中国科大｜将空间分辨率推向新极限提出扫描拉曼埃分辨显微术

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分享： 2020/02/13 11:24:55

导读：中国科学技术大学侯建国院士领衔的单分子科学团队的董振超研究组与罗毅研究组在单分子拉曼成像领域取得重大进展。

近日，中国科学技术大学侯建国院士领衔的单分子科学团队的董振超研究组与罗毅研究组，在单分子拉曼成像领域取得重大进展，将空间分辨率推向新极限，实现了埃级单化学键分辨的分子内各种振动模式的实空间成像，并提出了一种全新的分子化学结构重构技术——扫描拉曼埃分辨显微术（Scanning Raman Picoscopy，SRP）。该成果于2019年11月8日在《国家科学评论》上在线发表研究论文“Visually Constructing the Chemical Structure of a Single Molecule by Scanning Raman Picoscopy”。

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精确确定分子的化学结构对于任何一个分子相关领域都具有至关重要的意义，是深刻理解分子的化学、物理、生物等性质和功能的关键。扫描隧道显微镜和原子力显微镜具有在实空间对单分子骨架进行成像的杰出能力，但这些技术通常缺乏精确确定单分子结构所必须的化学信息。拉曼散射光谱中包含了丰富的分子振动结构信息，不同化学基团的拉曼光谱的谱形特征各不相同，因此拉曼光谱可以作为分子化学基团的“指纹”识别工具，但常规拉曼成像技术达不到扫描针尖技术所具有的的超高空间分辨率。因此，将二者结合发展起来的针尖增强拉曼光谱技术（TERS），可以克服各自技术的缺陷，融合两种技术的优势，为实现单分子化学结构的确定提供了可能。

2013年，由侯建国院士领衔的单分子科学团队首次展示了亚纳米分辨的单分子拉曼成像技术 [Nature 498, 82 (2013)]，将具有化学识别能力的空间分辨率提高到了一个纳米以下（~5埃），此项突破性成果已被国际同行引用八百多次。在此基础上，研究者们一方面探索单分子拉曼成像技术空间分辨率的极限，另一方面思考如何充分发挥这项技术的独特优势。

最近，该团队通过改进低温（液氦）超高真空针尖增强拉曼光谱系统和精细调控针尖尖端高度局域的等离激元场，将空间分辨率提高到了1.5埃的埃级单个化学键识别水平，在实空间获得了分子各种本征振动模式完整的空间成像图案，并发现和观察到了分子对称和反对称振动模式中显著不同的干涉效应。更为重要的是，该团队基于埃级分辨的分子振动模式成像图以及由此揭示的新物理效应，结合化学基团的拉曼指纹数据库，提出了一种可视化构建分子结构的新方法——扫描拉曼埃分辨显微术。

扫描拉曼埃分辨显微术充分彰显了基于拉曼信号的针尖扫描技术“锋芒毕显”地在实空间精确确定分子化学结构的能力。研究者以单个镁卟啉分子作为模型体系，采用“搭积木”(Lego-like)方式把各个化学基团拼接起来，实现对整个分子化学结构的构建。

埃级分辨的扫描拉曼显微术所具备的这种解析未知分子化学结构的能力，无疑将引起化学、物理、材料和生物等领域科研人员的广泛兴趣，催生这一领域的大量相关研究。可以预见，通过与人工智能、机器学习相结合，SRP有望发展成为一种成熟和通用的技术，将为在单个化学键尺度上确定单分子的化学结构、原位研究表面物理化学过程和表面催化反应等提供新的手段，也为生物分子的高分辨成像和结构确定提供了新的思路。