左圖為實(shí)驗(yàn)原理的藝術(shù)化處理，分子的振動(dòng)信息和拉曼成像通過底幕上的波狀影像來表示。綠色激光照耀下卟啉分子渲染成翡翠質(zhì)感，彰顯著“玉如意”的中國(guó)元素。王國(guó)燕、周榮庭繪圖
本報(bào)訊（記者蔣家平）中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的研究人員在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)亞納米分辨的單分子光學(xué)拉曼成像，將具有化學(xué)識(shí)別能力的空間成像分辨率提高到前所未有的0.5納米。6月6日，《自然》雜志在線發(fā)表了該項(xiàng)成果。三位審稿人盛贊這項(xiàng)工作“打破了所有的紀(jì)錄，是該領(lǐng)域創(chuàng)建以來的最大進(jìn)展”、“是該領(lǐng)域迄今質(zhì)量最高的頂級(jí)工作，開辟了該領(lǐng)域的一片新天地”、“是一項(xiàng)設(shè)計(jì)精妙的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)與理論模擬相結(jié)合的意義重大的工作”。世界著名納米光子學(xué)專家還在同期雜志的《新聞與觀點(diǎn)》欄目撰文評(píng)述了這項(xiàng)研究。
據(jù)悉，這一成果由中科院院士侯建國(guó)領(lǐng)銜的中國(guó)科大微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室單分子科學(xué)團(tuán)隊(duì)董振超研究小組完成，博士生張瑞、張堯?yàn)檎撐墓餐谝蛔髡摺?/div>
據(jù)了解，物質(zhì)世界里的分子非常小，一般在1個(gè)納米左右，相當(dāng)于人的頭發(fā)絲直徑的六萬分之一。如此小的尺度，不僅肉眼看不到，連光學(xué)顯微鏡都無能為力。如何在納米甚至亞納米尺度上實(shí)現(xiàn)分子成像并能識(shí)別分子的化學(xué)信息，從而幫助人類認(rèn)識(shí)分子結(jié)構(gòu)、更進(jìn)一步了解微觀世界，是科學(xué)家們持續(xù)關(guān)注的熱點(diǎn)。
光的頻率在散射后會(huì)發(fā)生變化，而頻率的變化情況取決于散射物質(zhì)的特性，這就是物理學(xué)上曾獲得諾貝爾獎(jiǎng)的著名的“拉曼散射”。“拉曼散射光中包含了豐富的分子振動(dòng)結(jié)構(gòu)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(shí)別人的身份一樣，拉曼光譜的譜形也就成為科學(xué)家們識(shí)別不同分子的‘指紋’光譜?！闭撐耐ㄓ嵶髡咧?、中國(guó)科大教授董振超介紹說，拉曼光譜已經(jīng)成為物理、化學(xué)、材料、生物等領(lǐng)域研究分子結(jié)構(gòu)的重要手段。
上世紀(jì)70年代以來，隨著表面增強(qiáng)拉曼散射技術(shù)，特別是針尖增強(qiáng)拉曼散射（TERS）技術(shù)的發(fā)展，光譜探測(cè)的靈敏度以及拉曼成像的分辨率都有了極大的提高?！捌瘢茖W(xué)家們已將TERS測(cè)量的最佳空間成像分辨率發(fā)展到幾個(gè)納米的水平，但這顯然還不適合對(duì)單個(gè)分子進(jìn)行化學(xué)識(shí)別成像?！倍癯f。
微尺度實(shí)驗(yàn)室單分子科學(xué)團(tuán)隊(duì)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(xué)檢測(cè)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(qiáng)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(shí)現(xiàn)了亞納米分辨的單個(gè)卟啉分子的拉曼光譜成像，使化學(xué)識(shí)別的分辨率達(dá)到前所未有的0.5納米，可識(shí)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(duì)材料的成分和結(jié)構(gòu)進(jìn)行識(shí)別的領(lǐng)域，該項(xiàng)研究成果都有很大的用途。”董振超表示，這項(xiàng)研究對(duì)了解微觀世界，特別是微觀催化反應(yīng)機(jī)制、分子納米器件的微觀構(gòu)造和包括DNA測(cè)序在內(nèi)的高分辨生物分子成像，具有極其重要的科學(xué)意義和實(shí)用價(jià)值，也為研究單分子非線性光學(xué)和光化學(xué)過程開辟了新的途徑。
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