光譜技術(shù)已邁過(guò)百年歷史長(zhǎng)河，中國(guó)的光譜分析技術(shù)亦可追溯到上個(gè)世紀(jì)50年代，今日中國(guó)的光譜技術(shù)已從國(guó)際上“跟跑”躍升到部分領(lǐng)域領(lǐng)跑的地位。在這背后，國(guó)內(nèi)老中青幾代科學(xué)家克服了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)、也付出了辛勤的汗水。伴隨著將在成都召開(kāi)的第21屆全國(guó)分子光譜學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議，中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)光譜專業(yè)委員會(huì)和分析測(cè)試百科網(wǎng)聯(lián)合舉辦了“七彩光譜 萬(wàn)象更新”的主題活動(dòng)。活動(dòng)將采訪光譜界業(yè)內(nèi)的一線工作者，探討光譜學(xué)近年來(lái)的發(fā)展進(jìn)程、最新技術(shù)與應(yīng)用，展望光譜學(xué)未來(lái)發(fā)展的新方向，籍此希望對(duì)廣大的光譜愛(ài)好者和從業(yè)者有更多的啟發(fā)。

吉林大學(xué)超分子結(jié)構(gòu)與材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的吳玉清教授，早期致力于物理化學(xué)的譜學(xué)基礎(chǔ)理論，現(xiàn)在主要從事超分子和生物大分子的應(yīng)用研究。從基礎(chǔ)理論到前沿應(yīng)用，吳教授為我們講述了運(yùn)用光譜和多種分析技術(shù)解密分子表象背后物理化學(xué)意義的樂(lè)趣，對(duì)光譜學(xué)在現(xiàn)有科研中的地位、作用以及未來(lái)的發(fā)展都做了生動(dòng)的闡述，相信一定會(huì)激發(fā)更多學(xué)者對(duì)光譜學(xué)的熱愛(ài)。

用二維相關(guān)光譜分析解決復(fù)雜體系面臨的挑戰(zhàn)性

吳玉清教授首先談到了自己目前從事的兩大研究體系：“我原來(lái)主要做小分子體系的光譜學(xué)研究，現(xiàn)在從事更為復(fù)雜的研究體系。首先，我工作于吉林大學(xué)超分子結(jié)構(gòu)與材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，研究體系偏重于一些超分子組裝體系，利用光譜技術(shù)檢測(cè)分子間的一些弱相互作用；其中也包括一些更為復(fù)雜的生物超分子體系?！?/span>

吳玉清談到了將傳統(tǒng)光譜技術(shù)應(yīng)用于自己研究體系中所面臨的若干挑戰(zhàn)。生物體系本身就成分復(fù)雜、干擾源多，因此在光譜測(cè)試時(shí)有兩大障礙和瓶頸需要首先克服：一個(gè)是抗干擾，另一個(gè)則是提高檢測(cè)的靈敏度——因?yàn)樵趶?fù)雜體系中被檢測(cè)成分的含量都較低，提高靈敏度和排除其它物質(zhì)的干擾都很重要。

而對(duì)于超分子組裝體系，由于分子間相互作用力本身都比較弱；盡管有加合性和協(xié)同性的存在，總體信號(hào)依然比較弱，需要提高檢測(cè)的靈敏度。此外，分子間弱相互作用產(chǎn)生的光譜峰（如紅外譜峰）之間常常相互重疊。因此，提高譜帶間的分辨率也很重要。

“基于復(fù)雜生物體系和超分子組裝體系的應(yīng)用需求，近年來(lái)我對(duì)二維相關(guān)分析這項(xiàng)特殊的光譜分析技術(shù)比較關(guān)注。2019年8月底由我們吉林大學(xué)超分子實(shí)驗(yàn)室承辦了第十屆二維相關(guān)光譜新進(jìn)展國(guó)際研討會(huì)，我本人從第一屆到第十屆也基本都連續(xù)參加了這一系列國(guó)際會(huì)議。國(guó)內(nèi)的一些專家，如北京大學(xué)的徐亦莊教授、清華大學(xué)尉志武教授、孫素琴教授、周群教授，福州大學(xué)陳義平教授等多年來(lái)也一直活躍在這一領(lǐng)域，并連續(xù)參加該會(huì)議?！?/span>

