我國實現(xiàn)世界最高分辨率單分子拉曼成像

記者從中國科學技術(shù)大學了解到，該校的科學家們在國際上首次實現(xiàn)亞納米分辨的單分子光學拉曼成像，將具有化學識別能力的空間成像分辨率提高到前所未有的0.5納米。國際權(quán)威學術(shù)期刊《自然》雜志于6月6日在線發(fā)表了這項成果。世界著名納米光子學專家Atkin教授和Raschke教授在同期雜志的《新聞與觀點》欄目以《光學光譜探測挺進分子內(nèi)部》為題撰文評述了這一研究成果�！蹲匀弧啡�位審稿人盛贊這項工作“打破了所有的紀錄，是該領(lǐng)域創(chuàng)建以來的最大進展”，“是該領(lǐng)域迄今質(zhì)量最高的頂級工作，開辟了該領(lǐng)域的一片新天地”，“是一項設(shè)計精妙的實驗觀測與理論模擬相結(jié)合的意義重大的工作”。

這一成果是由該校微尺度物質(zhì)科學國家實驗室侯建國院士領(lǐng)銜的單分子科學團隊董振超研究小組完成的，博士生張瑞、張堯為論文共同第一作者。

光的頻率在散射后會發(fā)生變化，而頻率的變化情況取決于散射物質(zhì)的特性，這是物理學上獲得諾貝爾獎的著名的“拉曼散射”�！袄�曼散射光中包含了豐富的分子振動結(jié)構(gòu)的信息，不同分子的拉曼光譜的譜形特征各不相同，因此，正如通過人的指紋可以識別人的身份一樣，拉曼光譜的譜形也就成為科技工作者識別不同分子的‘指紋’光譜�！闭撐耐ㄓ嵶髡咧�一的董振超教授介紹說，拉曼光譜已經(jīng)成為物理、化學、材料、生物等領(lǐng)域研究分子結(jié)構(gòu)的重要手段。

上世紀70年代以來，隨著表面增強拉曼散射技術(shù)，特別是針尖增強拉曼散射（TERS）技術(shù)的發(fā)展，光譜探測的靈敏度以及拉曼成像的分辨率都有了極大提高。“迄今，科學家們已將TERS測量的最佳空間成像分辨率發(fā)展到幾個納米的水平，但這顯然還不適合于對單個分子進行化學識別成像�！倍�振超說。

微尺度實驗室單分子科學團隊多年來一直致力于自主研制科研裝備，發(fā)展了將高分辨掃描隧道顯微技術(shù)與高靈敏光學檢測技術(shù)融為一體的聯(lián)用系統(tǒng)。他們利用針尖與襯底之間形成的納腔等離激元“天線”的寬頻、局域與增強特性，通過與入射光激發(fā)和分子拉曼光子發(fā)射發(fā)生雙重共振的頻譜匹配調(diào)控，實現(xiàn)了亞納米分辨的單個卟啉分子的拉曼光譜成像，使化學識別的分辨率達到前所未有的0.5納米，可識別分子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和分子在表面上的吸附構(gòu)型。

“可以說，在任何需要在分子尺度上對材料的成分和結(jié)構(gòu)進行識別的領(lǐng)域，該項研究成果都有很大的用途�！倍�振超說，這項研究對了解微觀世界，特別是微觀催化反應(yīng)機制、分子納米器件的微觀構(gòu)造和包括DNA測序在內(nèi)的高分辨生物分子成像，具有極其重要的科學意義和實用價值，也為研究單分子非線性光學和光化學過程開辟了新的途徑。