光散射在光电检测中的应用2

光散射在光电检测中的应用（0211301陈顺2013210628）内容摘要光散射是光在电场中接触到微粒，微粒的分子转化为偶极子，在光波电场的振动下，偶极子向各个方向振动，发出与入射光振动频率相同诱导波，这种诱导波就是散射光。光电检测是利用物质的光电效应将光信号转换成电信号而实现对各种量的测量。散射光的应用广泛，根据胶体体系中的光散射理论，可用于判断是溶胶还是分子液体，利用共振光散射法做DNA的定量分析，瑞利光散射光谱法研究牛血红蛋白与镝（Ⅲ）的相互作用等。光散射的应用，现象明显，效果显著，在生活中的各方面都有重要意义。这篇论文从光散射中的拉曼散射和瑞利散射探讨其应用。关键词：光散射光电检测拉曼散射瑞利散射一、拉曼散射1.1拉曼散射：光通过介质时由于入射光与分子运动相互作用而引起的频率发生变化的散射。又称拉曼效应。拉曼散射是一个非弹性散射过程，在此过程中，光子被物质分子或晶格散射，能量发生改变。这种能量的变化表征了分子与化学键的特征，体现了物质的结构特征。1.2拉曼光谱的应用化学研究有机化学方面：主要是用来鉴定结构和分子相互作用，它与红外光谱互为补充，可以鉴别特殊的结构特征和结构基因。拉曼位移的大小、强度、拉曼峰形状以及拉曼峰的个数是鉴定化学键、官能团的重要依据。利用高分辨拉曼光谱，还可以作为分子结构体判断的依据。无机化学方面：在无机化合物中金属离子和配位体间的共价键常具有拉曼活性，由此拉曼光谱可提供有关配位化合物的组成、结构和稳定性等信息。另外，许多无极化合物具有多种晶体结构，它们具有不同的拉曼活性，因此用拉曼光谱能测定和鉴别红外光谱无法完成的无机化合物的晶体结构。催化化学：拉曼光谱能够提供催化剂本身以及表面上物种的结构信息，还可以对催化剂储备过程进行实时原位条件下（高温、高雅、复杂体系）的研究。因此在表征催化剂结构和性能，活性中心，催化剂表面反应吸附态、中间物，以及催化动力学等重要方面是不可替代的。材料科学薄膜结构材料拉曼研究：拉曼光谱已成为薄膜.检测和鉴定手段。可以研究单、多、微和非晶硅结构以及硼化非晶硅、金刚石、类金刚石等薄膜结构。超晶格材料研究：通过测量超晶格中的应变层的拉曼频移计算出应变层的应力，根据拉曼峰的对称性，知道晶格的完整性。半导体材料的研究：拉曼光谱可测出经离子注入后的半导体损伤分布，可测出半磁半导体的组分，外延层的质量，外延层混品德组分载流子浓度。生物学拉曼光谱是研究生物大分子的有力手段，由于水的拉曼光谱很弱、谱图又简单，故拉曼光谱可以在接近自然状态、活性状态下来研究生物大分子的结构及其变化。生物大分子的拉曼光谱可以得到许多宝贵的信息：（1）蛋白质二级结构：无规卷曲、α-螺旋、β-折叠（2）蛋白质主链构像：C-C、C-N伸缩振动（3）蛋白质侧链构像：苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸的侧链和后二者的构像及存在形式随其微环境的变化（4）对构像变化敏感的羧基、S-S、C-S等（5）生物膜的脂肪酸碳氢链旋转异构现象（6）DNA分子结构以及DNA与其他分子间的作用（7）研究脂类生物膜的相互作用、结构、组分等（8）生物膜中蛋白质与脂质相互作用提供重要信息高分子材料拉曼光谱可提供聚合物材料结构方面的许多信息。如分子结构与组成、立体规整性、结晶与取向、分子相互作用，以及表面和界面的结构等。从拉曼峰的宽度可以表征高分子材料的立体化学纯度。如无规立场试样或头-头，头-尾结构混杂的样品，拉曼峰是弱而宽，而高度有序样品具有强而尖锐的拉曼峰。