吳玉清接下來(lái)為我們稍稍“普及”了二維相關(guān)光譜的知識(shí)。

二維相關(guān)光譜分析，即在儀器測(cè)試的原有光譜的基礎(chǔ)上、通過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算將隱藏于原有光譜（比如隱藏于強(qiáng)信號(hào)下的弱譜峰、以及重疊譜峰）中的一些微弱結(jié)構(gòu)信息提取。二維相關(guān)光譜有兩個(gè)優(yōu)勢(shì)：其一是把原有光譜之間的共性濾除，提取差異化的特征信號(hào)；其二是聯(lián)合使用同步和異步二維相關(guān)分析，把原來(lái)相互重疊的光譜逐個(gè)分開(kāi)，相當(dāng)于在一定程度上提升了光譜的分辨率。這樣，蘊(yùn)含在原有光譜中不同基團(tuán)的微弱結(jié)構(gòu)信息變化就可以很好地被提取出來(lái)。

圖1. 通過(guò)二維相關(guān)分析將蘊(yùn)含在原有FT-IR光譜中HSA不同二級(jí)結(jié)構(gòu)隨pH改變所發(fā)生的變化有效區(qū)分和揭示[1]

比如生物體系的紅外光譜，由于生物體系含有大量的水，以3500波數(shù)為中心的水的強(qiáng)吸收必然會(huì)覆蓋體系中其它羥基和氨基的特征峰，要從中提取它們的結(jié)構(gòu)信息將非常困難。在二維相關(guān)分析中，有一個(gè)步驟就是通過(guò)差減來(lái)扣除水譜。即利用差譜濾除共性，將待測(cè)物的差異化信號(hào)放大。例如，在研究水溶液中蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化時(shí)，由于蛋白的紅外光譜信號(hào)相對(duì)于水要弱很多，如何把蛋白質(zhì)的信號(hào)有效提取出來(lái)便成為難題。雖然各儀器廠商也在努力解決該問(wèn)題，但是在現(xiàn)有儀器達(dá)不到的情況下，可以利用二維相關(guān)分析的數(shù)學(xué)運(yùn)算將有效的結(jié)構(gòu)信息提取。

吳玉清還帶我們解讀了一些二維相關(guān)圖譜：“二維相關(guān)光譜所展示的實(shí)際上是一張3D圖，常用的是一種等高線圖，兩個(gè)波數(shù)之間可進(jìn)行相關(guān)展示：那些具有分子間弱相互作用的基團(tuán)，即具有相關(guān)性的結(jié)構(gòu)信息間就會(huì)展示出一個(gè)相關(guān)峰；而沒(méi)有相關(guān)性的基團(tuán)之間將不呈現(xiàn)相關(guān)峰。在隨外界一些物理變量（如時(shí)間、溫度、壓力、pH等）擾動(dòng)時(shí)，變化量越大的譜峰所呈現(xiàn)的相關(guān)峰就越強(qiáng)。

這樣，原來(lái)的一個(gè)相互重疊的寬峰在經(jīng)過(guò)二維相關(guān)分析后就可以被分成幾個(gè)獨(dú)立的小峰。二維相關(guān)分析的優(yōu)勢(shì)還在于：與二次微分、自卷積等一些其它分析技術(shù)不同，二維相關(guān)分析受人為技術(shù)參數(shù)的設(shè)定影響較小。只要掌握了二維相關(guān)分析的一些基礎(chǔ)知識(shí)，就能從復(fù)雜體系相互重疊的光譜信號(hào)提取出有用的結(jié)構(gòu)信息?！斑@是我本人在很多地方會(huì)重點(diǎn)介紹的體會(huì)，也希望更多的老師和科研工作者來(lái)參與和了解這項(xiàng)技術(shù)。”

談到多年前antpedia曾采訪過(guò)的Noda博士（Noda博士：只要你有好奇心，任何領(lǐng)域的大門都是向你敞開(kāi)的），吳玉清很興奮地說(shuō)：Noda是二維相關(guān)光譜領(lǐng)域的創(chuàng)始人，我們也是多年的好朋友和合作者。這個(gè)概念最初是從二維核磁衍生出來(lái)的，經(jīng)過(guò)一個(gè)數(shù)學(xué)運(yùn)算被引入到紅外光譜領(lǐng)域。目前，這項(xiàng)技術(shù)還可以用在XRD、熒光、拉曼等光譜領(lǐng)域。比如，我們課題組曾將其應(yīng)用到一些發(fā)光的納米材料體系：由于其熒光光譜通常都很寬，借助二維相關(guān)分析可將不同波長(zhǎng)的熒光峰位有效分開(kāi)。

