这回,红外光谱终于不怕水了

2020年1月05日 23:10:49 来源: 纳米人
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  1800年,两个世纪前的某一天,发现了天王星的英国著名科学家William Herschel正在对太阳进行例行的天文观测,突然感觉有一种光线使他的眼睛发热,并感觉非常不适。于是,大神William Herschel有点不开心,决意要把这种光线找出来,过滤掉,然后就发现了红外线(波长760 nm-1 mm)。

  时至今日,这个意外的发现已经为人类社会带来了无可限量的作用,从探索宇宙的奥秘,火星探测、到破译蛋白质的分子机理、疾病检测、食品检测和法医调查,无一不有红外光谱的足迹。

  何谓红外光谱?

  分子中的原子会不停发生振动,在红外光的照射下,当分子获得与之振动频率相同的红外光振动时,就会吸收这部分特定频率的红外光,从基态跃迁到更高能级。根据红外线被吸收的情况而得到分子的光谱,就称为红外吸收光谱。由于每个分子的振动频率不同,吸收的红外光也不同。因此,样品的红外吸收光谱可视作分子的指纹光谱。

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  正是因为如此,红外吸收光谱间接检测分子信号的根本性原理也造成了许多局限性,主要包括以下两点:

  1)红外吸收光谱对光的透射要求较高,使得样品厚度在大多数情况下都小于10 μm,样品被高度稀释,灵敏度较低。

  2)水对红外辐射具有强烈吸收,样品必须经常浓缩或干燥,导致制样过程繁琐。更重要的是,很多需要向样品中添加盐或者酸的水溶液来控制分子状态的样品难以测试,尤其是生物样品的红外分析难以为之。

  自打进入实验室以来,我们就经常面对师兄师姐的教导,红外样品必须要干燥才能测试,不能含有水分,否则就会有水分子的干扰。但是,如果我的样品非得有水才能测试怎么办?有没有办法让红外不怕水呢?

  方法是有的。

  2020年1月1日,德国慕尼黑大学Ferenc Krausz和Ioachim Pupeza等人提出了一种依赖于分子发射红外辐射的新方法,有望提高红外光谱灵敏度,并解决红外光谱怕水分子干扰的问题,为红外光谱在生物医疗领域的广阔应用开辟新天地。

  研究人员采用飞秒级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产生振动后,这些振动在脉冲结束后依然继续,并持续到振动能量消散到环境中为止,时间大概有几皮秒。由于振动的原子带有部分电荷,所以振动会产生电磁辐射,而所产生的辐射又与分子振动具有相同的频率,因此携带了样品分子的指纹信息。这种红外光谱是在近红外光谱范围内,通过电光采样的方法,对第二个超短光脉冲进行测量,被研究团队称为全局分子指纹(global molecular fingerprint)。

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  这种方法和常规红外吸收最主要的区别在于:常规红外光谱检测透射后的光谱;新红外光谱直接检测发射的光谱。这种本质上的区别,解决了传统红外光谱两个致命伤:灵敏度不高和受水分子干扰。

  传统红外光谱间接检测分子信号:检测被分子吸收后的透射光,由于样品被高度稀释,被吸收的光对透射光整体强度影响很微弱,导致检测灵敏度往往较低。如果增加入射光的强度,又会导致常用的红外检测器敏感性降低;同时,水分子的信息也被一同检测,干扰也无法避免。

  最新策略直接检测分子信号:通过直接检测振动分子发出的指纹辐射,所以检测灵敏度更高;水分子不存在干扰。与常规红外吸收光谱法相比,红外辐射光谱法能够检测到的样品浓度可降低40倍,并能更好地鉴别两种相似的化合物。

  最值得一提的是,这种新策略,使得生物样品的检测看到了曙光。传统红外吸收光谱法检测时,一些生物样品会挡住至少99.999%的入射光,只能看到黑暗的地方;而新方法可以感知光线,这是因为新方法不需要靠透射光进行检测。在许多情况下,将不再需要对样品进行浓缩或干燥,简化了样品的制备,并将开辟新的应用领域,尤其是涉及水性生物样品的应用领域。

  当然,这项新技术的发展依然面临诸多挑战,其中就包括:

  1)一方面,需要增加用于照射样品的激光的功率,以实现水样品中的单分子检测。

  2)另一方面,需要增加可测量的光谱范围,譬如更短的波长,以发现蛋白质,脂质和核苷酸等具有医学诊断意义的信号。

  3)当然,最主要的还是要开发出一种具有市场竞争力、适合于商业化的红外光谱仪。