全 文 ：第 １１ 卷第 ６ 期
２０１３ 年 １１ 月
生　 物　 加　 工　 过　 程
Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂｉｏｐｒｏｃｅｓｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｖｏｌ． １１ Ｎｏ． ６
Ｎｏｖ． ２０１３
ｄｏｉ：１０． ３９６９ ／ ｊ． ｉｓｓｎ． １６７２ － ３６７８． ２０１３． ０６． ０１６
收稿日期：２０１３ － ０１ － １８
基金项目：国家自然科学基金（２０５７６０５５）
作者简介：郭伟平（１９８７—），男，山西长治人，硕士研究生，研究方向：光电传感技术及电子测试；王　 高（联系人），副教授，Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｊａｙｄａｎｎｙ２００６
＠ １６３． ｃｏｍ
共振瑞利散射测试血清蛋白酸碱度影响的探讨
郭伟平，王　 高，周汉昌
（中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室 电子测试技术国家重点实验室，太原 ０３００５１）
摘　 要：提出了一种基于共振瑞利散射（ＲＲＳ）原理测量人体血清蛋白的新方法。 在缓冲溶液的作用下，把配制好的
人体血清蛋白稀释液按比例与四羧基酞菁锌混合，经过化学作用后在波长为 ４００ ｎｍ左右蓝色波段强光照射下，散射
出 ４８０ ｎｍ左右的共振瑞利散射光强信号。 考察在不同 ｐＨ对共振瑞利散射光强信号与混合物中的血清蛋白反应线
性关系的影响。 结果表明，ｐＨ在 ６􀆰 ０ ～８􀆰 ０范围内混合溶液共振瑞利散射光强信号与血清蛋白的线性关系良好。
关键词：共振瑞利散射；血清蛋白质；四羧基酞菁锌
中图分类号：ＴＮ２４７　 　 　 　 文献标志码：Ａ　 　 　 　 文章编号：１６７２ － ３６７８（２０１３）０６ － ００７８ － ０４
Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｈｕｍａｎ ｓｅｒｕｍ ａｌｂｕｍｉｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ
Ｒａｙｌｅｉｇｈ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐＨ
ＧＵＯ Ｗｅｉｐｉｎｇ，ＷＡＮＧ Ｇａｏ，ＺＨＯＵ Ｈａｎｃｈａｎｇ
（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆ Ｄｙｎａｍｉｃ
Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｎｏｒｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｉｎａ，Ｔａｉｙｕａｎ ０３００５１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｈｕｍａｎ ｈｅｍｏｇｌｏｂｉｎ ｂｙ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｒａｙｌｅｉｇｈ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ （ ＲＲＳ） ｗａｓ
ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ． Ｉｎ ｂｕｆｆｅｒ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｈｕｍａｎ ｈｅｍｏｇｌｏｂｉｎ ａｎｄ Ｚｎ（Ⅱ）⁃ｔｅｔｒａｃａｒｂｏｘｙ⁃ｐｈｔｈａｌｏｃｙａｎｉｎｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｗａｓ
ｉｒｒａｄｉａｔｅｄ ｂｙ ４００ ｎｍ ｌｉｇｈｔ． Ｉｔ ｃｏｕｌｄ ｓｃａｔｔｅｒ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｒａｙｌｅｉｇｈ ｓｃａｔｔｅｒｅｄ ｌｉｇｈｔ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｓｉｇｎａｌ ｏｆ ａｂｏｕｔ ４８０
