光谱手艺已迈过百年历史长河，中国的光谱剖析手艺亦可追溯到上个世纪50年月，今日中国的光谱手艺已从国际上“跟跑”跃升到部门领域领跑的职位。在这背后，海内老中青几代科学家战胜了严肃的挑战、也支付了辛勤的汗水。陪同着将在成都召开的第21届天下分子光谱学学术聚会会议，中国光学学会光谱专业委yuan会和剖析测试百科网团结举行了“七彩光谱 万象更新”的主题运动。运动将采访光谱界业内的一线事情者，探讨光谱学近年来的生长历程、最新手艺与应用，展望光谱学未来生长的新偏向，籍此希望对宽大的光谱喜欢者和从颐魅者有更多的启发。

吉林大学超分子结构与质料国家重点实验室的吴玉清教授，早期致力于物理化学的谱学基础理论，现在主要从事超分子和生物大分子的应用研究。从基础理论到前沿应用，吴教授为我们讲述了运用光谱和多种剖析手艺解密分子表象背后物理化学意义的兴趣，对光谱学在现有科研中的职位、作用以及未来的生长都做了生动的叙述，信托一定会引发更多学者对光谱学的热爱。

用二维相关光谱剖析解决重大系统面临的挑战性

吴玉清教授首先谈到了自己目莂n邮碌牧酱笱芯肯低：“我原来主要做小分子系统的光谱学研究，现在从事更为重大的研究系统。首先，我事情于吉林大学超分子结构与质料国家重点实验室，研究系统着重于一些超分子组装系统，使用光谱手艺检测分子间的一些弱相互作用；其中也包罗一些更为重大的生物超分子系统。”

吴玉清谈到了将传统光谱手艺应用于自己研究系统中所面临的若干挑战。生物系统本shen就因素重大、滋扰源多，因此在光谱测试时有两大障碍和瓶颈需要首先战胜：一个是抗滋扰，另一个则是提高检测的迅速度——由于在重大系统中被检测因素的含量都较低，提高迅速度和扫除其它物质的滋扰都很主要。

而对于超分子组装系统，由于分子间相互作用力本shen都较量弱；只管有加合性和协同性的存在，总体信号依然较量弱，需要提高检测的迅速度。此外，分子间弱相互作用发生的光谱峰（如红外谱峰）之间经常相互重叠。因此，提高谱带间的分辨率也很主要。

“基于重大生物系统和超分子组装系统的应用需求，近年纁i叶远维相关剖析这项特殊的光谱剖析手艺较量关注。2019年8月尾由我们吉林大学超分子实验室承办了第十届二维相关光谱新希望国际钻研会，我本人从第一届到第十届也基本都一连加入了这一系列国际聚会会议。海内的一些专家，如北京大学的徐亦庄教授、清华大学尉志武教授、孙素琴教授、周群教授，福州大学陈义平教授等多年来也一直活跃在这一领域，并一连加入gai聚会会议。”

吴玉清接下纁i颐巧陨浴捌占啊绷硕维相关光谱的知识。

二维相关光谱剖析，即在仪器测试的原有光谱的基础上、通过数学运算将隐藏于原有光谱（好比隐藏于强信号下的弱谱峰、以及重叠谱峰）中的一些微弱结构信息提取。二维相关光谱有两个优势：其一是把原有光谱之间的共性滤除，提取差异化的特征信号；其二是团结使用同步和异步二维相关剖析，把原来相互重叠的光谱逐个脱离，相当于在一定水平上提升了光谱的分辨率。这样，蕴含在原有光谱中差异基团的微弱结构信息转变就可以很好地被提取出来。

图1. 通过二维相关剖析将蕴含在原有FT-IR光谱中HSA差异二级结构随pH改变所发生的转变有用区分和展现[1]

