吴玉清:解析本质科学问题 光谱未来发展动力无限

2020年6月22日 09:13:29 来源: 分析测试百科
收藏到BLOG

“七彩光谱 万象更新”主题系列访吉林大学吴玉清教授

  光谱技术已迈过百年历史长河,中国的光谱分析技术亦可追溯到上个世纪50年代,今日中国的光谱技术已从国际上“跟跑”跃升到部分领域领跑的地位。在这背后,国内老中青几代科学家克服了严峻的挑战、也付出了辛勤的汗水。伴随着将在成都召开的第21届全国分子光谱学学术会议,中国光学学会光谱专业委员会和分析测试百科网联合举办了“七彩光谱 万象更新”的主题活动。活动将采访光谱界业内的一线工作者,探讨光谱学近年来的发展进程、最新技术与应用,展望光谱学未来发展的新方向,籍此希望对广大的光谱爱好者和从业者有更多的启发。

  吉林大学超分子结构与材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分析技术解密分子表象背后物理化学意义的乐趣,对光谱学在现有科研中的地位、作用以及未来的发展都做了生动的阐述,相信一定会激发更多学者对光谱学的热爱。

1.jpg

吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室 吴玉清教授

用二维相关光谱分析解决复杂体系面临的挑战性

  吴玉清教授首先谈到了自己目前从事的两大研究体系:“我原来主要做小分子体系的光谱学研究,现在从事更为复杂的研究体系。首先,我工作于吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室,研究体系偏重于一些超分子组装体系,利用光谱技术检测分子间的一些弱相互作用;其中也包括一些更为复杂的生物超分子体系。”

  吴玉清谈到了将传统光谱技术应用于自己研究体系中所面临的若干挑战。生物体系本身就成分复杂、干扰源多,因此在光谱测试时有两大障碍和瓶颈需要首先克服:一个是抗干扰,另一个则是提高检测的灵敏度——因为在复杂体系中被检测成分的含量都较低,提高灵敏度和排除其它物质的干扰都很重要。

  而对于超分子组装体系,由于分子间相互作用力本身都比较弱;尽管有加合性和协同性的存在,总体信号依然比较弱,需要提高检测的灵敏度。此外,分子间弱相互作用产生的光谱峰(如红外谱峰)之间常常相互重叠。因此,提高谱带间的分辨率也很重要。

  “基于复杂生物体系和超分子组装体系的应用需求,近年来我对二维相关分析这项特殊的光谱分析技术比较关注。2019年8月底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进展国际研讨会,我本人从第一届到第十届也基本都连续参加了这一系列国际会议。国内的一些专家,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,并连续参加该会议。”

  吴玉清接下来为我们稍稍“普及”了二维相关光谱的知识。

  二维相关光谱分析,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(比如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;其二是联合使用同步和异步二维相关分析,把原来相互重叠的光谱逐个分开,相当于在一定程度上提升了光谱的分辨率。这样,蕴含在原有光谱中不同基团的微弱结构信息变化就可以很好地被提取出来。

1.jpg

图1. 通过二维相关分析将蕴含在原有FT-IR光谱中HSA不同二级结构随pH改变所发生的变化有效区分和揭示[1]。

  比如生物体系的红外光谱,由于生物体系含有大量的水,以3500波数为中心的水的强吸收必然会覆盖体系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非常困难。在二维相关分析中,有一个步骤就是通过差减来扣除水谱。即利用差谱滤除共性,将待测物的差异化信号放大。例如,在研究水溶液中蛋白质的结构变化时,由于蛋白的红外光谱信号相对于水要弱很多,如何把蛋白质的信号有效提取出来便成为难题。虽然各仪器厂商也在努力解决该问题,但是在现有仪器达不到的情况下,可以利用二维相关分析的数学运算将有效的结构信息提取。

  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实际上是一张3D图,常用的是一种等高线图,两个波数之间可进行相关展示: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呈现相关峰。在随外界一些物理变量(如时间、温度、压力、pH等)扰动时,变化量越大的谱峰所呈现的相关峰就越强。

  这样,原来的一个相互重叠的宽峰在经过二维相关分析后就可以被分成几个独立的小峰。二维相关分析的优势还在于:与二次微分、自卷积等一些其它分析技术不同,二维相关分析受人为技术参数的设定影响较小。只要掌握了二维相关分析的一些基础知识,就能从复杂体系相互重叠的光谱信号提取出有用的结构信息。“这是我本人在很多地方会重点介绍的体会,也希望更多的老师和科研工作者来参与和了解这项技术。”

  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始人,我们也是多年的好朋友和合作者。这个概念最初是从二维核磁衍生出来的,经过一个数学运算被引入到红外光谱领域。目前,这项技术还可以用在XRD、荧光、拉曼等光谱领域。比如,我们课题组曾将其应用到一些发光的纳米材料体系:由于其荧光光谱通常都很宽,借助二维相关分析可将不同波长的荧光峰位有效分开。

1.jpg

图 2. BSA保护的金属纳米簇中不同成分的荧光光谱在药物检测中的响应被二维相关分析有效区分[2]。

  此外,还有人做XRD以及不同光谱间的杂合二维相关分析。这种例子有很多,但前提是:对研究体系的物理意义的理解是基础。很多光谱数据都可以做相关分析,但是否有真正的物理学意义,还需要研究者自己去把握。

光谱技术之美

  从研究的角度,比如研究一种材料,它在很多波段都有光谱体现。但我们究竟关注哪些区域/波段的光谱?如何解析其物理意义和蕴含的内在本质?