ｎｍ． Ｔｈｅ ｌｉｎｅａｒ ｒｅｌａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｒａｙｌｅｉｇｈ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｌｉｇｈｔ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｓｉｇｎａｌ ａｎｄ ｔｈｅ
ｈｅｍｏｇｌｏｂｉｎ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ａｔ ｐＨ ６􀆰 ０⁃８􀆰 ０．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｒａｙｌｅｉｇｈ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ； ｓｅｒｕｍ ｐｒｏｔｅｉｎ；Ｚｎ（Ⅱ）⁃ｔｅｔｒａｃａｒｂｏｘｙ⁃ｐｈｔｈａｌｏｃｙａｎｉｎｅ
　 　 蛋白质是一切生命活动的重要基础之一，其重要
作用包括维持组织细胞的生长、更新和修补，参与多
种重要的生理活动。 机体中血清蛋白包含的总蛋白、
白蛋白、球蛋白的正常范围分别为（６０ ～ ８０）、（４０ ～
５５）和（２０ ～３０） ｍｇ ／ ｍＬ［１ － ２］。
共振瑞利散射 （ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｒａｙｌｅｉｇｈ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ，
ＲＲＳ） 是指当瑞利散射位于或接近于物质的分子吸
收区时，电子的吸收光频率与散射光频率相同，电子
在共振加剧的情况下吸收光波的能量并会产生散射
光，这种吸收光并且再散射的过程称为共振瑞利散射
或共振增强性瑞利散射［３ － ５］。 因其灵敏度高、操作简
便的优点，逐渐用于蛋白质浓度成分的分析。
本文中笔者利用酞菁化合物与蛋白质溶液相
结合并施加蓝色波段激光照射激励，能产生出一定
范围内正比于蛋白质浓度的共振瑞利散射强度的
光信号，根据光强信号可以反推出蛋白质混合溶液
浓度［６ － ８］，并进一步考察不同 ｐＨ 的混合溶液对实
测实验结果的影响，以期为其实际应用提供数据。
１　 材料与方法
１． １　 试剂
４ 羧基邻苯二甲酸酐，晶纯实业有限责任公
司；ＺｎＣｌ２、钼酸铵、尿素、丙酮，天津市大茂化学试剂
厂；无水 Ｃ２Ｈ５ＯＨ、ＮａＯＨ、浓 ＨＣｌ，太原化肥厂化学试
剂厂；上述试剂全为分析纯试剂（ＡＲ）。
１． ２　 仪器
ＵＶ２３００型紫外 可见分光光度计（大连中汇达
科学仪器有限公司），傅里叶红外光谱仪（德国 Ｂｒｕｋｅｒ
公司），ＪＪ １型精密增力电动搅拌器（常州澳华仪器
有限公司），ＤＺＦ ６０２０型真空干燥箱（巩义市英峪予
华仪器厂），加样枪（美瑞泰克科技有限公司）。
１． ３　 实验方法
当用酞菁化合物与蛋白质溶液相结合并施加
蓝色波段激光照射激励时，将会产生出一定范围内
正比于蛋白质浓度的共振瑞利散射强度的光信号，
由此根据光强信号可以反推出蛋白质混合溶液
浓度［６ － ８］。
在混有血清蛋白时产生的共振瑞利散射强度
可表示为
　 　 　 Ｉ（蛋白） ＲＲＳ ＝ Ｉ０
（２􀆰 ３０３） ２ × １ ０００ｃ（蛋白）ｎ２
ＮＡ
　 　 　 　 　 　
ε２（λ０）
４λ２０
＋ １π ∫
∞
０
ε（λ）
λ２０ － λ２
ｄλ[ ]２{ }Ｃｖ
（１）
式中：Ｉ０ 为入射光强度， ｃ 为溶液的浓度，ｎ 为纯溶
剂的折光指数，λ０ 为激励波长，ＮＡ 为阿氏常数，λ
为分子吸收带中的任意波长，ε（λ）为所研究波长处
的分子摩尔吸光系数，ε（λ０）为激励波长处的分子
摩尔吸光系数，Ｃｖ 为光散射增加的卡巴纳因子。 在
这里假设溶液发生变化时 ε（λ）相同，就有
Ｉ（混合液） ＲＲＳ
Ｉ（蛋白） ＲＲＳ
≈ ｃ（混合液）ｃ（蛋白） （２）
　 　 而血清蛋白测试系统包括光学系统、机械系统
和电路系统。 光学系统主要由激光光源、准直透
镜、试样室、滤光片、聚光透镜等组成，机械系统把
激光器、试样池和散射光接收单元有效固定在一
起。 电路系统主要由光电放大电路、信号处理电
路、信号显示电路组成。 利用金属酞菁化合物测定
蛋白质浓度的总体框架示意见图 １。
图 １　 血清蛋白测量装置系统总体示意
