1800年，兩個(gè)世紀(jì)前的某一天，發(fā)現(xiàn)了天王星的英國(guó)著名科學(xué)家William Herschel正在對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行例行的天文觀測(cè)，突然感覺(jué)有一種光線使他的眼睛發(fā)熱，并感覺(jué)非常不適。于是，大神William Herschel有點(diǎn)不開(kāi)心，決意要把這種光線找出來(lái)，過(guò)濾掉，然后就發(fā)現(xiàn)了紅外線（波長(zhǎng)760 nm-1 mm）。

　　時(shí)至今日，這個(gè)意外的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)為人類社會(huì)帶來(lái)了無(wú)可限量的作用，從探索宇宙的奧秘，火星探測(cè)、到破譯蛋白質(zhì)的分子機(jī)理、疾病檢測(cè)、食品檢測(cè)和法醫(yī)調(diào)查，無(wú)一不有紅外光譜的足跡。

　　何謂紅外光譜？

　　分子中的原子會(huì)不停發(fā)生振動(dòng)，在紅外光的照射下，當(dāng)分子獲得與之振動(dòng)頻率相同的紅外光振動(dòng)時(shí)，就會(huì)吸收這部分特定頻率的紅外光，從基態(tài)躍遷到更高能級(jí)。根據(jù)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(gè)分子的振動(dòng)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?yàn)槿绱?，紅外吸收光譜間接檢測(cè)分子信號(hào)的根本性原理也造成了許多局限性，主要包括以下兩點(diǎn)：

　　1）紅外吸收光譜對(duì)光的透射要求較高，使得樣品厚度在大多數(shù)情況下都小于10 μm，樣品被高度稀釋，靈敏度較低。

　　2）水對(duì)紅外輻射具有強(qiáng)烈吸收，樣品必須經(jīng)常濃縮或干燥，導(dǎo)致制樣過(guò)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(lái)控制分子狀態(tài)的樣品難以測(cè)試，尤其是生物樣品的紅外分析難以為之。

　　自打進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室以來(lái)，我們就經(jīng)常面對(duì)師兄師姐的教導(dǎo)，紅外樣品必須要干燥才能測(cè)試，不能含有水分，否則就會(huì)有水分子的干擾。但是，如果我的樣品非得有水才能測(cè)試怎么辦？有沒(méi)有辦法讓紅外不怕水呢？

　　方法是有的。

　　2020年1月1日，德國(guó)慕尼黑大學(xué)Ferenc Krausz和Ioachim Pupeza等人提出了一種依賴于分子發(fā)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(wèn)題，為紅外光譜在生物醫(yī)療領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用開(kāi)辟新天地。

　　研究人員采用飛秒級(jí)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產(chǎn)生振動(dòng)后，這些振動(dòng)在脈沖結(jié)束后依然繼續(xù)，并持續(xù)到振動(dòng)能量消散到環(huán)境中為止，時(shí)間大概有幾皮秒。由于振動(dòng)的原子帶有部分電荷，所以振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生電磁輻射，而所產(chǎn)生的輻射又與分子振動(dòng)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(nèi)，通過(guò)電光采樣的方法，對(duì)第二個(gè)超短光脈沖進(jìn)行測(cè)量，被研究團(tuán)隊(duì)稱為全局分子指紋（global molecular fingerprint）。

　　這種方法和常規(guī)紅外吸收最主要的區(qū)別在于：常規(guī)紅外光譜檢測(cè)透射后的光譜；新紅外光譜直接檢測(cè)發(fā)射的光譜。這種本質(zhì)上的區(qū)別，解決了傳統(tǒng)紅外光譜兩個(gè)致命傷：靈敏度不高和受水分子干擾。

　　傳統(tǒng)紅外光譜間接檢測(cè)分子信號(hào)：檢測(cè)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(duì)透射光整體強(qiáng)度影響很微弱，導(dǎo)致檢測(cè)靈敏度往往較低。如果增加入射光的強(qiáng)度，又會(huì)導(dǎo)致常用的紅外檢測(cè)器敏感性降低；同時(shí)，水分子的信息也被一同檢測(cè)，干擾也無(wú)法避免。

　　最新策略直接檢測(cè)分子信號(hào)：通過(guò)直接檢測(cè)振動(dòng)分子發(fā)出的指紋輻射，所以檢測(cè)靈敏度更高；水分子不存在干擾。與常規(guī)紅外吸收光譜法相比，紅外輻射光譜法能夠檢測(cè)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(cè)看到了曙光。傳統(tǒng)紅外吸收光譜法檢測(cè)時(shí)，一些生物樣品會(huì)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?yàn)樾路椒ú恍枰客干涔膺M(jìn)行檢測(cè)。在許多情況下，將不再需要對(duì)樣品進(jìn)行濃縮或干燥，簡(jiǎn)化了樣品的制備，并將開(kāi)辟新的應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是涉及水性生物樣品的應(yīng)用領(lǐng)域。

　　當(dāng)然，這項(xiàng)新技術(shù)的發(fā)展依然面臨諸多挑戰(zhàn)，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(shí)現(xiàn)水樣品中的單分子檢測(cè)。

　　2）另一方面，需要增加可測(cè)量的光譜范圍，譬如更短的波長(zhǎng)，以發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)，脂質(zhì)和核苷酸等具有醫(yī)學(xué)診斷意義的信號(hào)。

　　3）當(dāng)然，最主要的還是要開(kāi)發(fā)出一種具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力、適合于商業(yè)化的紅外光譜儀。