纵观分子光谱学科本身发展及其应用的进展，不难看出，其发展趋势与其他分析手段大致类似，与奥林匹克格言“更快、更高、更强”大致相同。

　　五十年前的今天(1969年7月20日)美国宇宙飞船“阿波罗11”号登上了月球，首次实现了人类登上月球的梦想。宇航员阿姆斯特朗成为了第一个踏上月球的宇航员，并说出了流传于世的名言“这是我个人的一小步，但却是全人类的一大步。”

　　几年前在一套科学家传记丛书的扉页上看到两句话：“一切进步都是空间的拓展”“一切节约都是时间的延长”。这两句话我记忆深刻，尤其是第一句话，似乎能够在感性上理解和接纳，但又感觉很绝对，较难把握基本点。后一句话相对容易理解，因为马克思说过“一切节省，归根到底都归结为时间的节省”，本人从事的与分子光谱相关的科研和应用工作，也大都是以节约分析时间、提高分析效率、获得经济效益为主要目的。近一段时间，通过一些学术文献和新闻报道的研读和思考，对这两句话有了一些感悟，尤其对空间拓展的认识，有了一定的提高。应仪器信息网的编辑老师约稿，整理出来与同行们共同探讨。既然是认识和体会，尤其是这一领域涉及的基础理论和知识面很宽，与工程实际联系很深，文中肯定有遗漏的内容和内涵，也肯定有不正确的表达，敬请师长和同行批评指正。

　　先从垃圾分类中的废塑料说起。1972 年，Carpenter 在美国Florida 沿海首次发现了微塑料。随后，微塑料在全球各地的水、沉积物、生物体中不断被检出，尤其是在人类生产活动密集的港口及河流入海口、海岸带等地区。

　　2004年，英国科学家在Science上发表了关于海洋水体和沉积物中塑料碎片的论文。“微塑料”这个名词就渐渐的进入了人们的视野。直径小于 5mm 的塑料、纤维、或薄膜被定义为微塑料。

　　2018年1月26日 新华社报道，正在“雪龙”号上执行大洋科考任务的中国第34次南极科考队近日在南极戴维斯海采集的海水微样本中，利用“傅立叶变换显微红外光谱仪”进行分析鉴定，最终确认样本中的两个肉眼可见蓝色片状物为聚丙烯微塑料。

　　2018年9月5日，央视新闻报导，我国载人潜水器“蛟龙号”去年从大洋深处带回海洋生物，通过“傅立叶变换显微红外光谱仪”研究后发现，在4500米水深下生活的海洋生物体内检出微塑料，这些微塑料很可能是纤维状塑料绳。

　　2018年10月23日，英国卫报报导，维也纳医学大学的研究团队通过“傅立叶变换红外显微成像技术”首次从人类粪便中检出塑料微粒，研究检验了8名参与者的粪便，参与者来自欧洲、日本和俄罗斯，所有检体内都含有塑料微粒，研究包含10个塑料检验项目，检体中发现多达9种，尺寸从50至500微米，最常见的是聚丙烯和聚对苯二甲酸乙二醇酯，平均每10克粪便中有20颗塑料微粒。

　　2019年3月19日，媒体报道，国际非营利性新闻机构Orb Media和纽约州立大学弗里多尼亚分校的科学家对11个知名品牌的259瓶瓶装水进行了测试，发现几乎所有的瓶装水中都含有塑料微粒。

　　上述微塑料的研究尺寸大都在20微米以上，因为受光衍射所限，传统的傅立叶变换显微红外光谱的空间分辨率在10微米左右。实际上，在自然界中，还存在很多微塑料其尺寸可达微米乃至纳米级，1微米到100纳米的塑料颗粒被称为亚微塑料，尺寸小于100纳米的被称为纳米塑料。很多研究表明，大多数微小的塑料颗粒具有微米和纳米级别的尺寸。

　　目前共聚焦拉曼光谱可以实现亚微米级的化学成分分析，实际空间分辨率一般为1μm左右。2018年D Schymanski等人通过μ-Raman光谱对瓶装水中的微塑料分布进行了分析，得到了如图1所示的结果。尽管拉曼光谱可以实现较低的空间分辨率分析，但由于拉曼信号较弱，加上背景荧光较强，所以应用范围受到限制。

　　近十年来，激光器尤其是量子级联激光器 (QCL)的快速发展，显著提升了传统傅立叶变换红外显微成像技术。例如，已有商品化的激光红外成像系统将QCL与快速扫描光学元件相结合，仅需测量几个关键波长，即可实现大面积的高分辨率图像，从而节省时间和成本。在ATR模式下，可选择小至 0.1 微米的像素分辨率。例如，在制药领域，通过该系统可获得有关活性药物成分、赋形剂、多晶型、盐类和缺陷的有用信息，以便能够快速找出并解决药物开发过程中遇到的问题，保证不同生产批次之间具有良好的一致性。

　　纳米级红外光谱(Nano IR)则是一个里程碑式的技术突破，它通过利用原子力显微镜(AFM)与红外光谱联合的方式来表征物质，原子力显微镜的工作方式有点像唱片机针，它在材料表面上移动，并在提升和下降时测量最细微的表面特征。Nano IR可使红外光谱的空间分辨率突破了光学衍射极限，提高至10nm级别，典型的光学空间分辨率约为20 nm，在得到微区形貌、表面物理性能的基础上，进一步解析样品表面纳米尺度的化学信息。Nano IR目前主要有两种实现方式：一是基于光热诱导共振现象开发的原子力显微-红外光谱(AFM-IR)技术(见图2)，另一种是基于针尖近场散射的s-SNOM(Scattering-type scanning nearfield optical microscopy，s-SNOM)技术(见图3)。两种技术都能实现微区的光谱信号采集和成像，从而获得化学成分信息。

