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2013-06-06 09:44:50
来源：中国科大新闻中心 挑战化学成像极限：中国科大实现单分子拉曼光谱成像 由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小组，在高分辨化学识别与成像领域取得重大突破，首次实现了亚纳米分辨的单分子光学拉曼成像。这项研究结果突破了光学成像手段中衍射极限的瓶颈，将具有化学识别能力的空间成像分辨率提高到一个纳米以下，对了解微观世界，特别是微观催化反应机制、分子纳米器件的微观构造，以及包括DNA测序在内的高分辨生物分子成像，具有重要实用价值，也为研究单分子非线性光学和光化学过程开辟了新的途径。该成果于2013年6月6日在线发表在《自然》杂志上，第一作者为中国科学技术大学微尺度物质科学国家实验室的博士生张瑞和张尧同学。  图片说明：左图是STM控制的针尖增强拉曼散射测量原理示意图。图中所示为共焦边照射实验构型，Vt是加在样品上的偏压，It为控制探针与衬底间距的隧穿电流。当一束激光聚焦到金属针尖与衬底之间的纳腔时，就会产生很强的高度局域化的等离激元电磁场，后者会显著增强针尖下单个分子的拉曼散射信号。右上图为分子拉曼光谱，右下图为拉曼成像图和强度分布曲线 。 董振超教授介绍，印度科学家拉曼于1928年发现了光子被物质分子散射后能量发生变化的光散射现象，他因此获诺贝尔物理学奖（亚洲获此殊荣的第一位科学家）。拉曼散射中光子的能量变化通常起源于分子振动能量与入射光子能量的叠加，其散射过程包含了丰富的分子振动结构的信息。由于不同分子的拉曼光谱的谱形特征各不相同，作为分子识别的“指纹”光谱，它像人的指纹一样可以用来识别人的身份。现在，拉曼光谱已经成为物理、化学、材料、生物等领域研究分子结构的重要手段。 1970年代，表面增强拉曼散射技术借助物理与化学增强手段使探测灵敏度得到了提高，而针尖增强拉曼散射（TERS）技术，除了能极大提高光谱探测的灵敏度外，还可以同时提供高空间分辨的拉曼成像，因此人们对TERS技术探测微观世界充满了期待。科技人员经过大量努力，已经将TERS测量的最佳空间成像分辨率发展到了几个纳米的水平，但仍然还不适合于对单个分子进行化学识别成像。
亚纳米化学成像翡翠卟啉风格(图片作者:王国燕 周荣庭） 图片说明：在绿色入射激光的激发下，处于STM纳腔中的卟啉分子受到高度局域且增强的等离激元光的强烈影响，使得分子的振动指纹信息可以通过拉曼散射光进行高分辨成像。图片是实验原理的艺术化处理，分子的振动信息和拉曼成像通过底幕上的波状影像来表示。绿色激光照耀下卟啉渲染成翡翠质感，彰显着 “玉如意”的中国元素。 实验中，他们在仅仅使用单束连续波激光作为拉曼泵浦光源的情况下，通过频谱共振调控实现了三阶非线性受激拉曼散射过程。这样能提高探测灵敏度，使测量所需要的入射激光强度大幅降低，以保证被测分子的稳定性。由于激光产生的纳腔等离激元场起着类似拉曼探测光源的作用，其空间上的高度局域性使得成像空间分辨率得到显著改善。因此，这也为研究单分子非线性光学和光化学过程找到了一个新的途径。 |
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