英国巴斯大学的一个科学家小组发现了一种利用光粒子揭示分子隐藏能量状态的方法。由该校物理学家领导的一个国际科学家小组展示了一种新的光学现象，它可能对制药科学、安全、法医、环境科学、艺术保护和医学等各个领域产生重大影响。

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