Nature：第一次，紅外光譜不怕水

2020-08-29 奇物論

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，並感覺非常不適。於是，大神William Herschel有點不開心，決意要把這種光線找出來，過濾掉，然後就發現了紅外線（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。


何謂紅外光譜？

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。由於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於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乾燥，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，紅外樣品必須要乾燥才能測試，不能含有水分，否則就會有水分子的幹擾。但是，如果我的樣品非得有水才能測試怎麼辦？有沒有辦法讓紅外不怕水呢？

方法是有的。



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於分子發射紅外輻射的新方法，有望提高紅外光譜靈敏度，並解決紅外光譜怕水分子幹擾的問題，為紅外光譜在生物醫療領域的廣闊應用開闢新天地。

研究人員採用飛秒級超短脈衝中紅外光照射樣品，當特定頻率的光被樣品分子吸收產生振動後，這些振動在脈衝結束後依然繼續，並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範圍內，通過電光採樣的方法，對第二個超短光脈衝進行測量，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於：常規紅外光譜檢測透射後的光譜；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幹擾。


傳統紅外光譜間接檢測分子信號：檢測被分子吸收後的透射光，由於樣品被高度稀釋，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，幹擾也無法避免。

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；水分子不存在幹擾。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，並能更好地鑑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乾燥，簡化了樣品的製備，並將開闢新的應用領域，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，需要增加用於照射樣品的雷射的功率，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範圍，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、適合於商業化的紅外光譜儀。

參考文獻：

1.Ioachim Pupeza et al. Field-resolved infrared spectroscopy of biologicalsystems. Nature 2020, 577, 52–59.

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1850-7

2.Andreas Barth. Infrared spectroscopy finally sees the light. Nature 2020, 577,34-35.

