談到紅外光譜,，相信對于大多數(shù)的理工科研究生都不會陌生,！尤其是化學(xué)專業(yè)或與化學(xué)聯(lián)系較大專業(yè)的本科、研究生都會學(xué)習(xí)紅外光譜,。因?yàn)榧t光光譜目前最常用,、簡便且較低廉的一種表征方式。

紅外光譜的定義及其分類

紅外光譜（Infrared Spectroscopy，IR）是分子能選擇性吸收某些波長的紅外線,，從而引起分子中振動能級和轉(zhuǎn)動能級的躍遷,，檢測紅外線被吸收的情況可得到物質(zhì)的紅外吸收光譜，又稱為分子振動光譜或振轉(zhuǎn)光譜,。目前,，按照波長通常將紅外光譜分為三個區(qū)域：近紅外區(qū)（0.75~2.5 μm）、中紅外區(qū)（2.5~25 μm）和遠(yuǎn)紅外區(qū)（25~300 μm）,。一般而言,，近紅外光譜是由分子的倍頻、合頻而產(chǎn)生,；中紅外光譜屬于分子的基頻振動光譜,；遠(yuǎn)紅外光譜則屬于分子的轉(zhuǎn)動光譜和某些基團(tuán)的振動光譜。此外,，紅外光譜還可分為發(fā)射光譜和吸收光譜兩類,。物體的紅外發(fā)射光譜主要決定于物體的溫度和化學(xué)組成，由于測試比較困難,，紅外發(fā)射光譜只是一種正在發(fā)展的新的實(shí)驗(yàn)技術(shù),，如激光誘導(dǎo)熒光。因此,，最常用的是紅外吸收光譜,，其是由分子不停地作振動和轉(zhuǎn)動運(yùn)動而產(chǎn)生的。然而,，分子振動是指分子中各原子在平衡位置附近作相對運(yùn)動,，多原子分子可組成多種振動圖形。當(dāng)分子中各原子以同一頻率、同一相位在平衡位置附近作簡諧振動時,，這種振動方式稱簡正振動,。

紅外吸收光譜存在的問題

就小編而言，由于本科學(xué)的是化學(xué),，很早就接觸了紅外光譜,。當(dāng)時紅外光譜的老師就告訴我們，紅外樣品必須干燥,，不能含有水分且需要壓碎樣品,。同時，我們可以看出紅外吸收光譜是間接檢測分子信號,，因而其存在許多局限性,，嚴(yán)格來說主要是以下兩點(diǎn)：

（1）由于紅外吸收光譜對光的透射性要求較高，使得在絕大多數(shù)情況下都要求樣品的厚度不能超過10 μm,，且樣品被高度稀釋以后,，其靈敏度會大幅度下降。

（2）由于水對紅外輻射具有強(qiáng)烈的吸收作用,，所以樣品必須經(jīng)常濃縮或干燥,，從而導(dǎo)致制備樣品的過程復(fù)雜。此外,，通常需要在樣品中添加鹽（KBr等）或者酸性水溶液來控制分子的狀態(tài),，使得樣品難以測試，尤其是關(guān)于生物類的樣品,，基本不能利用紅外吸收光譜進(jìn)行測試。

然而,，當(dāng)小編讀研究生時,，發(fā)現(xiàn)涉及生物類的樣品，往往需要在水中,，因而是無法用紅外吸收光譜進(jìn)行表征,。但是，當(dāng)我們的樣品又必須含有水才能測試該怎么辦,？要是有辦法讓紅外光譜不怕水該多好,！

正所謂“有矛就有盾”,。有問題，人們就會想辦法解決問題,，我們始終相信“辦法總比問題多”,。在2020年1月1日，德國慕尼黑大學(xué)的Ferenc Krausz和Ioachim Pupeza（共同通訊作者）聯(lián)合在Nature上報(bào)道了一種依賴于分子發(fā)射紅外輻射的新方法。利用該方法可以提高紅外光譜的靈敏度,，并解決紅外光譜怕水分子干擾的問題,，進(jìn)而有助于紅外光譜在生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用。

作者利用飛秒級（1 fs=10-15s）超短脈沖中紅外光照射樣品,，當(dāng)特定頻率的光被樣品分子吸收后產(chǎn)生振動,，并且在結(jié)束脈沖照射后，這些振動會仍舊繼續(xù),，直到振動能在環(huán)境中完全耗散完,，但其持續(xù)時間僅僅只有幾皮秒（1 ps=10-12s）。然而,，由于振動的原子帶帶有電荷,，所以會產(chǎn)生電磁輻射，且其輻射頻率與分子振動的頻率相同,，從而具有樣品分子的指紋信息,。這種紅外光譜屬于近紅外光譜區(qū)域，利用電光采樣的方法,，可以對第二個超短光脈沖進(jìn)行測量,，即稱為全局分子指紋（global molecular fingerprint）。

圖1、一種獲取紅外光譜的新方法

與常規(guī)紅外吸收光譜的區(qū)別

或許,，對于非專業(yè)的讀者,，會問：“與常規(guī)紅外光譜有什么區(qū)別呢？”其實(shí),，兩者的主要區(qū)別是：常規(guī)紅外光譜是間接檢測,，即是檢測透射后的光譜；而該新型紅外光譜是直接檢測發(fā)射的光譜,。因此,，該方法提高了檢測靈敏度且不怕水分子的干擾。具體而言,，該新型紅外光譜直接檢測分子信號,，是通過直接檢測振動分子發(fā)出的指紋輻射，因而檢測靈敏度更高且不存在水分子的干擾,。同時,，利用該方法時，所需樣品濃度可以降低到常規(guī)方法的40倍,，并且能有效的鑒別兩種相似的化合物,。

然而,，當(dāng)前的這種新技術(shù)的發(fā)展仍舊面臨許多挑戰(zhàn)，具體如下：

（1）需要增加用于照射樣品的激光功率,，以實(shí)現(xiàn)對水樣品中的單分子進(jìn)行檢測,。（2）需要增加可測量的光譜波長范圍，從而可以發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì),、脂質(zhì)和核苷酸等在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有重要診斷意義的信號,。（3）目前該新型紅外光譜的造價昂貴，很難大規(guī)模應(yīng)用,。因此,，需要開發(fā)出較低成本、更具市場競爭力和適用于商業(yè)化的紅外光譜儀,。

總之,，相信隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)現(xiàn)，科研人員的進(jìn)一步努力,，定會將該新型紅外光譜推向市場,，讓更多的普通群眾受益。一句話概括：未來可期,！

參考文章：

[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.