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掃描探針加拉曼強強聯(lián)合重構(gòu)單分子化學結(jié)構(gòu)

2020-03-05 10:43:58來源：儀器網(wǎng)關鍵詞：掃描探針閱讀量：3147

導讀：近，在《國家科學評論》雜質(zhì)上，中國科學技術(shù)大學的研究人員發(fā)表新的研究論文，不僅打破了幾年前的化學識別分辨率極限，還提出了新的分子化學結(jié)構(gòu)重構(gòu)技術(shù)——掃描拉曼埃分辨顯微術(shù)。

　　【儀器網(wǎng) 行業(yè)要聞】分子化學結(jié)構(gòu)是生物學、化學甚至物理學重要的研究內(nèi)容。除了構(gòu)成物質(zhì)的元素，分子結(jié)構(gòu)是影響物質(zhì)化學性質(zhì)的關鍵因素。分子結(jié)構(gòu)的確定在很大程度上依賴于光譜分析帶來的數(shù)據(jù)，其中拉曼光譜是分子結(jié)構(gòu)檢測的主力。

　　拉曼光譜的原理——拉曼散射效應來源于分子分子振動與轉(zhuǎn)動，因此從拉曼散射光譜中我們可以了解分子振動結(jié)構(gòu)的信息。而且不同的分子化學基團擁有不同的拉曼光譜特征，這讓拉曼光譜可以明顯區(qū)分分子的種類和結(jié)構(gòu)。然而拉曼光譜在空間分辨率上的不足使其很難滿足科學家在納米與亞納米尺度上研究分子結(jié)構(gòu)的要求，而且也缺少空間信息，無法確定化學基團的位置和連通性。

　　這一問題的解決辦法是掃描探針顯微鏡與拉曼光譜的聯(lián)用。掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡很早就用于分子結(jié)構(gòu)研究，超高空間分辨率讓這些掃描探針顯微鏡可以對單分子骨架進行成像，但是顯微成像無法得到足夠的化學信息來準確判斷分子的化學結(jié)構(gòu)。這一點完全可以與拉曼光譜互補。由拉曼光譜提供詳細的化學信息，而掃描探針顯微鏡則提供超高空間分辨率與空間信息。

　　針尖增強拉曼散射(TERS)技術(shù)就是由此誕生，通過表面增強拉曼散射(SERS)以及原子力顯微鏡(AFM)的聯(lián)用，針尖增強拉曼散射技術(shù)可以將分子化學結(jié)構(gòu)測量的空間成像分辨率提高到幾個納米的水平，但是仍然很難實現(xiàn)單個分子成像。2013年，中國科學技術(shù)大學的研究人員首次將分辨率提高到亞納米尺度(0.5納米)，實現(xiàn)了單個卟啉分子拉曼光譜成像。而后又于2015年利用超高分辨的非線性TERS技術(shù)，將化學識別極限提高到0.3納米。

　　近，在《國家科學評論》雜質(zhì)上，該團隊又發(fā)表新的研究論文，不僅打破了幾年前的分辨率極限，還提出了新的分子化學結(jié)構(gòu)重構(gòu)技術(shù)——掃描拉曼埃分辨顯微術(shù)。

　　研究人員通過改進低溫(液氦)超高真空掃描隧道顯微鏡系統(tǒng)，將拉曼光譜成像的空間分辨率提高到1.5埃(0.15納米)。埃級分辨率可以對單個振動模式進行完整映射，在視覺上確定構(gòu)成分子的原子與化學鍵的位置。接著通過局部對稱和反對稱振動的位置相關干擾效應識別分子中化學基團的連通性。然后利用光譜顯微圖像確定單個分子組成成分的明確排列。終實現(xiàn)分子化學結(jié)構(gòu)的重構(gòu)。

　　不同儀器的聯(lián)用已經(jīng)成為儀器技術(shù)發(fā)展的一大趨勢。分析儀器中各類色譜與質(zhì)譜的聯(lián)用儀器幾乎已經(jīng)是各檢測實驗室的常用儀器，除此之外，元素分析儀與同位素比質(zhì)譜儀、液相色譜儀與原子熒光光譜儀、熒光顯微鏡和電子顯微鏡等聯(lián)用搭配也很常見。通過不同儀器的聯(lián)用，不僅可以取長補短，解決單一儀器在分辨率、靈敏度等方面的問題，還可以強強聯(lián)合，實現(xiàn)儀器性能的突破，從而解決科研的瓶頸，讓研究更加深入。

　　掃描探針顯微鏡與拉曼光譜聯(lián)用技術(shù)的發(fā)展，讓分子結(jié)構(gòu)納米尺度的化學識別能力越來越強，對表面催化反應研究、表面物理化學過程原位研究等領域都具有重要的意義和實用價值。

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