https://www.nature.com/articles/d41586-019-03866-w#ref-CR2


相關焦點

  • 乾貨丨紅外光譜操作步驟及常見的問題
    傅立葉變換紅外光譜(Fourier Transform infrared spectroscopy)簡寫為FTIR。傅立葉紅外光譜法是通過測量幹涉圖和對幹涉圖進行傅立葉變化的方法來測定紅外光譜。紅外光譜的強度h(δ)與形成該光的兩束相干光的光程差δ之間有傅立葉變換的函數關係。
  • 我國近紅外光譜發展多方有驚喜——參加全國第八屆近紅外光譜學術...
    以下從技術、方法、應用、儀器等幾個角度分別介紹參加全國第八屆近紅外光譜學術會議心得體會：　　溫控近紅外光譜、在線近紅外光譜、高光譜成像等新技術引關注　　本次會議中，多位專家分享了溫控近紅外光譜、在線近紅外光譜、高光譜成像等新技術的研究進展，吸引了大家的關注。
  • 近紅外與中紅外光譜分析的區別
    80年代後期，隨著計算機技術的迅速發展，帶動了分析儀器的數位化和化學計量學的發展，通過化學計量學方法在解決光譜信息提取和背景幹擾方面取得的良好效果，加之近紅外光譜在測樣技術上所獨有的特點，使人們重新認識了近紅外光譜的價值，近紅外光譜在各領域中的應用研究陸續展開。
  • 閔順耕談近紅外光譜技術發展動態
    2013年9月23日，「近紅外光譜應用新進展」專場研討會如期召開。閔順耕教授做題為《從NIR 2013看近紅外光譜技術發展動態》的綜述性報告，報告中介紹了NIR 2013的概況以及會上所展現出來的近紅外光譜新技術。
  • ...技術、趨勢、檢測,你想學的近紅外知識都在這裡——近紅外光譜...
    從報告期間網友的反饋情況可以看出，近紅外已逐漸成為各領域研究的重點，16個報告的時間裡，網友提問近160次，反響十分熱烈。本次研討會分設了4個專場，分別為：近紅外光譜新技術/新方法、近紅外光譜在飼料/菸草領域的應用、近紅外光譜在食品/水果領域的應用、近紅外光譜在製藥/茶葉/紡織品等領域的應用。
  • 想學紅外光譜技術？超強幹貨合集「紅外光譜全家福」來啦
    又稱分子振動光譜或振轉光譜，屬分子吸收光譜。樣品受到頻率連續變化的紅外光照射時，分子能選擇性吸收某些波長的紅外線，而引起分子中振動能級和轉動能級的躍遷，檢測紅外線被吸收的情況可得到物質的紅外吸收光譜。紅外光譜分析（infrared spectra analysis）指的是利用紅外光譜對物質分子進行分析和鑑定。目前，紅外光譜分析可用於研究分子的結構和化學鍵，也可以作為表徵和鑑別化學物種的方法。
  • 近紅外光譜技術發展現狀評述(下)
    儘管近紅外光譜不屬於特別靈敏的分析技術，但由於該技術具有不需要樣品預處理的特點，其非常適合於過程監測、材料科學和醫療等領域的應用。該刊邀請了多位本領域的專家就近紅外光譜技術新進展、近紅外使用者面臨的挑戰、應用領域以及該技術的未來發展趨勢進行評論。
  • 紅外光譜的基本理論
    紅外光譜基本理論　　當一束紅外光照射在礦物上時，礦物就要吸收一部分能量，同時將吸收的能量轉變為分子振動能和分子轉動能。　　分子振動光譜：分子振動能級比分子轉動能級大，當分子振動能級躍遷時伴隨有分子轉動能級躍遷。　　分子轉動光譜：出現在遠紅外區，它能給出分子的轉動慣量、核間距離、分子的對稱性。
  • 水的光譜輻射特性
    水也是研究地表物質能量交換的重要載體和關鍵因子。使用遙感來對水體和海洋進行監測主要使用兩種技術手段：光學遙感和微波遙感。光學遙感研究水體主要是通過水的光譜反射輻射特徵（如反射率、輻射溫度、或遙感專題指數）與準同步實測的各種水體參數（葉綠素含量、懸浮泥沙濃度、水深、水溫等）的關係，建立一系列相關模型來提取或反演水體參數。
  • 短波紅外結構光，實現人體水和脂肪的無標記非接觸、寬場量化成像
    例如，基於相關原理開發的血氧儀已在臨床上廣泛應用；空間頻域成像（SFDI）、高光譜成像可以無標記、非接觸方式測量組織中的血紅蛋白；通過脈衝雷射及介質耦合，光聲成像（PA）可以在釐米深度探測血紅蛋白。然而，由於水和脂肪在近紅外（例如700-900nm）波段的吸收特徵遠弱於血紅蛋白，上述方法難以對水和脂肪進行量化成像。
  • 中國近紅外光譜分會蘇滬工作站共同舉辦近紅外光譜技術論壇