Ｆｉｇ． １　 Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｓｅｒｕｍ ｐｒｏｔｅｉｎ
ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ
散射光接受聚光透镜将散射光信号汇聚到光
电放大器的光电探测器上，通过低噪声光电探测器
将光信号转换为电压信号，再由运算放大器进行信
号的第二级放大，变成幅值足够大便于检测、显示
的信号。 微弱光信号检测原理框如图 ２。
图 ２　 微弱光信号检测原理框
Ｆｉｇ． ２　 Ｂｌｏｃｋ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ
ｏｆ ｗｅａｋ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｉｇｎａｌ
由于本测试系统采集到的信号小，输入信噪比
较低，所以需要采用低噪声高信噪比光电信号前置
放大器（图 ３）。 电路部分包括电流 ／电压前置放大
电路、电压放大电路、滤波电路和可调增益放大 ４
部分［９］。
图 ３　 光电探测电路
Ｆｉｇ． ３　 Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ
２　 结果与讨论
２． １　 四羧基酞菁锌的合成
将 ０􀆰 ０６ ｍｏｌ ４ 羧基邻苯二甲酸酐、 １０ ｍｏｌ
９７　 第 ６ 期 郭伟平等：共振瑞利散射测试血清蛋白酸碱度影响的探讨
ＮａＣｌ、０􀆰 １ ｍｏｌ钼酸铵、０􀆰 ５ ｍｏｌ尿素、１０ ｍｏｌ ＺｎＣｌ２混
合，经搅拌研磨后置于高温炉（２００ ℃）充分反应
３ ｈ，然后取固体粉末与 １００ ｍＬ 蒸馏水在烧杯中混
合煮沸并过滤。 将生成物加入至 ５０ ｍＬ的 ２０％ （体
积分数）ＨＣｌ 溶液中。 再将分离出来的固体依次用
沸水、乙醇和丙酮洗涤，干燥。
将干燥后的产物加入 ＮａＯＨ溶液，水解 １０ ｈ 后
用水稀释反应液，过滤除去不溶物，再用 ６ ｍｏｌ ／ Ｌ盐
酸调节滤液 ｐＨ≤３，静置，得到絮状沉淀，离心分离
后，倾倒出上层清液，用沙漏抽滤，再用甲醇洗
４ ～ ５ 次，真空干燥即得到产物四羧基酞菁锌。
２． ２　 酸碱度对电压值的影响
将试验系统按照图 １ 搭建好后，依 ｐＨ 不同分 ３
组将不同浓度的人血清蛋白溶液和酞氰化合物相混
合，分别编号 Ａ、Ｂ 和 Ｃ。 Ａ组混合溶液为原始溶液，
其 ｐＨ固定，不受实验酸碱度影响；Ｂ组混合溶液加入
ＨＣｌ，并用 ｐＨ试纸标定不同酸度的混合液；Ｃ 组混合
溶液加入 ＮａＯＨ溶液，同理用 ｐＨ试纸标定不同碱度
的混合溶液。 得到３组不同 ｐＨ下混合溶液的实验数
据。 采用配制的 １􀆰 ０ ×１０ －２ ｍｏｌ ／ Ｌ的四羧基酞菁锌溶
液，测量了 ５次数据，结果见表 １ ～表 ３。
表 １　 Ａ组溶液实验测试电压值
Ｔａｂｌｅ １　 Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｖｏｌｔａｇｅ ｄａｔａ ｏｆ ａ ｇｒｏｕｐ ｓｏｌｕｔｉｏｎ
ρ（人血清蛋白） ／
（ｍｇ·ｍＬ － １）
电压值 ／ ｍＶ
５０ ４０ ３０ ２５ ２０
１ ３１１ ２７０ ２４５ ２１０ １８８
２ ３１３ ２６９ ２５０ ２０９ １９０
３ ３０５ ２７１ ２４３ ２０８ １８９
４ ３０６ ２７０ ２４７ ２１６ １９０
５ ３０４ ２６９ ２３８ ２１４ １８７
表 ２　 Ｂ组溶液（酸性溶液）对实验测试电压值的影响（ｐＨ ＜７）
Ｔａｂｌｅ ２　 Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ Ｂ ｓｏｌｕｔｉｏｎ （ｐＨ ＜７） ｏｎ
ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｖｏｌｔａｇｅｓ
ρ（人血清蛋白） ／
（ｍｇ·ｍＬ － １）
电压值 ／ ｍＶ
５０ ４０ ３０ ２５ ２０
６􀆰 ０ ２５０ ２２０ １６０ １４０ １０１
５􀆰 ５ ２００ １８０ １３２ １２０ ８３
５􀆰 ０ １５０ １３４ １０１ ９０ ６４
４􀆰 ５ ９６ ９４ ５０ ４０ １９
４􀆰 ０ ３０ ２５ １５ ８ ０
表 ３　 Ｃ组溶液（碱性溶液）对实验测试电压值的影响（ｐＨ ＞７）
