哪里有问题，哪里就能发《Nature》：不再怕水干扰！红外光谱迎来新曙光

来源：高分子科学前沿

谈到红外光谱，相信对于大多数的理工科研究生都不会陌生！尤其是化学专业或与化学联系较大专业的本科、研究生都会学习红外光谱。因为红光光谱目前最常用、简便且较低廉的一种表征方式（）。

红外光谱的定义及其分类

红外光谱（Infrared Spectroscopy，IR）是分子能选择性吸收某些波长的红外线，从而引起分子中振动能级和转动能级的跃迁，检测红外线被吸收的情况可得到物质的红外吸收光谱，又称为分子振动光谱或振转光谱。目前，按照波长通常将红外光谱分为三个区域：近红外区（0.75~2.5 μm）、中红外区（2.5~25 μm）和远红外区（25~300 μm）。一般而言，近红外光谱是由分子的倍频、合频而产生；中红外光谱属于分子的基频振动光谱；远红外光谱则属于分子的转动光谱和某些基团的振动光谱。此外，红外光谱还可分为发射光谱和吸收光谱两类。物体的红外发射光谱主要决定于物体的温度和化学组成，由于测试比较困难，红外发射光谱只是一种正在发展的新的实验技术，如激光诱导荧光。因此，最常用的是红外吸收光谱，其是由分子不停地作振动和转动运动而产生的。然而，分子振动是指分子中各原子在平衡位置附近作相对运动，多原子分子可组成多种振动图形。当分子中各原子以同一频率、同一相位在平衡位置附近作简谐振动时，这种振动方式称简正振动。

红外吸收光谱存在的问题

就小编而言，由于本科学的是化学，很早就接触了红外光谱。当时红外光谱的老师就告诉我们，红外样品必须干燥，不能含有水分且需要压碎样品。同时，我们可以看出红外吸收光谱是间接检测分子信号，因而其存在许多局限性，严格来说主要是以下两点：

（1）由于红外吸收光谱对光的透射性要求较高，使得在绝大多数情况下都要求样品的厚度不能超过10 μm，且样品被高度稀释以后，其灵敏度会大幅度下降。

（2）由于水对红外辐射具有强烈的吸收作用，所以样品必须经常浓缩或干燥，从而导致制备样品的过程复杂。此外，通常需要在样品中添加盐（KBr等）或者酸性水溶液来控制分子的状态，使得样品难以测试，尤其是关于生物类的样品，基本不能利用红外吸收光谱进行测试。

然而，当小编读研究生时，发现涉及生物类的样品，往往需要在水中，因而是无法用红外吸收光谱进行表征。但是，当我们的样品又必须含有水才能测试该怎么办？要是有办法让红外光谱不怕水该多好！

正所谓“有矛就有盾”。有问题，人们就会想办法解决问题，我们始终相信“办法总比问题多”。在2020年1月1日，德国慕尼黑大学的Ferenc Krausz和Ioachim Pupeza（共同通讯作者）联合在Nature上报道了一种依赖于分子发射红外辐射的新方法。利用该方法可以提高红外光谱的灵敏度，并解决红外光谱怕水分子干扰的问题，进而有助于红外光谱在生物医疗领域的应用。

作者利用飞秒级（1 fs=10-15s）超短脉冲中红外光照射样品，当特定频率的光被样品分子吸收后产生振动，并且在结束脉冲照射后，这些振动会仍旧继续，直到振动能在环境中完全耗散完，但其持续时间仅仅只有几皮秒（1  ps=10-12s）。然而，由于振动的原子带带有电荷，所以会产生电磁辐射，且其辐射频率与分子振动的频率相同，从而具有样品分子的指纹信息。这种红外光谱属于近红外光谱区域，利用电光采样的方法，可以对第二个超短光脉冲进行测量，即称为全局分子指纹（global molecular fingerprint）。

图1、一种获取红外光谱的新方法

与常规红外吸收光谱的区别

或许，对于非专业的读者，会问：“与常规红外光谱有什么区别呢？”其实，两者的主要区别是：常规红外光谱是间接检测，即是检测透射后的光谱；而该新型红外光谱是直接检测发射的光谱。因此，该方法提高了检测灵敏度且不怕水分子的干扰。具体而言，该新型红外光谱直接检测分子信号，是通过直接检测振动分子发出的指纹辐射，因而检测灵敏度更高且不存在水分子的干扰。同时，利用该方法时，所需样品浓度可以降低到常规方法的40倍，并且能有效的鉴别两种相似的化合物。

然而，当前的这种新技术的发展仍旧面临许多挑战，具体如下：

（1）需要增加用于照射样品的激光功率，以实现对水样品中的单分子进行检测。（2）需要增加可测量的光谱波长范围，从而可以发现蛋白质、脂质和核苷酸等在生物医学领域具有重要诊断意义的信号。（3）目前该新型红外光谱的造价昂贵，很难大规模应用。因此，需要开发出较低成本、更具市场竞争力和适用于商业化的红外光谱仪。

总之，相信随着科学技术的发现，科研人员的进一步努力，定会将该新型红外光谱推向市场，让更多的普通群众受益。一句话概括：未来可期！

参考文章：

[1] Field-resolved infrared spectroscopy of biological systems. Nature, 2020, https://www.nature.com/articles/s41586-019-1850-7.

[2] Infrared spectroscopy finally sees the light. Nature News and Views, 2020, https://www.nature.com/articles/d41586-019-03866-w.

[3] Birth of a class of nanomaterial . Nature, 2019, DOI: 10.1038/d41586-019-02835-7.