开关turn-off-on,可以实现同时测定异抗坏血酸和酒石酸的工作。

  3、基于Maillard反应产物的RRS“turn -on  -off”平台同时检测Cu(II)和阿斯巴甜(APM)

  同样,葡萄糖和精氨酸在高温反应釜里发生Maillard(美拉德)反应,生成Maillard反应的产物,它是一个有很强荧光的混合体,如果加入Cu(II),荧光猝灭,RRS增强;再加入阿斯巴甜(APM),荧光恢复,RRS又减弱。利用这种RRS差异开关turn-on-off,可以实现同时检测Cu(II)和阿斯巴甜(APM)。

   (说明: 这时利用葡萄糖和精氨酸发生Maillard(美拉德)反应,其产物可作荧光或RRS检测的平台, 前例是荧光差异turn-off-on, 同时检测异抗坏血酸和酒石酸;后例是RRS差异turn-on-off,可以同时检测Cu(II)和阿斯巴甜(APM)。这两个实验也说明荧光和RRS之间存在能量传递转移的关系。)

展望RRS的发展

  杨季冬最后展望了RRS未来的发展和课题组未来的规划。

  ①关于RRS与荧光的能量传递转移的基础研究。对目前实验观测到的现象需要光学理论的协作,加强光学基础理论研究,支撑在实验中的一些经验推测。

  ②关于改善RRS弱势的持续研究。正是因为RRS的三大弱点,抑制了RRS向前发展。课题组正在考虑加入表面活性剂等稳定剂、改善信号不稳定的弱点;加入环糊精等双亲型的分散剂,改善RRS只适宜水相的弱势;筛选高选择性技术,提升选择性差的弱势。

  ③关于RRS专用仪器的策划研究。杨季冬还期待国家设立相关仪器专项,研制RRS专用仪器。

  【采访后记】听完杨教授的介绍,小编有几点感悟:首先,正如“七彩光谱 万象更新”主题将展示的,光是如此平等地照射在我们每个人身上,当我们凝神关注它的任意一段或任意一种现象(如RRS)时,都会为它着迷。此外,在科学研究中,一些人忽视了、回避了那些“恼人”的干扰,可能只是因为我们还无法解释它们,真正让这些貌似荧光干扰的“恼人”峰重现天日并展示无穷魅力的,正是那些不放过细节,勇于发现真相的研究者。最后,RRS是否会大放异彩甚至成为主角?是先设计一款独立科学原理的仪器?还是更多的应用驱动?希望有研究者给出未来的答案……

  参考文献:

  [1]R F Pasternack, P J Collings. Science,1995, 269:935.

  [2]R F Pasternack, C Bustarnante, P J Collings, et al. J. Am. Chem. Soc., 1993, 115: 5393.

  [3]S P Liu, Z F Liu, and M Li. J.Southwest China Normal University(Natural Science),1996,21(5): 470.

  [4]S P Liu, Q Liu, Z F Liu, et al. Anal Chem Acta.1999, 379: 53.

  [5]X P Tan, J D Yang*. Chirality, 27(2015) 194–198.

  [6]J D Yang*, X P Tan, Y M Zhao. Chirality, 30(2018) 1173-1181.

  [7]X P Tan, J D Yang*, Q Li, et al. Analyst, 140(2015) 6748-6757.

  [8]J D Yang*, E N Wang, S Zhou. Talanta, 134(2015) 754-760.

  [9]J D Yang*, X P Tan, X N Zhang, et al. Spectro chimica Acta Part A,151(2015) 591-597.

  [10]Z Y Liu, J D Yang*, W W Zhu, et al. Luminescence, 32(2017), 800  -805.

  [11]X P Tan, Q Li, J D Yang*,et al. RSC Adv., 5(2015), 44173-44182.

  征稿启事

  自光谱技术出现以来,已迈过百年历史长河。中国的光谱分析技术自上个世纪50年代起,已经从跟跑发展到部分领域领跑。在这背后,老中青科学家三代科技工作者克服了严峻的挑战,付出了辛勤的汗水。

  第21届全国分子光谱学学术会议即将在2020年10月在成都的召开,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。

  活动时间:2020年光谱年会召开之前。

  展现形式:专访——图文展示,所有采访稿件最终汇聚成专题集中展示。

  采访对象:光谱界一线工作者。

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