Ｔａｂｌｅ ３　 Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ Ｃ ｓｏｌｕｔｉｏｎ （ｐＨ ＞７） ｏｎ
ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｖｏｌｔａｇｅｓ
ρ（人血清蛋白） ／
（ｍｇ·ｍＬ － １）
电压值 ／ ｍＶ
５０ ４０ ３０ ２５ ２０
８􀆰 ０ ３０９ ２６９ ２４３ ２０８ １８６
８􀆰 ５ ３０６ ２６４ ２４０ １９８ １７９
９􀆰 ０ ２９５ ２５３ ２２９ １８６ １７０
９􀆰 ５ ２８６ ２４６ ２１８ １７４ １５９
１０􀆰 ０ ２７４ ２３０ ２００ １６３ １４８
２． ２． １　 中性环境
从 Ａ组数据得到不同浓度的血清蛋白浓度和
电压值呈现良好的线性关系，结果如图 ４ 所示。 拟
合得到不同浓度下 １􀆰 ０ × １０ － ２ ｍｏｌ ／ Ｌ 的四羧基酞菁
锌溶液反应线性关系，见式（３）。
ｙ ＝ ４􀆰 ７７２ １ ｘ ＋ ８４􀆰 ９８８　 （Ｒ２ ＝ ０􀆰 ９６９ １） （３）
图 ４　 １􀆰 ０ ×１０ －２ ｍｏｌ ／ Ｌ的四羧基酞菁锌 Ａ组
溶液数据拟合曲线
Ｆｉｇ． ４　 Ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｆｉｔｔｉｎｇ ｄａｔａ ｃｕｒｖｅ ｏｆ Ｚｎ（Ⅱ） ⁃
ｔｅｔｒａｃａｒｂｏｘｙ⁃ｐｈｔｈａｌｏｃｙａｎｉｎｅ （ｓｏｌｕｔｉｏｎ Ａ）
２． ２． ２　 酸性环境
从表 ２ 可知，随着混合溶液酸度增强，探测到电
压值急剧变化，原因在于四羧基酞菁锌是配阳离
子，酸性太高破坏了离子缔合反应的进行，严重破
坏了混合溶液的介质稳定性，在 ｐＨ ４􀆰 ０ 时几乎得不
到信号输出。
２． ２． ３　 碱性环境
从表 ３ 数据可知，随着碱度的增加，表中的电压
输出仍然趋于稳定，只是在 ｐＨ（１０􀆰 ０）时混合溶液
的输出电压才开始出现一定跳变。
３　 结　 论
采用医用微量加液枪准确加取混合液，排除人
０８ 生　 物　 加　 工　 过　 程　 　 第 １１ 卷　
为偶然因素对系统带来的误差。 经过反复多次试
验，最后在以 １􀆰 ０ × １０ － ２ ｍｏｌ ／ Ｌ 的四羧基酞菁锌溶
液作为试样液时，线性相关系数达到 ０􀆰 ９６９ １。 而在
酸性影响的情况下，混合溶液离子合成受到影响，
共振瑞利散射条件被破坏，测试系统失去稳定性，
相反碱性条件对溶液大分子离子的合成没有必然
的影响。 该测量系统完成了准确、快速测量人血清
蛋白的目的，完成了探讨酸碱度对共振瑞利散射测
量人血清蛋白影响的工作。
参考文献：
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［ ８ ］ 　 Ｌｉｕ Ｊ Ｆ，Ｌｉ Ｎ Ｂ，Ｌｕｏ Ｈ Ｑ，ｅｔ ａｌ． Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｒａｙｌｅｉｇｈ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ，
ｓｅｃｏｎｄ⁃ｏｒｄｅｒ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ａｎｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｏｕｂｌｉｎｇ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｓｐｅｃｔｒａ
ｆｏｒ ｓｔｕｄｙｉｎｇ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｅｒｙｔｈｒｏｓｉｎｅ ｗｉｔｈ Ｆｅ（ｐｈｅｎ） ２ ＋３ ａｎｄ
ｉｔｓ ａｎａｌｙｔｉｃａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ［ Ｊ］ ． Ｓｐｅｃｔｒｏｃｈｉｍ Ａｃｔａ Ａ：Ｍｏｌ Ｂｉｏｍｏｌ
Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃ，２０１１，７９ （３）：６３１⁃６３７．
［ ９ ］ 　 王媚，韩权，杨晓慧，等． 共振瑞利散射法测定人体尿液和血
浆中氟罗沙星［Ｊ］ ．分析试验室，２０１０，２９ （１１）：６５⁃６８．
１８　 第 ６ 期 郭伟平等：共振瑞利散射测试血清蛋白酸碱度影响的探讨