英國巴斯大學的科學家團隊發現了一種利用光粒子來揭示分子隱藏能量狀態的方法。由該校物理學家領導的國際科學家小組展示了一種新的光學現象，它可能對製藥科學、安全、法醫、環境科學、藝術保護和醫學等各個領域產生重大影響。

超拉曼光學活動的藝術表現：螺旋支架上排列的分子（白點）上入射的扭曲光線（紅色螺旋）產生超拉曼散射光譜（多色光斑），表現出”手性”（螺旋圖案和破碎鏡面的光斑）。資料來源：Ventsislav Valev 和Kylian Valev

分子以非常特殊的方式旋轉和振動。當光線照射在它們身上時，會發生反彈和散射。每一百萬個光粒子（光子）中，就有一個會改變顏色。這種變化就是拉曼效應。收集許多這種變色光子，就能描繪出分子的能量狀態，並對它們進行辨識。

然而，有些分子特徵（能量狀態）是拉曼效應所看不到的。為了揭示它們並描繪出更完整的圖像，就需要”超拉曼”。

超拉曼效應是比簡單拉曼更高級的現象。當兩個光子同時撞擊分子，然後結合產生一個散射光子時，就會出現拉曼顏色變化。

超拉曼可以更深入地穿透活體組織，對分子的損傷更小，影像對比度更高（自發螢光產生的雜訊更小）。重要的是，雖然超拉曼光子的數量比拉曼光子還要少，但由於分子附近存在微小的金屬片（奈米顆粒），它們的數量可以大大增加。

儘管超拉曼具有很大的優勢，但迄今為止，超拉曼還無法研究生命的一個關鍵賦能特性–手性。

在分子中，手性指的是分子的扭曲性質，在許多方面類似於DNA 的螺旋結構。許多生物分子都具有手性，包括蛋白質、核糖核酸、糖、胺基酸、某些維生素、某些類固醇和幾種生物鹼。

光也可以是手性的，1979 年，研究人員David L. Andrews 和Thiruiappah Thirunamachandran 提出理論，認為用於超拉曼效應的手性光可以提供分子的三維訊息，揭示分子的手性。

然而，這種被稱為超拉曼光學活動的新效應預計將非常微妙，甚至可能無法測量。未能觀測到這種效應的實驗人員在手性光的純度方面費盡了心思。此外，由於這種效應非常微妙，他們曾嘗試使用高功率激光，但最終損害了所研究的分子。

領導巴斯團隊和這項研究的文齊斯拉夫-瓦列夫教授解釋說：”以前的嘗試旨在直接測量手性分子的效果，而我們採取的是間接方法。我們使用的分子本身不是手性的，但我們透過將它們組裝在手性支架上使其成為手性分子。賦予分子。在1979 年的理論論文中並沒有出現，為了解釋它們，我們求助於原作者之一和這一研究領域的先驅”。

論文的共同作者、東英吉利大學名譽教授安德魯斯說：”看到這項實驗工作在這麼多年後終於證實了我們的理論預測，我們感到非常高興。巴斯團隊完成了一項傑出的實驗” 。

這種新效果可用於分析藥品成分和控制藥品品質。它可以幫助識別產品的真偽，揭露假貨。它還可以在海關或犯罪現場識別非法毒品和爆炸物。

它將有助於檢測空氣、水和土壤等環境樣本中的污染物。它還可以揭示藝術品中的顏料成分，以達到保護和修復的目的，並有可能透過檢測疾病引起的分子變化而被臨床應用於醫療診斷。

瓦列夫教授說：「這項研究工作是化學理論與實驗物理學之間的合作，歷經數十年，跨越了從博士生到名譽教授的各個學術階段。我們希望它能激勵其他科學家，並提高人們對科學進步往往需要幾十年的認識。

展望未來，他補充說：”我們首次觀測到一種基本物理機制。在將這種效應作為標準分析工具供其他科學家採用之前，還有很長的路要走。我們期待著與世界著名的拉曼光譜儀製造商雷尼紹公司（Renishaw PLC）的合作者一起踏上旅程。

新研究論文的第一作者、巴斯大學博士生羅賓-瓊斯博士說：”進行顯示超拉曼光學活動效應的實驗是我最有價值的學術經歷。現在回想起來，我的博士論文幾乎每一步都像是一塊拼圖，都能順利完成觀測。

編譯自/ ScitechDaily