共振散射光谱技术在环境分析及蛋白质分析中的应用

简家武，黄艳梅，姚东梅

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（河池学院化学与生物工程学院微生物及植物资源开发利用广西高校重点实验室，广西 河池 546300）

摘 要：随着科学技术水平的高速发展，环境污染问题也日益严重，这也是世界各个国家所面临的严峻问题之一。现代科学技术日益发展，面对监测分析对象的复杂性和污染物的多样性，要提高反应的灵敏度、准确性和选择性，以满足环境分析的要求。共振瑞利散射技术具有灵敏度高、选择性好的特点，将在环境分析和蛋白质分析中得到广泛的应用。关键词：共振瑞利散射；环境分析；蛋白质分析中图分类号：O433.4 文献标志码：A 1 前言

电磁辐射的散射是一种物理现象。对光来讲，当按一定方向传播的光子与其他粒子碰撞时，会改变其传播方向，而且方向的改变在宏观上具有不确定性，这种现象称为光的散射。光的散射一般分为Tyndall（丁达尔）散射和分子散射两类[1]。Tyndall散射是指介质中粒子直径（如乳浊液、悬浮液、胶体溶液等）等于或大于入射光波长时所产生的散射，其特点是光的波长不发生改变，即散射光波长与入射光的波长一样。

当光子与分子发生弹性碰撞的相互作用时，相互间没有能量交换，这时所发生的散射称为瑞利散射；当光子与分子发生非弹性碰撞的相互作用时，相互间有能量交换，使光子的能量增加或减少，这时将产生于入射光波长不同的散射光，这种散射称为拉曼（Raman）散射。共振散射（resonance scattering）是指当入射光波长接近待测物的吸收带时，该物质的散射会大大增强。文章重点介绍共振瑞利散射在环境分析及蛋白质分析中的研究应用。

2 共振瑞利散射在在环境分析及蛋白质分析中的研究应用

2.1 共振瑞利散射光谱技术概述

瑞利散射自发现以来，已建立了较为完善的理论体系，并得到了广泛地应用。尽管瑞利散射技术的广泛应用为研究工作提供了大量的信息，但该技术还存在信号水平低以及缺乏选择性的不足，了它的应用。

在瑞利散射实验中，若选择入射光波长接近待测物的吸收带，由于电子吸收电磁波的频率与其散射频率相同，电子因共振而强烈吸收散射光的能量发生再次散射，其散射强度通常较单一的瑞利散射提高几个数量级，并且不再遵守散射强度与波长的四次方成反比的瑞利散射定律。这种吸收-在散射的过程称为共振瑞利散射（resonance Rayleigh scattering，简称RRS）或共振光散射（resonance light scattering，简称RLS）。它的出现大大地弥补了瑞利散射的不足，并使光散射技术得到了新的研究和应用。2.2 共振瑞利散射光谱分析应用

1993年，Pasterna等[2]首次使用荧光分光光度计，利用卟啉化合物在核酸分子上堆积时产生的增强共振散射信号与生物大分子浓度间的线性关系，建立共振瑞利散射光谱技术测定生物大分子的新方法。此后，共振瑞利散射光谱技术由于其灵敏、快速、简便等特点，在分析化学领域得到迅速的发展，并在环境分析、蛋白质分析、核酸分析等领域得到广泛应用。

1）在环境分析中的应用。共振瑞利散射技术由于其灵敏、快速、简便等特点也被广泛应用于环境分析中。金属离子、

——————————————基金项目： 2016年度广西高校中青年教师基础能力提升项目

（KY2016LX288）；广西高校微生物及植物资源开发利用重点实验室2016年开放课题（2016HL003）；2016年国家级大学生创新创业训练计划立项项目（201610605022）

作者简介： 简家武（1994-），男，广西北海人，研究方向：光谱分析。

文章编号：1672-3872（2017）10-0011-02

酸根离子、表面活性剂、农药、酚、多氯联苯等由于本身带

有一定的电荷，在适宜的条件下，它们能与带相反电荷的某些物质通过静电引力，疏水作用力和电荷转移作用形成离子缔合物微粒而产生强烈的共振瑞利散射信号，据此可建立痕量金属离子、酸根离子、表面活性剂、农药、酚、多氯联苯等共振瑞利散射光谱分析法，检测环境中的污染物。

Cao等[3]研究了二硫代氨基甲酸盐（DTC）修饰Ag纳米粒子作为共振光散射探针同步传感Pb2+和半胱氨酸的可行性。这个方案基于DTC强烈的金属亲和力，使得Pb2+能够诱导DTC-Ag的聚集，从而使RLS信号增强。线性响应范围为0.01～60μmol/L，检测限为4nmol/L。Lin等[4]报道了O3与H3BO3-KI溶液反应得到I-3，其与罗丹明6G发生反应形成相关的粒子，在418nm处一个共振瑞利散射峰，检测范围为0.25～25μmol/L，O3检测限为0.07μmol/L。Zhu等[5]采用3-氨丙基三乙氧基硅烷协助合成AgNCs，聚乙烯亚胺为模板，使用局部表面等离子体共振光散射技术检测Hg2+。这种选择性和灵敏的方法的发展，预示在环境系统中有着更多的应用机会。Yue等[6]报道了一个可重复利用的传感方案，采用磁性纳米粒子和含胸腺嘧啶的核酸适配体在实际水样中检测Hg2+，基于“开启”共振光散射。

