1800年，兩個世紀前的某一天，發(fā)現(xiàn)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(fā)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(fā)現(xiàn)了紅外線（波長760 nm-1 mm）。

　　時至今日，這個意外的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)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(yī)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(fā)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(tài)躍遷到更高能級。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(shù)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(jīng)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(tài)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(jīng)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？

　　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題，為紅外光譜在生物醫(yī)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(chǎn)生振動后，這些振動在脈沖結束后依然繼續(xù)，并持續(xù)到振動能量消散到環(huán)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(chǎn)生電磁輻射，而所產(chǎn)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(guī)紅外吸收最主要的區(qū)別在于：常規(guī)紅外光譜檢測透射后的光譜；新紅外光譜直接檢測發(fā)射的光譜。這種本質上的區(qū)別，解決了傳統(tǒng)紅外光譜兩個致命傷：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(fā)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(guī)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(tǒng)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(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，以實現(xiàn)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(fā)現(xiàn)蛋白質，脂質和核苷酸等具有醫(yī)學診斷意義的信號。

　　3）當然，最主要的還是要開發(fā)出一種具有市場競爭力、適合于商業(yè)化的紅外光譜儀。