圖 2. BSA保護(hù)的金屬納米簇中不同成分的熒光光譜在藥物檢測(cè)中的響應(yīng)被二維相關(guān)分析有效區(qū)分[2]。

此外，還有人做XRD以及不同光譜間的雜合二維相關(guān)分析。這種例子有很多，但前提是：對(duì)研究體系的物理意義的理解是基礎(chǔ)。很多光譜數(shù)據(jù)都可以做相關(guān)分析，但是否有真正的物理學(xué)意義，還需要研究者自己去把握。

光譜技術(shù)之美

從研究的角度，比如研究一種材料，它在很多波段都有光譜體現(xiàn)。但我們究竟關(guān)注哪些區(qū)域/波段的光譜？如何解析其物理意義和蘊(yùn)含的內(nèi)在本質(zhì)？

吳玉清說(shuō)：比如超分子體系的研究中，我們關(guān)心分子基團(tuán)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)信息，但更關(guān)注的是它和鄰近基團(tuán)間相互作用后微環(huán)境的改變對(duì)其原有信號(hào)的影響。如果只關(guān)心原有基團(tuán)的結(jié)構(gòu)取向和性質(zhì)，那僅研究中紅外區(qū)的光譜就可以；但如果研究分子間相互作用，就要用到近紅外區(qū)、甚至遠(yuǎn)紅外區(qū)的一些區(qū)域。所以，光譜只是研究具體對(duì)象的一種手段。

在真正的科學(xué)研究中，除光譜外還要涉及到其它多種技術(shù)。當(dāng)前的研究體系越來(lái)越復(fù)雜， 即使從發(fā)表成果的要求出發(fā)，只用一到兩種檢測(cè)技術(shù)手段是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的?，F(xiàn)在的一篇paper往往需要3-5種、甚至5-7種不同的檢測(cè)技術(shù)來(lái)表征同一個(gè)研究體系。從物理、化學(xué)到生物，從宏觀、微觀到形貌，從分子水平到亞分子水平，獲得的信息之間的相互佐證，才能更精細(xì)地表征研究體系。

“不僅我們自己要懂多種儀器和技術(shù)”，吳玉清接著說(shuō)：“我們的研究生在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后更需要學(xué)習(xí)和接受多種不同的技術(shù)的培訓(xùn)，比如表面界面科學(xué)的掃描電鏡、透射電鏡，熱力學(xué)的微量熱滴定ITC，生物學(xué)的蛋白電泳和western blot（免疫印跡）等都得學(xué)，需要掌握交叉學(xué)科的多種應(yīng)用技術(shù)?！?/span>

光譜在其中的作用

那么，在運(yùn)用了這么多技術(shù)手段后，回過(guò)頭看光譜，究竟發(fā)揮了何種作用？

吳玉清認(rèn)為：光譜技術(shù)，在解決這些體系中一些本質(zhì)的物理化學(xué)問(wèn)題方面，仍然是必不可缺、非常重要的一種技術(shù)手段?！斑@不是因?yàn)槲沂枪庾V背景出身，而是因?yàn)楣庾V技術(shù)確實(shí)能夠從一些基團(tuán)信息揭示分子水平和亞分子水平的結(jié)構(gòu)變化——這些非常本質(zhì)的信息層次是揭示體系性質(zhì)變化的根基，也是其它技術(shù)無(wú)法觸及的?！?/span>

比如，純粹研究材料的研究者，往往觀察到表象就足夠了；而物理化學(xué)出身的我，必須知道這些表象的本質(zhì)來(lái)源于什么，這種材料為什么具有優(yōu)勢(shì)？為什么好？當(dāng)使用某些技術(shù)手段檢測(cè)時(shí)，為什么它所呈現(xiàn)的理化技術(shù)參數(shù)更高、更好？我們需要從根源上來(lái)揭示這些本質(zhì)問(wèn)題。而研究表象背后最本質(zhì)的科學(xué)問(wèn)題靠什么？就是靠光譜學(xué)所揭示的體系最本源的結(jié)構(gòu)變化，包括分子結(jié)構(gòu)的變化、分子間相互作用的變化、體系微環(huán)境的變化等等。只有光譜技術(shù)才可以從本質(zhì)上來(lái)解釋這些科學(xué)問(wèn)題。

圖3. 圖中的（C）NMR 和 （D）FT-IR結(jié)果的很好地解釋了為什么只有(A, B) 在80 C條件下制備的金屬納米簇AuNCs@AMP才具備最高的發(fā)光效應(yīng) [3]。

