物理学家利用光更深入地探究分子的看不见的能量状态

由巴斯大学物理学家领导的国际科学家团队展示了一种新的光学现象，对制药科学、安全、法医学、环境科学、艺术品保护和医学具有重大潜在影响。

分子以非常特殊的方式旋转和振动。当光线照射到分子上时，分子会反弹和散射。每百万个光粒子(光子)中，就有一个会改变颜色。这种变化就是拉曼效应。收集许多这种变色光子可以描绘出分子的能量状态并识别它们。

然而，有些分子特征(能态)在拉曼效应中是不可见的。为了揭示这些特征并绘制出更完整的图景，需要“超拉曼”。

超拉曼

超拉曼效应是一种比简单拉曼更先进的现象。当两个光子同时撞击分子，然后结合形成一个表现出拉曼颜色变化的单个散射光子时，就会发生这种现象。

超拉曼光谱可以更深地渗透到活体组织中，它不太可能损坏分子，并且它能产生对比度更高的图像(自发荧光噪音更少)。重要的是，虽然超拉曼光谱中的光子比拉曼光谱中的光子还要少，但如果分子附近有微小的金属片(纳米粒子)，它们的数量就会大大增加。

尽管超拉曼光谱具有显著的优势，但它迄今为止还未能研究生命的一个关键特性——手性。

旋光性

在分子中，手性是指分子的扭曲方向——在很多方面类似于DNA的螺旋结构。许多生物分子都表现出手性，包括蛋白质、RNA、糖、氨基酸、一些维生素、一些类固醇和几种生物碱。

光也可以具有手性。1979年，研究人员DavidL.Andrews和ThiruiappahThirunamachandran提出理论，用于超拉曼效应的手性光可以提供有关分子的三维信息，从而揭示其手性。

然而，这种被称为超拉曼光学活性的新效应原本预计非常微妙，甚至可能无法测量。未能观察到这种效应的实验者在手性光的纯度方面遇到了困难。此外，由于这种效应非常微妙，他们尝试使用大功率的激光，但最终却损坏了正在研究的分子。

领导巴斯团队和这项研究的文西斯拉夫·瓦列夫教授解释说：“虽然之前的尝试旨在直接从手性分子测量效应，但我们采取了间接的方法。

“我们使用的分子本身不具有手性，但我们通过将它们组装到手性支架上使它们具有手性。具体来说，我们将分子沉积在微小的金纳米螺旋上，从而有效地将它们的扭曲(手性)赋予分子。

“金纳米螺旋还有另一个非常显著的好处——它们可以作为微型天线，将光聚焦到分子上。这个过程增强了超拉曼信号，并帮助我们检测到它。

“这种纳米螺旋在1979年的理论论文中没有出现，为了解释它们，我们向该研究领域的原作者和先驱之一求助。”

证实45年前的理论

论文合著者、东英吉利大学名誉教授安德鲁斯表示：“经过这么多年，看到这项实验终于证实了我们的理论预测，我们感到非常欣慰。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货。它还可以用于识别海关或犯罪现场的非法药物和爆炸物。

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，以便进行保护和修复，并且它很可能通过检测疾病引起的分子变化而应用于临床医学诊断。

瓦列夫教授表示：“这项研究工作是化学理论与实验物理学几十年来合作的成果，涉及从博士生到名誉教授等各个阶段的学者。

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

展望未来，他补充道：“我们的研究首次观察到了基本物理机制。这一效应要想成为其他科学家可以采用的标准分析工具，还有很长的路要走。”

“我们期待与来自世界知名拉曼光谱仪制造商RenishawPLC的合作伙伴一起踏上这一旅程。”

罗宾·琼斯博士是这篇新研究论文的第一作者，也是巴斯大学的博士生，直到最近，他说：“进行显示超拉曼光学活性效应的实验是我最有意义的学术经历。回想起来，我博士生涯的每一步似乎都像是拼图中的一块，它们拼凑在一起，最终实现了观察。”