面向世界科技前沿,面向國家重大需求,面向國民經濟主戰場,率先實現科學技術跨越發展,率先建成國家創新人才高地,率先建成國家高水平科技智庫,率先建設國際一流科研機構。

——中國科學院辦院方針

首頁 > 科研進展

中國科大提出掃描拉曼埃分辨顯微術

2020-02-13 中國科學技術大學
【字體:

語音播報

  最近,中國科學院院士、中國科學技術大學教授侯建國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新进展,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》(NSR)上在線發表,並于近期正式出版。

  精確確定分子的化學結構對于任何一個分子相關領域都具有至關重要的意義,是深刻理解分子的化學、物理、生物等性質和功能的關鍵。掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡具有在實空間對單分子骨架進行成像的傑出能力,但這些技術通常缺乏精確確定單分子結構所必須的化學信息。拉曼散射光譜中包含了豐富的分子振動結構信息,不同化學基團的拉曼光譜譜形特征各不相同,因此拉曼光譜可以作爲分子化學基團的“指紋”識別工具,但常規拉曼成像技術達不到掃描針尖技術所具有的超高空間分辨率。因此,將二者結合發展起來的針尖增強拉曼光譜技術(TERS),可以克服各自技術的缺陷,爲實現單分子化學結構的確定提供了可能。

  2013年,由侯建國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)。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。该团队在《国家科学评论》发表的研究成果,将空间分辨率推向了一个新的极限,并为最新技术提出了一种重要的新应用。他们通过改进低温(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,他们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(SRP)。

  SRP方法充分彰顯了基于拉曼信號的針尖掃描技術在實空間精確確定分子化學結構的能力。研究者以單個鎂卟啉分子作爲模型體系,采用“搭積木”(Lego-like)方式把各個化學基團拼接起來,實現對整個分子化學結構的構建。埃級分辨的掃描拉曼顯微術所具備的這種解析未知分子化學結構的能力,有望引起化學、物理、材料和生物等領域科研人員的興趣並催生相關研究。通過與人工智能、機器學習相結合,SRP有望發展成爲一種成熟和通用的技術,爲在單個化學鍵尺度上確定單分子的化學結構、原位研究表面物理化學過程和表面催化反應等提供新的手段。

  該系列研究工作得到了國家自然科學基金委、科技部、中科院、教育部、安徽省等的支持。

  論文链接

  掃描拉曼埃分辨顯微術(SRP)的藝術化效果圖。高度局域化的等離激元電磁場會顯著增強針尖下方單個分子內部局域化學基團的拉曼散射信號。將不同化學基團簡正振動模式對應的拉曼成像圖樣進行合並,就可以采用類似“堆積木”的方式將各個化學基團拼接起來,構建出完整的分子化學結構。

打印 責任編輯:任霄鵬

© 1996 - 中國科學院 版权所有 京ICP備05002857號 京公網安備110402500047號

聯系我們 地址:北京市三里河路52号 邮编:100864