瑞利光散射及其在生物化学分析中的应用研究.doc

53 54 55 56 57 郭开仲. 用计算机处理不相容问题. 智囊与物元分析 ,1986 ,2 : 41～48 陈朝春 ,林复华. 可拓语言的研究方向与展望. 智囊与物元分析 ,1986 ,3 : 40～41 王万良 ,赵燕伟. 探索机械智能 CAD 系统的可拓决策方法. 系统工程理论与实践 , 1998 ,2 : 114～117 刘 巍. 物元神经网络. 见 : 蔡 文主编. 从物元分析到可拓学( 论文集) . 北京 : 科学技术文献出社 , 1995 , 311～317 杨国为. 物元动态系统分析. 青岛 : 青岛出版社 , 1997 (1998211202 收稿 ,1999202203 收修改稿) 瑞利光散射及其在生物化学分析 中的应用研究 李克安 3 童沈阳 马春琪 刘 瑛 ( 北京大学化学与分子工程学院 ,北京 100871 . 3 联系人) 摘要 对瑞利 ( Rayleigh) 光散射的理论基础及其在生物化学分析中的应用进行了较全面的介 绍. 其中讲述了共振增强的瑞利光散射和普通瑞利光散射之间的联系和区别 , 它们在生物大 分子测定方面的应用以及两者的特点和测定过程中的影响因素等. 通过比较瑞利光散射和二 级/ 反二级瑞利光散射 , 指出了瑞利光散射的测定优势. 最后对光散射技术提出了一些见解 并对其研究的意义和发展前景做出了一些评价和展望. 关键词 瑞利光散射 共振光散射 蛋白质 核酸 光散射是指一束光线通过介质时在入射光以外的方向上观测到光强的现象 , 它是电磁辐 射与物质间相互作用的一种表现形式. 分子在吸收能量较低的光子之后并不足以使分子中电子跃迁到电子激发态 , 而只使电子 激发至基态中较高的振动能级. 在较短的时间里 ( 约 10 - 12 s) , 电子将返回原来的能级 , 并伴 随着在不同方向上发出瑞利光散射 ( RLS) ,瑞利光散射是一类入射光与反射光波长相同的光 散射. 当分子在返回基态时并没有返回至原来的能级 ,而返回到稍高的或稍低的能级 , 引起 的散射光称为 Raman 光. 瑞利散射光和 Raman 光对荧光分析有显著的影响 ,因而常常成为荧 光分析方法灵敏度的主要限定因素1 . 早已发现 ,散射光并不是浑浊溶液的特有现象 ,各向同性的透明介质也有光散射. 1910 年 ,爱因斯坦 ( Einstern) 首先用宏观波动理论对后者进行了准确描述 ,以后关于光散射理论和 应用研究的文章不断. 以前 ,光散射主要用在大分子 (生物大分子) 的结构及分子量测定等物 理性质方面 , 由于光散射实验可以提供有关粒子大小 、形状等方面的信息 , 所以光散射技术 在胶体化学和高分子溶液研究方面有了广泛的应用. 但在分析化学领域 , 散射光常常作为分 析测定中的影响因素需采取措施加以避免或减小. 自从 1993 年 Pasternack 等人2 首次用共振 光散射技术对卟啉类化合物在核酸上的聚集进行了研究之后 , 揭开了光散射技术在分析化学 方面应用的序幕并使光散射技术逐步成为仪器分析方面的重要补充. 下面将评述瑞利光散射 在生物化学分析方面应用的近期进展 , 以及这种实验技术的特点和影响因素. 最后展望该技 术在今后的发展 、应用前景 , 以期对生物大分子微量测定方面的研究有所帮助. 1 瑞利光散射的理论基础及其在生物化学分析中的应用 1 . 1 瑞利光散射的理论基础 80 年代以前 , 关于瑞利光散射的理论和应用都集中在没有吸收的波长范围内 , 此时光散 射强度与λ- 4成正比. 实际上 , 所有的吸收过程都与光散射紧密相连 , 总有极少量的被吸收 的光又以光散射的形式发散出来 , 这个现象被称为“共振增强的瑞利光散射”, 它从最初被预 见3 到第 1 次发现4 又经历了 41 年. Miller 等人5 首先于 1978 年用宏观波动理论对最大吸 收附近的瑞利光散射进行了理论处理 , 在此基础上 ,Anglister 和 Steinberg 进行了修正 ,以包括 溶质最大吸收处的散射光6 ,上述理论不仅与大量实验事实相吻合6 ～11 , 而且为研究溶质分 子的聚集状态奠定了理论基础. 瑞利光散射理论认为 : 当一束单色光通过均匀各向同性的透明介质时 ,散射光的强度与 λ- 4成正比 ,但当入射光接近分子的吸收带时 ,散射光强度将会增强而偏离与λ- 4的对应关系 , 即产生共振增强的瑞利光散射. 散射起因于溶液的浓度涨落 ,而浓度涨落直接与浑浊度τc 相 关 ,τc 表示为6 τc = 32π3 n2 [ ( 5 n/ 5 c) 2 + ( 5 K/ 5 c) 2 ]1