展望光譜技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

吳玉清從自身研究需求的角度，談到對(duì)光譜技術(shù)發(fā)展的更高要求；應(yīng)用需求推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步，這或許正預(yù)示出未來(lái)10年光譜的發(fā)展趨勢(shì)。

首先是進(jìn)一步提高分辨率，包括光譜自身譜帶的分辨率、檢測(cè)時(shí)的空間分辨率和時(shí)間分辨率。比如，現(xiàn)在高分辨電鏡技術(shù)可以輕松獲得小于1 nm的空間分辨率，而當(dāng)前光譜成像對(duì)此尺寸還極具挑戰(zhàn)。再比如，研究發(fā)光的金屬納米簇，用電鏡可以清晰地看到一個(gè)晶格的影像，但目前還沒(méi)有辦法很好地解釋為何其表面配體結(jié)構(gòu)的改變或同一分子構(gòu)象變化會(huì)對(duì)發(fā)光產(chǎn)生如此大的影響。人們需要從分子、亞分子水平上去挖掘根源，挖掘產(chǎn)生表象的本質(zhì)原因。所以，提高分辨率是光譜需要解決的首要問(wèn)題。

其次是進(jìn)一步提高光譜檢測(cè)的靈敏度，并增強(qiáng)提取復(fù)雜信號(hào)中微弱信號(hào)的能力。當(dāng)絕對(duì)靈敏度更高時(shí)就可以獲得更細(xì)微的結(jié)構(gòu)變化信息；但如果基線噪音很高，微弱的結(jié)構(gòu)信號(hào)會(huì)被掩蓋。因此，提高靈敏度，提取微弱信號(hào)是光譜需要解決的第二大問(wèn)題。

吳玉清表示：光譜測(cè)試一直強(qiáng)調(diào)靈敏度、分辨率，好像是“老生常談”；但隨著技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，對(duì)靈敏度和分辨率的理解也有所不同。比如以前只談光譜自身譜帶的分辨率，現(xiàn)在提出對(duì)時(shí)空更高分辨率的要求。針尖增強(qiáng)拉曼（TERS）的空間分辨率已經(jīng)達(dá)到納米級(jí)，一些儀器廠商也正在努力改進(jìn)紅外光譜的時(shí)空間分辨率。對(duì)于光譜的時(shí)間分辨率，已經(jīng)從此前的微秒級(jí)提升到納秒級(jí)、皮秒級(jí)，雖然對(duì)光譜真正應(yīng)用還很有挑戰(zhàn)，但這是未來(lái)光譜技術(shù)進(jìn)步的一個(gè)理想。

對(duì)《光譜學(xué)與光譜分析》期刊的希望

作為《光譜學(xué)與光譜分析》期刊多年來(lái)的審稿人，吳玉清對(duì)該期刊的發(fā)展也提出一些建議：該期刊歷史悠久，已經(jīng)有了很好的基礎(chǔ)，當(dāng)前多數(shù)稿件的質(zhì)量水平非常高，但仍存在參差不齊的現(xiàn)象。希望也學(xué)習(xí)一些其它期刊的成功經(jīng)驗(yàn)，適當(dāng)?shù)匕l(fā)出一些約稿，邀請(qǐng)國(guó)內(nèi)外高水平專家學(xué)者寫(xiě)一些綜述類論文。比如約一些國(guó)內(nèi)的院士、杰青、長(zhǎng)江學(xué)者、青千專家等，撰寫(xiě)他們所在研究領(lǐng)域最新進(jìn)展的一些綜述，相信對(duì)讀者會(huì)非常有幫助。國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的科研工作者，讀了這些綜述以后一定會(huì)很受啟發(fā)，自然就會(huì)多引用這些綜述，從而良性地提高《光譜學(xué)與光譜分析》的引用率和知名度。

對(duì)本屆學(xué)術(shù)會(huì)議的期待

由于疫情影響，“第21屆全國(guó)分子光譜學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議 暨

2020年光譜年會(huì)”將推遲至2020年10月30日-11月2日舉行，地點(diǎn)仍在成都。對(duì)于本屆大會(huì)，吳玉清非常期待：在今年這個(gè)特殊的時(shí)期，每個(gè)人都經(jīng)歷了疫情的洗禮，相信大家會(huì)更加珍惜這一學(xué)術(shù)交流的相聚時(shí)刻：在成都這樣一個(gè)美麗的城市，相信大會(huì)一定會(huì)舉辦得非常成功！