1800年，兩個世紀前的某一天，發現了天王星的英國著名科學家William Herschel正在對太陽進行例行的天文觀測，突然感覺有一種光線使他的眼睛發熱，并感覺非常不適。于是，大神William Herschel有點不開心，決意要把這種光線找出來，過濾掉，然后就發現了紅外線（波長760 nm-1 mm）。時至今日，這個意外的發現已經為人類社會帶來了無可限量的作用，從探索宇宙的奧秘，火星探測、到破譯蛋白質的分子機理、疾病檢測、食品檢測和法醫調查，無一不有紅外光譜的足跡。分子中的原子會不停發生振動，在紅外光的照射下，當分子獲得與之振動頻率相同的紅外光振動時，就會吸收這部分特定頻率的紅外光，從基態躍遷到更高能級。根據紅外線被吸收的情況而得到分子的光譜，就稱為紅外吸收光譜。由于每個分子的振動頻率不同，吸收的紅外光也不同。因此，樣品的紅外吸收光譜可視作分子的指紋光譜。
正是因為如此，紅外吸收光譜間接檢測分子信號的根本性原理也造成了許多局限性，主要包括以下兩點：1）紅外吸收光譜對光的透射要求較高，使得樣品厚度在大多數情況下都小于10 μm，樣品被高度稀釋，靈敏度較低。2）水對紅外輻射具有強烈吸收，樣品必須經常濃縮或干燥，導致制樣過程繁瑣。更重要的是，很多需要向樣品中添加鹽或者酸的水溶液來控制分子狀態的樣品難以測試，尤其是生物樣品的紅外分析難以為之。自打進入實驗室以來，我們就經常面對師兄師姐的教導，紅外樣品必須要干燥才能測試，不能含有水分，否則就會有水分子的干擾。但是，如果我的樣品非得有水才能測試怎么辦？有沒有辦法讓紅外不怕水呢？2020年1月1日，德國慕尼黑大學Ferenc Krausz和Ioachim Pupeza等人提出了一種依賴于分子發射紅外輻射的新方法，有望提高紅外光譜靈敏度，并解決紅外光譜怕水分子干擾的問題，為紅外光譜在生物醫療領域的廣闊應用開辟新天地。研究人員采用飛秒級超短脈沖中紅外光照射樣品，當特定頻率的光被樣品分子吸收產生振動后，這些振動在脈沖結束后依然繼續，并持續到振動能量消散到環境中為止，時間大概有幾皮秒。由于振動的原子帶有部分電荷，所以振動會產生電磁輻射，而所產生的輻射又與分子振動具有相同的頻率，因此攜帶了樣品分子的指紋信息。這種紅外光譜是在近紅外光譜范圍內，通過電光采樣的方法，對第二個超短光脈沖進行測量，被研究團隊稱為全局分子指紋（global molecular fingerprint）。這種方法和常規紅外吸收最主要的區別在于：常規紅外光譜檢測透射后的光譜；新紅外光譜直接檢測發射的光譜。這種本質上的區別，解決了傳統紅外光譜兩個致命傷：靈敏度不高和受水分子干擾。傳統紅外光譜間接檢測分子信號：檢測被分子吸收后的透射光，由于樣品被高度稀釋，被吸收的光對透射光整體強度影響很微弱，導致檢測靈敏度往往較低。如果增加入射光的強度，又會導致常用的紅外檢測器敏感性降低；同時，水分子的信息也被一同檢測，干擾也無法避免。最新策略直接檢測分子信號：通過直接檢測振動分子發出的指紋輻射，所以檢測靈敏度更高；水分子不存在干擾。與常規紅外吸收光譜法相比，紅外輻射光譜法能夠檢測到的樣品濃度可降低40倍，并能更好地鑒別兩種相似的化合物。最值得一提的是，這種新策略，使得生物樣品的檢測看到了曙光。傳統紅外吸收光譜法檢測時，一些生物樣品會擋住至少99.999％的入射光，只能看到黑暗的地方；而新方法可以感知光線，這是因為新方法不需要靠透射光進行檢測。在許多情況下，將不再需要對樣品進行濃縮或干燥，簡化了樣品的制備，并將開辟新的應用領域，尤其是涉及水性生物樣品的應用領域。當然，這項新技術的發展依然面臨諸多挑戰，其中就包括：1）一方面，需要增加用于照射樣品的激光的功率，以實現水樣品中的單分子檢測。2）另一方面，需要增加可測量的光譜范圍，譬如更短的波長，以發現蛋白質，脂質和核苷酸等具有醫學診斷意義的信號。3）當然，最主要的還是要開發出一種具有市場競爭力、適合于商業化的紅外光譜儀。1.Ioachim Pupeza et al. Field-resolved infrared spectroscopy of biologicalsystems. Nature 2020, 577, 52–59.https://www.nature.com/articles/s41586-019-1850-72.Andreas Barth. Infrared spectroscopy finally sees the light. Nature 2020, 577,34-35.https://www.nature.com/articles/d41586-019-03866-w#ref-CR2