    本次論壇在中國近紅外光譜分會蘇滬工作站副主任、上海市化學化工學會分子光譜協作組組長杜一平教授團隊和倪力軍教授團隊的精心組織下，由中國近紅外光譜分會蘇滬工作站、上海市化學化工學會分子光譜協作組、華東理工大學分析測試中心和上海市功能性材料化學重點實驗室共同舉辦。
  • 近紅外光譜分析發展歷程
    近紅外光譜是介於可見光（Vis）和中紅外（MIR）之間的電磁輻射波，是人們在吸收光譜中發現的非可見光區。近紅外光譜區是 Herschel 在 1800 年進行太陽光譜可見區紅外部分能量測量中發現的。早在二十世紀二三十年代，紅外光譜技術作為一種有效的分析手段就得到了認可。發展至今，近紅外光譜技術因其在分析樣品時具有方便、準確和成本較低，環保等優點，受到了越來越多人的青睞。潛心發展 近紅外光譜技術日臻成熟近紅外光譜技術在發展初期並不受重視，原因是其獲得的數據可利用性低。
  • 紅外光譜圖解析知識點匯總
    隨著紅外光譜應用範圍的擴大，幾乎每一個實驗室都會配有紅外光譜，所以，就有許多小夥伴私信給小析姐，要求小析姐整理一篇關於紅外光譜解析的帖子，應廣大親們的要求
  • 一份詳盡的紅外光譜圖解析知識點匯總
    ，所以，就有許多小夥伴私信給小析姐，要求小析姐整理一篇關於紅外光譜解析的帖子，應廣大親們的要求,小析姐又連夜精心整整理了紅外吸收光譜圖解析實例，希望對你在紅外吸收光譜的解析上有所幫助。利用紅外吸收光譜進行有機化合物定性分析可分為兩個方面：一是官能團定性分析，主要依據紅外吸收光譜的特徵頻率來鑑別含有哪些官能團，以確定未知化合物的類別；二是結構分析，即利用紅外吸收光譜提供的信息，結合未知物的各種性質和其它結構分析手段(如紫外吸收光譜、核磁共振波譜、質譜)提供的信息，來確定未知物的化學結構式或立體結構。
  • 近紅外光譜分析數據和模型(一)
    分析化學中的近紅外和中紅外吸收光譜落在760-25000nm波長範圍，其中760-2500nm（用波數表示為13158-4000cm-1）屬於近紅外光譜，2500-25000nm（用波數表示為4000-400cm-1）屬於中紅外光譜，中紅外光譜也簡稱紅外光譜。
  • 認識水分子微觀結構 紅外光譜怎麼能少?
    雖然水對於生命形成的意義重大，但在對於水的了解方面，人類卻知之甚少。就像地球上的水是怎麼來的這個問題，對於人類而言現在仍舊是一個未解之謎。然而不管水是來自於地球外部還是地球內部，都撼動不了它在生命進化過程中的重要地位。
  • 近紅外光譜技術的優缺點分析
    摘要：說起近紅外光譜技術的發展歷史，可謂坎坷不平。早在19世紀，人們最早發現的非可見光區域就是近紅外區域。但受當時的技術水平限制，物質在該譜區的倍頻和合頻吸收信號弱，譜帶重疊，解析複雜，近紅外光譜的相關技術沉寂了一個多世紀。
  • 我國近紅外光譜還依然「年輕」 未來大有可為——ACCSI2019近紅外...
    雖然業界普遍認為，近年來我國近紅外光譜分析技術無論在研發還是應用方面都取得了長足進展，近紅外光譜在中國有著非常大的市場前景。不過，由於應用拓展不足，相關的檢測標準還不完善，模型建立、評價和修正有一定難度等原因也在一定程度上限制了近紅外光譜產業的進一步發展。　　目前，近紅外光譜的技術及產業發展現狀如何？
  • 【技術】近紅外光譜類型及優缺點
    【技術】近紅外光譜類型及優缺點北極星環境監測網訊:近紅外光譜儀種類繁多，根據不用的角度有多種分類方法。從應用的角度分類，可以分為在線過程監測儀器、專用儀器和通用儀器。從儀器獲得的光譜信息來看，有隻測定幾個波長的專用儀器，也有可以測定整個近紅外譜區的研究型儀器；有的專用於測定短波段的近紅外光譜，也有的適用於測定長波段的近紅外光譜。較為常用的分類模式是依據儀器的分光形式進行的分類，可分為濾光片型、色散型(光柵、稜鏡)、傅立葉變換型等類型。下面分別加以敘述。
  • 光譜技術「探秘」生命體系中的水分子——第三屆水光譜組學國際...
    (為什麼進行水光譜組學研究)的報告。報告從不同角度介紹了水光譜組學的前世今生，以及水光譜組學的優勢和應用，尤其強調了在近紅外光譜技術方面的應用。　　本次會議參會論文68篇，其中主題報告(keynote lecture)14篇，邀請報告(invited lecture)26篇，牆報(poster)28篇。