物理学家揭示分子"隐形"能量状态 45年前的理论得到证实

超拉曼光学活动的艺术表现：螺旋支架上排列的分子（白点）上入射的扭曲光线（红色螺旋）产生超拉曼散射光谱（多色光斑），表现出"手性"（螺旋图案和破碎镜面的光斑）。资料来源：Ventsislav Valev 和 Kylian Valev

分子以非常特殊的方式旋转和振动。当光线照射在它们身上时，会发生反弹和散射。每一百万个光粒子（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，就能描绘出分子的能量状态，并对它们进行识别。

然而，有些分子特征（能量状态）是拉曼效应所看不到的。为了揭示它们并描绘出更完整的图像，就需要"超拉曼"。

超拉曼效应是一种比简单拉曼更高级的现象。当两个光子同时撞击分子，然后结合产生一个散射光子时，就会出现拉曼颜色变化。

超拉曼可以更深入地穿透活体组织，对分子的损伤更小，图像对比度更高（自发荧光产生的噪音更小）。重要的是，虽然超拉曼光子的数量比拉曼光子还要少，但由于分子附近存在微小的金属片（纳米颗粒），它们的数量可以大大增加。

尽管超拉曼具有很大的优势，但迄今为止，超拉曼还无法研究生命的一个关键赋能特性--手性。

在分子中，手性指的是分子的扭曲性质，在许多方面类似于DNA 的螺旋结构。许多生物分子都具有手性，包括蛋白质、核糖核酸、糖、氨基酸、某些维生素、某些类固醇和几种生物碱。

光也可以是手性的，1979 年，研究人员 David L. Andrews 和 Thiruiappah Thirunamachandran 提出理论，认为用于超拉曼效应的手性光可以提供分子的三维信息，揭示分子的手性。

然而，这种被称为超拉曼光学活动的新效应预计将非常微妙，甚至可能无法测量。未能观测到这种效应的实验人员在手性光的纯度方面费尽了心思。此外，由于这种效应非常微妙，他们曾尝试使用大功率激光，但最终却损害了所研究的分子。

领导巴斯团队和这项研究的文齐斯拉夫-瓦列夫教授解释说："以前的尝试旨在直接测量手性分子的效果，而我们采取的是间接方法。我们使用的分子本身不是手性的，但我们通过将它们组装在手性支架上使其成为手性分子。具体来说，我们将分子沉积在微小的金纳米螺旋上，这些金纳米螺旋有效地将分子的扭曲（手性）赋予分子。金纳米螺旋还有一个非常显著的优点--它们可以作为微小的天线，将光线聚焦到分子上。这一过程增强了超拉曼信号，并帮助我们探测到它。这种纳米螺旋在 1979 年的理论论文中并没有出现，为了解释它们，我们求助于原作者之一和这一研究领域的先驱"。

该论文的共同作者、东英吉利大学名誉教授安德鲁斯说："看到这项实验工作在这么多年后终于证实了我们的理论预测，我们感到非常高兴。巴斯团队完成了一项杰出的实验"。

这种新效果可用于分析药品成分和控制药品质量。它可以帮助识别产品的真伪，揭露假货。它还可以在海关或犯罪现场识别非法毒品和爆炸物。

它将有助于检测空气、水和土壤等环境样本中的污染物。它还可以揭示艺术品中的颜料成分，以达到保护和修复的目的，并有可能通过检测疾病引起的分子变化而被临床应用于医疗诊断。

瓦列夫教授说："这项研究工作是化学理论与实验物理学之间的合作，历经数十年，跨越了从博士生到名誉教授的各个学术阶段。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几十年的认识。"

展望未来，他补充说："我们首次观测到一种基本物理机制。在将这种效应作为标准分析工具供其他科学家采用之前，还有很长的路要走。我们期待着与世界著名的拉曼光谱仪制造商雷尼绍公司（Renishaw PLC）的合作者一起踏上征程。"

新研究论文的第一作者、巴斯大学博士生罗宾-琼斯博士说："进行显示超拉曼光学活动效应的实验是我最有价值的学术经历。现在回想起来，我的博士论文几乎每一步都像是一块拼图，都能顺利完成观测。"

编译自/ScitechDaily