　　AFM-IR纳米级红外技术主要依赖于样品的吸收系数ks，与针尖和样品的其他光学性质基本无光，因此该技术尤其适合具有较高热膨胀系数的软物质材料，例如高分子聚合物、复合材料、蛋白和细胞、纤维、多层膜结构、药物、锂电池等的纳米尺度的化学成分鉴定，组分分布及相分离结构，表界面化学分析和失效研究等方面。s-SNOM技术，其应用受到样品限制，只有对红外光有较强散射的样品才能得到信号，而且散射信号复杂，必须有模型进行修正，得到的红外光谱的波数也有漂移，使得结果的理解不够直接。但SNOM技术特别适用于硬质材料，特别是具有高反射率、高介电常数或强光学共振的材料。

　　AFM除了与红外光谱联用以外，还可与其他光谱相结合，例如AFM与拉曼光谱仪联用的针尖增强拉曼散射(Tip-enhanced RamanScattering，TERS)光谱技术，目前最佳的光学空间分辨率可达0.5 nm，AFM与太赫兹光谱技术联用的散射式的近场太赫兹(Scattering-type Scanning Near-field THz Spectroscopy，S-SNTS)光谱技术，目前最佳光学空间分辨率为40nm。TERS、Nano-IR与S-SNTS三种技术的基本原理类似，都是依赖于探测在金属化探针针尖尖端形成的、与针尖曲率半径大小相当的纳米级增强光源与待测分子之间的相互作用，来获得纳米级的光学空间分辨率。

　　F Huth等人将Nano-IR 应用到对纳米尺度样品污染物的化学鉴定上，图4中显示的Si表面覆盖PMMA薄膜的横截面AFM成像图，其中AFM相位图显示在Si片和PMMA薄膜的界面存在一个100nm尺寸的污染物，使用Nano-FTIR在污染物中心获得的红外光谱清晰的揭示出了污染物的化学成分，与标准FTIR数据库中谱线进行比对，可以确定污染物为PDMS颗粒。

　　S Gamage等人利用纳米级红外光谱成像技术，揭示如艾滋病病毒(HIV)、埃博拉病毒及流感病毒等有包膜病毒(Enveloped viruses)在入侵宿主细胞前进行的关键性结构变化。他们发现了一种抗病毒化合物，能有效地阻止流感病毒在低pH值暴露期间进入宿主细胞，低pH值环境是病毒引起感染的最佳条件。该方法提供了关于包膜病毒如何攻击宿主的重要细节，以及预防这些病毒攻击的可能方法。

　　我国科研人员也利用纳米级红外光谱技术开展了相关的研究工作。例如，唐福光等人利用纳米红外AFM-IR对高抗冲聚丙烯共聚物材料个三种不同微区组分进行分析，这些信息有助于理解聚合反应动力学与颗粒生长机理和催化剂的优化设计。史云胜等人通过纳米级红外光谱分析发现石墨平台表面具有非常有序的碳六元环结构，并且吸附的水分子最少。而石墨平台微结构的边缘由于悬键及微加工等原因是吸附水分子最多的位置，石墨基底由于微加工的破坏已经不具有碳六元环结构。这些信息明确了所处环境对石墨平台微结构不同位置的影响，为指导微机电器件的制备与应用提供了信息。韦鹏练等人应用纳米级红外技术研究了竹材纤维细胞壁的化学成分及其分布，观察到了木质素在细胞壁中具有团聚状的不均匀分布。

　　此外，同步辐射(Synchrotrons)作为另一种新型的红外光源，具有光谱宽(10～10000 cm-1)、亮度高(比传统Globar光源高2～3个数量级) 、小发散角等特性，特别是其高亮度的特性十分适合开展红外显微光谱成像研究，对小样品或小样品区域的表征上具有传统红外光谱无法比拟的优势(见图5)。随着同步辐射红外显微光谱技术的发展，已经将研究的重点从组织层次的红外光谱成像扩展到细胞层次的红外光谱成像，并在近十年的研究中取得了可观的研究成果，对细胞的结构和功能研究中以及其他领域(文化遗产、考古学、地球和空间科学、化学和高分子科学等)不同材料的研究中都会逐步显示出了独特的作用。

　　例如，2017年C Y Wu等人在Nature上发文，他们使用基于同步辐射红外纳米光谱(Synchrotron-radiation-based infrared nanospectroscopy，SINS)，成功研究了结合在催化剂颗粒上的N-杂环卡宾分子的化学转化，空间分辨率达25nm。研究人员由此可以分辨具有不同活性的颗粒区域，结果表明，与颗粒顶部的平坦区域相比，包含低配位数金属原子的颗粒边缘的催化活性更高，能更有效催化结合在催化剂颗粒上的N-杂环卡宾分子中化学活性基团的氧化和还原(见图6)。

　　光热诱导亚微米红外成像技术(Mid-infrared photothermal，MIP)采用AFM-IR光热技术的基本概念克服红外波长衍射极限的限。