由巴斯大学物理学家领导的一支国际科学家团队展示了一种新的光学现象，该现象可能会对包括药物科学、安全、法医学、环境科学、艺术保护和医学在内的各个领域产生重大影响。

分子以非常特定的方式旋转和振动。当光照射在它们身上时，会发生反射和散射。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。收集许多这些改变颜色的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）是拉曼效应无法观察到的。为了揭示这些特征，并绘制出更完整的图像，就需要使用“超拉曼”。

超拉曼光谱

超拉曼效应是比简单拉曼效应更高级的现象。当两个光子同时冲击分子并组合成单一散射光子时，就会产生超拉曼效应，该散射光子将表现出拉曼色变。

超拉曼光谱仪能够更深入地穿透活组织，更不容易破坏分子，并且产生的图像对比度更高（自发荧光产生的噪声更少）。重要的是，虽然超拉曼光子比拉曼光子还要少，但是通过在分子附近放置微小的金属片（纳米颗粒）可以大大增加其数量。

尽管具有显著的优势，但到目前为止，超拉曼光谱技术还无法研究生命的关键特性——手性。

旋光性

在分子中，手性指的是它们的扭曲感——在许多方面与DNA的螺旋结构相似。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关于分子的三维信息，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手性光的纯度上遇到了困难。此外，由于这种效应非常微妙，他们试图使用大功率激光器，但这最终破坏了正在研究的分子。

巴斯大学团队和该研究项目的带头人文西斯拉夫·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，但我们采用了间接的方法。我们使用的分子本身不具有手性，但我们通过在手性支架上组装它们来赋予它们手性。具体来说，我们将分子沉积在微小的金纳米螺旋上，从而有效地将它们扭曲（手性）传递给分子。金纳米螺旋还有另一个非常重要的好处——它们可以充当微小的天线并将光聚焦在分子上。这个过程增强了超拉曼信号，并有助于我们检测它。1979年的理论论文中没有提到这种纳米螺旋，为了说明这一点，我们找到了该研究领域的原始作者之一和先驱。”

证实了一个45年的理论

东安格利亚大学的荣休教授安德鲁斯是这篇论文的合著者，他说：“多年以后，看到实验终于证实了我们的理论预测，这让人感到非常欣慰。巴斯大学的团队完成了一项杰出的实验。”

这一新的效应可以用于分析药物的成分和控制其质量。它可以帮助鉴别产品的真伪和揭露假货。它还可以在海关或犯罪现场用于识别非法药物和爆炸物。

它有助于检测来自空气、水和土壤的环境样本中的污染物。它可以揭示艺术颜料的组成成分，用于保护和修复，而且它还可以检测疾病引起的分子变化，为医学诊断提供临床应用。

瓦列夫教授说：“这一研究工作是一项化学理论与实验物理学之间的合作，它跨越了几十年，也跨越了学术界的各个阶段——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几十年时间这一点的认识。”

他补充说:“我们这是首次观测到这一基本的物理机制。在将这一效应作为其他科学家可以采用的标准分析工具之前，我们还有很长的路要走。我们期待与雷尼绍PLC公司(全球著名的拉曼光谱仪制造商)的合作伙伴一起踏上这段旅程。”

新研究论文的第一作者Robin Jones博士，直到最近还是巴斯大学的一位博士生，他表示：“执行实验，并观察到超拉曼光学活性效应，是我最有收获的一次学术体验。回顾过去，我博士的每一步研究都像拼图中的一块，它们拼在一起，使我实现了这项观测。”

参考文献：“手性赋予使超拉曼光活性观测成为可能”，作者为 Robin R. Jones、John F. Kerr、Hyunah Kwon、Samuel R. Clowes、Ruidong Ji、Emilija Petronijevic、Liwu Zhang、G. Dan Pantoș、Brian Smith、Tim Batten、Peer Fischer、Daniel Wolverson、David L. Andrews 和 Ventsislav K. Valev，发表于 2024 年 7 月 31 日的《自然光子学》。DOI: 10.1038/s41566-024-01486-z

本研究由英国皇家学会、利弗休姆信托和工程物理科学研究委员会（EPSRC）资助。