除重金属污染外，有机化合物污染也对人们的生活环境造成了重大的困扰。近年来，检测有机污染物方法很多，共振瑞利散射光谱法由于其简便、灵敏等特点逐渐被人们引入到有机污染物的检测中来。Wei等[7]报道了一种检测绿茶叶子中茶多糖（TPS）的新方法。该法在氯化十六烷基吡啶（CPC）-NaOH系统的存在下，基于TPS的共振光散射（RLS）的增强。在最佳条件下，随着TPS的加入，CPC的RLS强度大大增强。Jiang等[8]报道了一种基于纳米银修饰适配体获得共振散射探针检测三聚氰胺的方法，并基于探针对Cu（II）-葡糖糖反应的催化效果建立纳米催化共振散射分析方法检测三聚氰胺，线性范围为0.02～1.06μg/L。Chen等[9]建立了一个共振光散射（RLS）放大系统，基于联苯胺（BD）加入后，钼酸铵（AM）-十六烷基三甲基溴化铵（CTMAB）体系的RLS信号增强。实验发现，在CTMAB存在时，地表水中微量的BD可诱导AM-CTMAB体系的RLS强度发生明显的变化。该法线性范围为0.005～1.0ng/mL，检测限为0.08ng/mL。Gao等[10]报道一个监测碳水化合物-蛋白质相互作用的高通量工具。制备了碳水化合物或糖蛋白微阵列，通过固定氨基改性碳水化合物在醛衍生的载玻片或者糖蛋白在环氧衍生的载玻片上，然后通过使用微阵列分别开展凝集素结合实验。互相作用事件的标志是随着银沉积，金纳米粒子的吸附造成信号增强。金纳米粒子的附着是通过标准的抗生物素蛋白生物素化学生成。

2）在蛋白质分析中的应用。蛋白质是生命的物质基础，蛋白质的定量分析是生物化学研究、临床检验、药物、食品质量分析中常见的项目。近年来，共振瑞利散射技术广泛地用于蛋白质的分析测定。

12 Scientific Research科研课题Zhang等[11]报道了一种利用金纳米棒（GNR）的表面等离子体共振散射特性的新型方法，用于检测肿瘤抗原CA125。首先制备了GNR-anti-CA125复合物，加入CA125后，GNR-anti-CA125与CA125发生免疫反应。线性范围1.0～80U/mL，检测限为0.4U/mL。Wu等[12]报道了一种检测痕量肝素的散射方法。在最佳条件下，通过肝素阴离子和阳离子配位化合物[CoL]2+的相互作用形成三元络合物。结果在280nm和550nm处分别出现新的特征共振瑞利散射（RRS）峰，RRS信号显著增强。线性范围为0.05～1.60μg/mL，检测限为1.3ng/mL（550nm）。

Xiao等[13]

研究了ZnO＃ZnS量子点异质结（O＃SQDs）在黄酮类化合物上的结合亲和力对BSA的影响。研究表明，随着O＃SQDs浓度的增加，BSA的荧光强度显著下降。当加入痕量BSA到O＃SQDs中时，RLS显著增强。Chen等[14]报道了一种用金纳米粒子作探针的高灵敏和选择性RLS技术检测谷胱甘肽（GSH）。此分析依赖于金纳米粒子的距离-依赖光学特性，谷胱自组装到金纳米粒子上以及2:1谷胱甘肽-Cu2+的相互作用。无Cu2+时，谷胱甘肽能快速的诱导金纳米粒子的聚集，从而导致RLS显著增强，溶液颜色发生变化。线性范围为40～280nmol/L，检测限为10nmol/L（见图1）。Cui等[15]

研究发现，在pH0～1.0的HCl介质中，12-钨磷酸（TP）能与维生素B1（VB1）发生反应，形成1:3的离子缔合物，导致共振瑞利散射新光谱的出现，且强度显著增强。因此建立一个检测VB1新方法，线性范围为0.25～1.75μg/mL，检测限为0.94ng/mL。应用于检测尿样中的VB1。Tang等[16]报道了一种反相HPLC与RRS联用的新方法，用于检测大鼠血浆中的氨基苷类抗生素（ISP）。该法证明有较好的线性关系，并需要更短的分析时间。

图1 谷胱甘肽测定原理图

3 展望

综上所述，共振瑞利散射技术在环境分析和蛋白质分析中发展迅速，越来越受到人们的关注，与其它光谱法相比，它具有更优越的检测性能：

1）仪器简单：相对于使用激光作为光源的拉曼光谱，共振瑞利散射光谱只需要用普通光源即可，并且具有很高的信号水平，检测中，只需要使用普通荧光光度计对物质进行同步扫描即可得到完整的共振瑞利散射光谱，仪器设备较简单。

2）灵敏度更高：相对于紫外-可见光谱法及普通瑞利散射技术，其灵敏度得到大大提高，可以检测到浓度更低的溶液。共振瑞利散射技术的灵敏度主要取决于测定时的条件，如果选择合适的测定条件，用该方法测定金属离子和蛋白质，检测限可达到纳克级。

3）选择性更好：由于散射强度不再与入射光波长的四次方成反比，散射光谱特征直接受到吸收光谱的影响，因此每种物质都有自己特定的散射峰，造成干扰的可能性更小，因此具有较好的选择性。

4）精密度更好：该法经过多年的研究已趋于成熟，方法稳定、重现性好，具有较高的精密度。

5）应用广泛：目前，共振瑞利散射技术已广泛应用于环境分析中重金属离子及有机物的检测，以及蛋白质、核酸等生物大分子检测，更多更广的研究领域正在被大家研究发现。

2017年5月下参考文献：

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（收稿日期：2017-5-19）