好比生物系统的红外光谱，由于生物系统含有大量的水，以3500波数为中心的水的强吸收一定会笼罩系统中其它羟基和氨基的特征峰，要从中提取它们的结构信息将很是难题。在二维相关剖析中，有一个步骤就是通过差减来扣除水谱。即使用差谱滤除共性，将待测物的差异化信号放大。例如，在研究水溶液中卵白质的结构转变时，由于卵白的红外光谱信号相对于水要弱许多，怎样把卵白质的信号有用提取出来便成为难题。虽然各仪器厂商也在起劲解决gai问题，可是在现有仪器达不到的qing况下，可以使用二维相关剖析的数学运算将有用的结构信息提取。

吴玉清还带我们解读了一些二维相关图谱：“二维相关光谱所展示的现实上是一张3D图，常用的是一种等高线图，两个波数之间可举行相关展示：那些具有分子间弱相互作用的基团，即具有相关性的结构信息间就会展示出一个相关峰；而没有相关性的基团之间将不泛起相关峰。在随外界一些物理变量（如时间、温度、压力、pH等）扰动时，转变量越大的谱峰所泛起的相关峰就越强。

这样，原来的一个相互重叠的宽峰在经由二维相关剖析后就可襶uan环殖杉父鲎粤Φ男》。二维相关剖析的优势还在于：与二ci微分、自卷积等一些其它剖析手艺差异，二维相关剖析受人为手艺参数的设定影响较小。只要掌握了二维相关剖析的一些基础知识，就能从重大系统相互重叠的光谱信号提取出有用的结构信息。“这是我本人在许多地方会重点先容的体会，也希望更多的先生和科研事情者来加入和相识这项手艺。”

谈到多年前antpedia曾采访过的Noda博士（Noda博士：只要你有好奇心，任何领域的大门都是向你敞开的），吴玉清很兴奋地说：Noda是二维相关光谱领域的创shi人，我们也是多年的好朋侪和相助者。这个看法最初是从二维核磁衍生出来的，经由一个数学运算被引入到红外光谱领域。现在，这项手艺还可以用在XRD、荧光、拉曼等光谱领域。好比，我们课题组曾将其应用到一些发光的纳米质料系统：由于其荧光光谱通常都很宽，jie助二维相关剖析可将差异波长的荧光峰位有用脱离。

图 2. BSA掩护的金属纳米簇中差异因素的荧光光谱在药物检测中的响应被二维相关剖析有用区分[2]。

此外，尚有人做XRD以及差异光谱间的杂合二维相关剖析。这种例子有许多，但条件是：对研究系统的物理意义的明确是基础。许多光谱数据都可以做相关剖析，可是否有真正的物理学意义，还需要研究者自己去掌握。

光谱手艺之美

从研究的角度，好比研究一种质料，它在许多波段都有光谱体现。但我们事实关注哪些区域/波段的光谱？怎样剖析其物理意义和蕴含的内在本质？

吴玉清说：好比超分子系统的研究中，我们体贴分子基团的基础结构信息，但更关注的是它和相近基团间相互作用后微情形的改变对其原有信号的影响。若是只体贴原有基团的结构取向和性子，那仅研究中红外区的光谱就可以；但若是研究分子间相互作用，就要用到近红外区、甚至远红外区的一些区域。以是，光谱只是研究详细工具的一种手段。

在真正的科学研究中，除光谱外还要涉及到其它多种手艺。当前的研究系统越来越重大， 纵然从揭晓效果的要求出发，只用一到两种检测手艺手段是远远不够的。现在的一篇paperwangwang需要3-5种、甚至5-7种差异的检测手艺来表征统一个研究系统。从物理、化学到生物，从宏观、微观到形貌，从分子水平到亚分子水平，获得的信息之间的相互佐证，才气更细腻地表征研究系统。

“不仅我们自己要懂多种仪器和手艺”，吴玉清接着说：“我们的研究生在进入实验室后更需要学习和接受多种差异的手艺的培训，好比外貌界面科学的扫描电镜、透射电镜，热力学的微量热滴定ITC，生物学的卵白电泳和western blot（免疫印迹）等都得学，需要掌握交织学科的多种应用手艺。”