  吴玉清说:比如超分子体系的研究中,我们关心分子基团的基础结构信息,但更关注的是它和邻近基团间相互作用后微环境的改变对其原有信号的影响。如果只关心原有基团的结构取向和性质,那仅研究中红外区的光谱就可以;但如果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。所以,光谱只是研究具体对象的一种手段。

  在真正的科学研究中,除光谱外还要涉及到其它多种技术。当前的研究体系越来越复杂, 即使从发表成果的要求出发,只用一到两种检测技术手段是远远不够的。现在的一篇paper往往需要3-5种、甚至5-7种不同的检测技术来表征同一个研究体系。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,才能更精细地表征研究体系。

  “不仅我们自己要懂多种仪器和技术”,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不同的技术的培训,比如表面界面科学的扫描电镜、透射电镜,热力学的微量热滴定ITC,生物学的蛋白电泳和western blot(免疫印迹)等都得学,需要掌握交叉学科的多种应用技术。”

  光谱在其中的作用

  那么,在运用了这么多技术手段后,回过头看光谱,究竟发挥了何种作用?

  吴玉清认为:光谱技术,在解决这些体系中一些本质的物理化学问题方面,仍然是必不可缺、非常重要的一种技术手段。“这不是因为我是光谱背景出身,而是因为光谱技术确实能够从一些基团信息揭示分子水平和亚分子水平的结构变化——这些非常本质的信息层次是揭示体系性质变化的根基,也是其它技术无法触及的。”

  比如,纯粹研究材料的研究者,往往观察到表象就足够了;而物理化学出身的我,必须知道这些表象的本质来源于什么,这种材料为什么具有优势?为什么好?当使用某些技术手段检测时,为什么它所呈现的理化技术参数更高、更好?我们需要从根源上来揭示这些本质问题。而研究表象背后最本质的科学问题靠什么?就是靠光谱学所揭示的体系最本源的结构变化,包括分子结构的变化、分子间相互作用的变化、体系微环境的变化等等。只有光谱技术才可以从本质上来解释这些科学问题。

1.jpg

图3. 图中的(C)NMR 和 (D)FT-IR结果的很好地解释了为什么只有(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]。

  展望光谱技术发展趋势

  吴玉清从自身研究需求的角度,谈到对光谱技术发展的更高要求;应用需求推动技术进步,这或许正预示出未来10年光谱的发展趋势。

  首先是进一步提高分辨率,包括光谱自身谱带的分辨率、检测时的空间分辨率和时间分辨率。比如,现在高分辨电镜技术可以轻松获得小于1 nm的空间分辨率,而当前光谱成像对此尺寸还极具挑战。再比如,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,但目前还没有办法很好地解释为何其表面配体结构的改变或同一分子构象变化会对发光产生如此大的影响。人们需要从分子、亚分子水平上去挖掘根源,挖掘产生表象的本质原因。所以,提高分辨率是光谱需要解决的首要问题。

  其次是进一步提高光谱检测的灵敏度,并增强提取复杂信号中微弱信号的能力。当绝对灵敏度更高时就可以获得更细微的结构变化信息;但如果基线噪音很高,微弱的结构信号会被掩盖。因此,提高灵敏度,提取微弱信号是光谱需要解决的第二大问题。

  吴玉清表示:光谱测试一直强调灵敏度、分辨率,好像是“老生常谈”;但随着技术的发展和进步,对灵敏度和分辨率的理解也有所不同。比如以前只谈光谱自身谱带的分辨率,现在提出对时空更高分辨率的要求。针尖增强拉曼(TERS)的空间分辨率已经达到纳米级,一些仪器厂商也正在努力改进红外光谱的时空间分辨率。对于光谱的时间分辨率,已经从此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,但这是未来光谱技术进步的一个理想。

对《光谱学与光谱分析》期刊的希望

  作为《光谱学与光谱分析》期刊多年来的审稿人,吴玉清对该期刊的发展也提出一些建议:该期刊历史悠久,已经有了很好的基础,当前多数稿件的质量水平非常高,但仍存在参差不齐的现象。希望也学习一些其它期刊的成功经验,适当地发出一些约稿,邀请国内外高水平专家学者写一些综述类论文。比如约一些国内的院士、杰青、长江学者、青千专家等,撰写他们所在研究领域最新进展的一些综述,相信对读者会非常有帮助。国内相关领域的科研工作者,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《光谱学与光谱分析》的引用率和知名度。

对本届学术会议的期待

  由于疫情影响,“第21届全国分子光谱学学术会议 暨

  2020年光谱年会”将推迟至2020年10月30日-11月2日举行,地点仍在成都。对于本届大会,吴玉清非常期待:在今年这个特殊的时期,每个人都经历了疫情的洗礼,相信大家会更加珍惜这一学术交流的相聚时刻:在成都这样一个美丽的城市,相信大会一定会举办得非常成功!

  参考文献:

  [1] Koichi Murayama,?,? Yuqing Wu,?,§ Bogus?awa Czarnik-Matusewicz,?,| and Yukihiro Ozaki J. Phys. Chem. B 2001, 105, 4763-4769.

  [2] Xueling Cao, Hongwei Li, Lili Lian, Na, Dawei Lou, Yuqing Wu, Analytica Chimica Acta 2015, 871, 43–50.

  [3] Jiao Liu, Hong-Wei Li, Wei-Xian Wang, Yuqing Wu J. Mater. Chem. B, 2017, 5, 3550--3556