研究包括：(1)化学结构和立构行判断：高分子中的C=C、C-C、S-S、C-S、N—N等骨架对拉曼光谱非常敏感，常用来研究高分子的化学组份和结构(2)组分定量分析：；阿曼散射强度与高分子的浓度成线性关系，给高分子组分含量分析带来方便(3)晶相与无定性相的表征以及聚合物结晶过程和结晶度的监测(4)动力学过程研究：伴随着高分子反应的动力学过程如聚合裂解水解和结晶等。相应的拉曼光谱某些特征谱带会有强度的改变(5)高分子取向研究：高分子链的各向异性必然带来对光散射的各向异性，测量分子的拉曼带退偏比可以得到分子构型或构象等方面的重要信息(6)聚合物共混物的相容性以及分子相互作用研究(7)复合材料应力松弛和应变过程的监测(8)聚合反应过程和据合物的固话过程监控食品中苏丹红玉和辣椒红的表面增强拉曼散射(SERS)光谱与激发鄄发射矩阵荧光光谱鉴别苏丹红系列染料是具有亲脂性偶氮结构的化工染色剂,被广泛用于如溶剂、油、蜡、汽油的增色以及鞋、地板等增光剂方面。毒理学研究发现,苏丹红具有致癌性。1995年欧盟等国家已禁止其作为色素在食品中添加,我国也将其列为非法食品添加剂。辣椒红是以红辣椒果实为原料萃取而制得的深红色油状液体色素,它实际是一组化合物组成的混合物,其主要成分为辣椒红素(Capsan鄄thin,质量分数约50%)、玉米黄质(Zeaxanthin,质量分数约14%)、茁鄄胡萝卜素(茁鄄Carotene,质量分数约13郾9%)等。目前,国家GB/T19681鄄2005中规定食品中苏丹红染料的检测方法为高效液相色谱法。此外,也常用气相色谱鄄质谱联用法和反相高效液相色谱法等对苏丹红进行检测,但其设备造价较为昂贵.。近年来,有研究组利用同步荧光法对苏丹红系列染料进行检测分析。为了满足对低浓度样品的快速、准确、简便,并达到定性或定量检测的目的,发展其它的检测方法对常规检测法进行必要的辅助测量非常必要。表面增强拉曼散射(SERS)光谱是一种基于分析物在金属纳米材料表面吸附,进而增强其拉曼信号的光谱检测手段。SERS作为一种超灵敏的检测工具,在对化学和生物分子的检测方面具有潜在的应用价值。激发鄄发射矩阵(EEM)荧光光谱是描述荧光强度随激发波长和发射波长变化的关系图谱,即三维荧光光谱。EEM荧光光谱法具有快速、高灵敏性、良好的选择性及对样品无损坏性的优点,其光谱不同区域对应不同官能团的特征峰,它在水中溶解有机污染物的检测、大气环境分析、古代丝织品有机染料分析检测、生物医学及药品分析检测等领域都有应用。该技术对复杂样品中不同组分的鉴定分析具有明显的优势。对苏丹红玉和辣椒红的拉曼特征峰和三维荧光峰进行了归属,利用SERS光谱及EEM荧光光谱对非法食品添加剂苏丹红玉进行检测,在波长为785nm激光的激发下,可观察到苏丹红玉与辣椒红较明显的SERS增强信号,其中苏丹红玉的SERS检测极限约为2郾48ng/mL;在二者混合溶液的SERS光谱中,当苏丹红玉浓度低于4郾1ng/mL时,其SERS光谱强度低于辣椒红的光谱强度。利用二者在EEM荧光光谱中特征峰位置的差异可清晰分辨出非法食品添加剂苏丹红玉成分,其苏丹红玉的乙醇溶液的EEM荧光光谱的检测限为5郾0滋g/mL。SERS光谱和EEM荧光光谱作为一种灵敏、高效、便捷的检测技术,在检测食品添加剂的非法成分中具有潜在的应用价值。二、瑞利散射2.1瑞利散射：入射光与散射光波长相等，散射粒子远小于入射波的散射。它是一种没有能量转移，仅光子的运动方向发生改变的弹性光散射。2.2共振瑞利散射：是指当瑞利散射位于或接近于分子吸收带时，电子吸收电磁波频率与散射频率相同，电子因共振而强留吸收光的能量并产生再次散射，引起散射强度的急剧增加。