光谱在其中的作用

那么，在运用了这么多手艺手段后，回过头看光谱，事实施展了何种作用？

吴玉清以为：光谱手艺，在解决这些系统中一些本质的物理化学问题方面，仍然是必不行缺、很是主要的一种手艺手段。“这不是由于我是光谱配景出shen，而是由于光谱手艺确实能够从一些基团信息展现分子水平和亚分子水平的结构转变——这些很是本质的信息层ci是展现系统性子转变的基本，也是其它手艺无法触及的。”

好比，纯粹研究质料的研究者，wangwang视察到表象就足够了；而物理化学出shen的我，必须知道这些表象的本质泉源于什么，这种质料为什么具有优势？为什么好？当使用某些手艺手段检测时，为什么它所泛起的理化手艺参数更高、更好？我们需要从泉源上来展现这些本诘责题。而研究表象背后最本质的科学问题靠什么？就是靠光谱学所展现的系统最本源的结构转变，包罗分子结构的转变、分子间相互作用的转变、系统微情形的转变等等。只有光谱手艺才可以从本质上来诠释这些科学问题。

图3. 图中的（C）NMR 和 （D）FT-IR效果的很好地诠释了为什么只有(A, B) 在80 C条件下制备的金属纳米簇AuNCs@AMP才具备最高的发光效应 [3]。

展望光谱手艺生长趋势

吴玉清从自shen研究需求的角度，谈到对光谱手艺生长的更高要求；应用需求推下手艺前进，这或许正预示出未来10年光谱的生长趋势。

首先是进一步提高分辨率，包罗光谱自shen谱带的分辨率、检测时的空间分辨率和时间分辨率。好比，现在高分辨电镜手艺可以轻松获得小于1 nm的空间分辨率，而当前光谱成像对此尺寸还极具挑战。再好比，研究发光的金属纳米簇，用电镜可以清晰地看到一个晶格的影像，但现在还没有措施很好地诠释为何其外貌配体结构的改变或统一分子构象转变会对发光发生云云大的影响。人们需要从分子、亚分子水平上去挖掘泉源，挖掘发生表象的本质缘故原由。以是，提高分辨率是光谱需要解决的主要问题。

其ci是进一步提高光谱检测的迅速度，并zeng强提取重大信号中微弱信号的能力。当绝对迅速度更高时就可以获得更细微的结构转变信息；但若是基线噪音很高，微弱的结构信号会被掩饰。因此，提高迅速度，提取微弱信号是光谱需要解决的第二大问题。

吴玉清体现：光谱测试一直强调迅速度、分辨率，似乎是“老生常谈”；但随着手艺的生长和前进，对迅速度和分辨率的明确也有所差异。好比以前只谈光谱自shen谱带的分辨率，现在提出对时空更高分辨率的要求。针尖zeng强拉曼（TERS）的空间分辨率已经到达纳米级，一些仪器厂商也正在起劲刷新红外光谱的时空间分辨率。对于光谱的时间分辨率，已经以后前的微秒级提升到纳秒级、皮秒级，虽然对光谱真正应用还很有挑战，但这是未来光谱手艺前进的一个理想。

对《光谱学与光谱剖析》期刊的希望

作为《光谱学与光谱剖析》期刊多年来的审稿人，吴玉清对gai期刊的生长也提出一些建议：gai期刊历史悠久，已经有了很好的基。鼻岸嗍寮的质量水平很是高，但仍存在七零八落的征象。希望也学习一些其它期刊的乐成履历，适当地发出一些约稿，约请海内外高水平专家学者写一些综述类论文。好比约一些海内的院士、杰青、长江学者、青千专家等，撰写他们所在研究领域最新希望的一些综述，信托对读者会很是有资助。海内相关领域的科研事情者，读了这些综述以后一定会很受启发，自然就会多引用这些综述，从而良性地提高《光谱学与光谱剖析》的引用率和着名度。

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由于疫qing影响，“第21届天下分子光谱学学术聚会会议 暨

2020年光谱年会”将推迟至2020年10月30日-11月2日举行，所在仍在成都。对于本届大会，吴玉清很是期待：在今年这个特殊的时期，每小我私人都履历了疫qing的洗礼，信托各人会越发珍惜这一学术交流的相聚时刻：在成都这样一个漂亮的都市，信托大会一定会举行得很是乐成！