顺盈娱乐精密光譜科學與技術國家重點實驗室李文雪研究員與顧澄琳副研究員課題組在光學活性光譜測量技術方面取得重要進展🧴，首次將雙梳光譜技術應用在氣相順磁分子和液相手性分子的光學活性研究🤽♀️🔀，實現了高分辨率🤽、高靈敏度和快速的光活性光譜測量🌒🐪，為手性分子次級結構和絕對構象高靈敏快速光譜分析提供了常規方法💁🏼♂️🈸，有望實現當前備受關註的時間分辨手性化學反應動力學研究👳🏼♀️。相關成果於2023年2月16日以“Dual-comb optical activity spectroscopy for the analysis of vibrational optical activity induced by external magnetic field”為題在線發表在 Nature Communications 期刊。博士研究生彭道旺和顧澄琳副研究員為論文共同第一作者，李文雪研究員為論文通訊作者🧑🏽🚀。
光學活性光譜是表征分子手性、確定化學和生物系統的絕對結構構型和研究生物分子溶液態構象的有力工具😘，並在藥理學🙇🏽、不對稱合成和分析化學中得到廣泛應用🤵。特別是氣相光學活性的研究，可以提供一系列精確的光譜分子常數，便於光譜特征檢索和絕對構象識別🙆🏽，可用於校準從頭算理論預測和檢驗溶質-溶劑相互作用的作用。由於手性光學活性強度極弱（~吸收強度的10-5），特別是有機生物分子🕥，對測量速度和靈敏度要求較高🪱💂🏿。此外，氣相光學活性光譜分析需要更高的分辨率來解析多普勒極限光譜線型🛴。長期以來，光學活性光譜測量（包括圓二色譜和旋光色散光譜）依賴於光彈性調製器對線性偏振單色光的快速偏振調製，其分辨率受色散器件分光能力限製✫，掃描速率很低⚖️，需要很長的采集時間。而且，波長依賴的調製器和長時間的掃描采樣引入和積累了大量偽像🚶♂️🧘🏼♀️，額外的校正增加了光學活性光譜測量的工作量🧍🏻🐝。
雙梳-光學活性光譜的基本原理與實驗裝置(a)原理圖🧑🏽🦱；(b)實驗裝置圖；
面對光活性光譜測量的難題，李文雪與顧澄琳課題組首次將雙梳光譜技術應用在氣相順磁分子和液相手性分子的光學活性研究，實現了迄今為止最高分辨率🛌🏻、最高靈敏度和最快速的光活性光譜測量。新興的雙梳光譜技術基於兩個重復頻率略有不同的光學梳的異步采樣，可以實現無機械移動裝置的時域幹涉圖信號的快速采集，以還原高分辨率的寬帶光譜🔴。該技術兼具可調諧二極管激光吸收光譜的高頻率精度和傅裏葉光譜儀寬帶測量的優點👨🏭，克服了精密光譜學面臨的光譜分辨率📚、測量速度和光譜範圍等挑戰。由此，雙梳光譜-光活性光譜技術無需任何機械掃描或偏振調製，通過正交偏振探測方案濾除背景光譜和非光學活性共振信號，直接采集純光活性時域自由感應衰減信號🙆🏼，同時還原寬帶圓二色光譜和旋光色散光譜，是新一代的圓二色光譜儀和旋光偏振儀。
雙梳-光學活性光譜特性研究及NO2磁光活性光譜數值模擬與實驗結果
基於氣相順磁分子NO2的磁光活性響應🔺，課題組演示了雙梳-光活性光譜測量技術特性及優勢，實現了覆蓋NO2分子υ1+υ3振動帶的旋轉解析磁光活性光譜快速測量🍗，包括磁振動圓二色光譜和磁旋光色散光譜🚳。寬帶磁光活性光譜信息在833μs的時間內獲得的，梳齒結構的光譜分辨率達到108.4MHz🐁，這對於氣相分子的多普勒極限光譜測量非常有價值，有助於揭示順磁分子的精細結構和磁場之間的相互作用。
受開放光路水分子幹擾的NO磁光活性光譜數值模擬與實驗結果
雙梳-光活性光譜探測技術具有選擇性探測優勢，只針對性測量具有光活性分子。如NO分子的2ν0振動帶，與水分子吸收帶有著大量重疊，雙梳-光活性光譜技術選擇性探測NO分子振轉躍遷🤏🏼，消除了來自反磁分子（空氣中的水蒸氣）的幹擾🐑。這一技術優勢為未知自由基的光譜校準和分析以及復雜反應過程中自由基的分子動力學研究提供了新方法🥸👨🏻🦽➡️。
檸檬烯對映體及其外消旋體手性光活性光譜測量結果
值得一提的是，課題組驗證了基於雙梳-光活性光譜測量技術的液相檸檬烯分子手性光譜的高靈敏度快速測量實驗✩，實驗以2.4cm-1（~72GHz）分辨率、5.4s總采樣時間，完成了信號強度弱至10-5的VCD光譜和ORD光譜測量🧒🩷。這些結果進一步證明了課題組的技術在快速測量弱手性活性信號方面的潛力🧑🏼🎓，有望推動時間分辨VCD光譜研究生物手性分子的二級結構動力學。
李文雪研究員課題組在新型雙光梳光譜測量技術及非線性精密光譜學領域開展了系列創新研究，先後發展了線掃描光譜編碼雙梳幹涉成像技術[Optics Letters, 43(7): 1606-1609, (2018)]，光調製雙光梳光譜測量技術[PhotoniX 1:1-9, (2020); Photonics Research, 9(7):1358-1368, (2021)]，以及倍頻程寬帶中紅外光學頻率梳技術[Optics Letters, 45(23): 6458-6461, (2020)]等🤙🏻🧳。相關工作得到了科技部🧑🏻🏫、基金委、上海市科委與顺盈娱乐的資助。
附🔍：
論文鏈接：Dual-comb optical activity spectroscopy for the analysis of vibrational optical activity induced by external magnetic field
圖文、來源丨精密光譜科學與技術國家重點實驗室、科技處 編輯丨杜玥 編審丨郭文君