共振瑞利散射的特点：(1)灵敏度高:选择合适的测定条件，检测限可达到纳克级，从而为微量分析提供了一种新的手段(2)仪器简单：因为共振瑞利散射有很高的信号水平，因此可以用普通光源代替价格昂贵的激光作为光源(3)应用广泛：:可应用于蛋白质核酸等生物大分子测定的生命科学领域，又可用于金属元素和非金属元素分析以及纳米材料分析等环境和材料科学领域(4)拓宽了探针的范围：对于一些无颜色变化的有机、无机试剂探针及无荧光的探针，该技术都适用，这比分光光度法和荧光分析法具有更宽的应用范围，成为光谱分析方法中一个重要的补充2.3共振瑞利散射的应用：1993年Pasternack等人首次用共振瑞利光散射研究了卟啉类化合物在核酸上的聚集，从而首次将该技术与化学过程联系起来，而黄承志等人利用当卟啉在蛋白质或核酸上的聚合组装是产生的增强的共振光散射信号与生物大分子的浓度间的线性关系，建立了共振光散射技术定量测定生物大分子的新的分析方法。目前已广泛应用于无机离子、表面活性剂、蛋白质、核酸、糖类和药物的分析测定中。研究表明，并不是任何一种聚集状态都能产生共振瑞利散射光增强，只有那些可以生成聚集状态聚合粒子非常大且具有较大的摩尔吸光系数时，才能导致共振瑞利散射信号增强，这就是为什么卟啉的单体和二聚体或三聚体并不显示散射增强的原因。但寻找既能与生物大分子作用，其聚集状态又能满足上述条件的物质非常不易，故而这种方法的应用一定程度上收到了限制。共振瑞利散射法测定水产品中孔雀石绿孔雀石绿是一种常见的三苯甲烷类染色剂，广泛用于制陶业、纺织业、皮革业、食品业和细胞化学等领域．自1933年起孔雀石绿开始作为驱虫剂、杀菌剂、防腐剂在水产养殖中出现，而后又因为具有价格低廉、效果显著等优点，被广泛应用于预防与治疗各类水产动物的水霉病和对原虫的控制。但从上世纪90年代开始，国内外学者陆续研究发现，孔雀石绿及其代谢产物无色孔雀石绿（LMG）在鱼体内和环境中残留时间长，它们被确认具有高毒、高残留、致癌、致畸、致突变等毒副作用。因此，许多国家都将物禁用的兽药及其化合物清单枠中。但目前却在一些养殖厂仍然有使用，因此对于孔雀石绿的检测成为水产品检验的重要项目。已知的测定孔雀石绿的方法常见的有分光光度法、高效液相色谱法、液相色谱串联质谱法、表面增强拉曼散射法、电分析法、共振瑞利散射法等。这些方法各有优缺点，HPLC法操作通常较复杂，分光光度法则灵敏度不高。而共振瑞利散射法（RRS）作为一种新的分析技术，在药物等领域的分析测工作上已初步展开．当孔雀石绿与钨酸盐反应形成结合产物时，能引起共振瑞利散射（RRS）显著增强，并出现新的RRS光谱，在一定范围内孔雀石绿的浓度与散射增强（ΔI）呈正比，方法有较高的灵敏度，对孔雀石绿的检出限为１８畅１ng／mL。结束语光的散射现象在在物理、化学、材料科学、生物学、地矿学、石油化工、医药学等方面广泛应用，为科学研究奠定基础，便易人们的生活。但是同时许多也有相应的问题需要解决，例如如何解决共振瑞利散射中的选择性强，多重性，光纤中由于散射而导致的能量损耗等问题。参考文献[1]刘铁根光电检测技术与应用机械工业出版社[2]武光玲复杂结构光散射的射线跟踪方法及其应用[3]张莉常希俊瑞利光散射光谱法研究牛血红蛋白与镝的相互作用[4]喻丽红,刘忠芳,胡小莉,刘绍璞《共振瑞利散射法测定水产品中孔雀石绿》西南大学学报[5]刘春宇,王绍岩,徐抒平,徐蔚青《食品中苏丹红玉和辣椒红的表面增强拉曼散(SERS)光谱与激发鄄发射矩阵荧光光谱鉴别》[6]范翔，吕昌银,刘运美，共振瑞利散射法测定孔雀石绿中国卫生检验杂志[7]蔡泓，陈伟，岑小青水产品中孔雀石绿及其代谢物残留量快速检测的研究化学试剂[8]生物科学期刊数据库[9]董朝霞光散射技术在研究高分子溶液和凝胶方面的应用高分子通报[10]王惠英《光散射技术及其在药物生物大分子分析中的应用研究》分析化学