物理学家利用光探测分子更深层次的“隐形”能量状态

由巴斯大学（University of Bath）的物理学家领导的一个国际科学家团队展示了一种新的光学现象，该现象在药学科学、安全、法医学、环境科学、艺术品保护和医学等领域具有显著的潜在影响。

分子以非常特定的方式旋转和振动。当光线照射到它们时，光线会反弹并散射。在每百万个光粒子（光子）中，只有一个会改变颜色。这种变化就是拉曼效应。收集许多这些变色光子可以描绘出分子的能态并识别它们。

然而，一些分子特征（能态）对拉曼效应是不可见的。为了揭示它们并描绘出更完整的图像，需要“超拉曼”。

超拉曼

超拉曼效应是比简单拉曼更高级的现象。当两个光子同时撞击分子并结合以产生一个表现出拉曼颜色变化的散射光子时，就会发生超拉曼效应。

超拉曼能够更深入地穿透活体组织，更不容易损伤分子，并且产生的图像对比度更高（自荧光产生的噪声更少）。重要的是，虽然超拉曼光子甚至比拉曼情况下的光子还要少，但通过分子附近存在的微小金属碎片（纳米颗粒）可以大大增加其数量。

尽管具有显著优势，但到目前为止，超拉曼尚无法研究生命的一个关键使能特性——手性。

光学活性

在分子中，手性是指它们的扭曲感——在很多方面类似于DNA的螺旋结构。许多生物分子表现出手性，包括蛋白质、RNA、糖类、氨基酸、一些维生素、一些类固醇和几种生物碱。

光也可以是手性的，在1979年，研究人员David L. Andrews和Thiruiappah Thirunamachandran提出，用于超拉曼效应的手性光可以提供有关分子的三维信息，从而揭示它们的手性。

然而，这种新效应——被称为超拉曼光学活性——预计会非常微妙，甚至可能无法测量。未能观察到它的实验者们在他们手性光的纯度上遇到了困难。此外，由于该效应非常微妙，他们尝试使用大功率激光器，但这最终损坏了正在研究的分子。

领导巴斯团队和研究的Ventsislav Valev教授解释说：“虽然之前的尝试旨在直接从手性分子中测量这种效应，但我们采取了间接方法。

“我们使用了本身不具有手性的分子，但通过将它们组装在手性支架上而使其具有手性。具体来说，我们将分子沉积在微小的金纳米螺旋上，这些螺旋有效地将它们的扭曲（手性）传递给了分子。

“金纳米螺旋还有另一个非常重要的优点——它们作为微小的天线将光线聚焦到分子上。此过程增强了超拉曼信号并帮助我们检测到它。

“在1979年的理论论文中并没有提到这种纳米螺旋，为了解释它们，我们求助于该研究领域的一位原始作者和先驱。”

证实45年前的理论

来自东安格利亚大学（University of East Anglia）的名誉教授Andrews和本文的合著者表示：“在这么多年之后，实验终于证实了我们的理论预测，这非常令人欣慰。巴斯团队进行了一项出色的实验。”

这种新效应可用于分析药品的成分并控制其质量。它可以帮助识别产品的真实性并揭露假冒产品。它还可以用于在海关或犯罪现场识别非法药物和爆炸物。

它将有助于检测空气、水和土壤等环境样本中的污染物。它可以揭示艺术品中颜料的成分，用于保护和修复目的，并且很可能会发现通过检测疾病引起的分子变化来进行医学诊断的临床应用。

Valev教授说：“这项研究工作是化学理论和实验物理学之间数十年的合作，也是各阶段学者之间的合作——从博士生到名誉教授。

“我们希望它能激励其他科学家，并提高人们对科学进步往往需要数十年时间的认识。”

展望未来，他补充说：“我们是对这一基本物理机制的首个观察。在将这种效应作为其他科学家可以采用的标准分析工具之前，还有很长的路要走。

“我们期待与雷尼绍有限公司（世界著名的拉曼光谱仪制造商）的合作伙伴共同踏上这段旅程。”

新研究报告的第一作者罗宾·琼斯博士，直至最近一直是巴斯大学的一名博士生，他说：“进行展示超拉曼光学活性效应的实验，是我学术生涯中最有成就感的经历。回顾过往，我的博士学习似乎就像一块块的拼图逐渐拼合在一起，最终达成了这一观察结果。”