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扫描探针加拉曼强强联合重构单分子化学结构

2021年08月12日 湛江机械设备网

扫描探针加拉曼 强强联合重构单分子化学结构

分子化学结构是生物学、化学甚至物理学重要的研究内容。除了构成物质的元素,分子结构是影响物质化学性质的关键因素。分子结构的确定在很大程度上依赖于光谱分析带来的数据,其中拉曼光谱是分子结构检测的主力。

拉曼光谱的原理——拉曼散射效应来源于分子分子振动与转动,因此从拉曼散射光谱中我们可以了解分子振动结构的信息。而且不同的分子化学基团拥有不同的拉曼光谱特征,这让拉曼光谱可以明显区分分子的种类和结构。然而拉曼光谱在空间分辨率上的不足使其很难满足科学家在纳米与亚纳米尺度上研究分子结构的要求,而且也缺少空间信息,无法确定化学基团的位置和连通性。

这一问题的解决办法是扫描探针显微镜与拉曼光谱的联用。扫描隧道显微镜、原子力显微镜很早就用于分子结构研究,超高空间分辨率让这些扫描探针显微镜可以对单分子骨架进行成像,但是显微成像无法得到足够的化学信息来准确判断分子的化学结构。这一点完全可以与拉曼光谱互补。由拉曼光谱提供详细的化学信息,而扫描探针显微镜则提供超高空间分辨率与空间信息。

针尖增强拉曼散射(TERS)技术就是由此诞生,通过表面增强拉曼散射(SERS)以及原子力显微镜(AFM)的联用,针尖增强拉曼散射技术可以将分子化学结构测量的空间成像分辨率提高到几个纳米的水平,但是仍然很难实现单个分子成像。2013年,中国科学技术大学的研究人员首次将分辨率提高到亚纳米尺度(0.5纳米),实现了单个卟啉分子拉曼光谱成像。而后又于2015年利用超高分辨的非线性TERS技术,将化学识别极限提高到0.3纳米。

最近,在《国家科学评论》杂质上,该团队又发表新的研究论文,不仅打破了几年前的分辨率极限,还提出了新的分子化学结构重构技术——扫描拉曼埃分辨显微术。

研究人员通过改进低温(液氦)超高真空扫描隧道显微镜系统,将拉曼光谱成像的空间分辨率提高到1.5埃(0.15纳米)。埃级分辨率可以对单个振动模式进行完整映射,在视觉上确定构成分子的原子与化学键的位置。接着通过局部对称和反对称振动的位置相关干扰效应识别分子中化学基团的连通性。然后利用光谱显微图像确定单个分子组成成分的明确排列。最终实现分子化学结构的重构。

不同仪器的联用已经成为仪器技术发展的一大趋势。分析仪器中各类色谱与质谱的联用仪器几乎已经是各检测实验室的常用仪器,除此之外,元素分析仪与同位素比质谱仪、液相色谱仪与原子荧光光谱仪、荧光显微镜和电子显微镜等联用搭配也很常见。通过不同仪器的联用,不仅可以取长补短,解决单一仪器在分辨率、灵敏度等方面的问题,还可以强强联合,实现仪器性能的突破,从而解决科研的瓶颈,让研究更加深入。

扫描探针显微镜与拉曼光谱联用技术的发展,让分子结构纳米尺度的化学识别能力越来越强,对表面催化反应研究、表面物理化学过程原位研究等领域都具有重要的意义和实用价值。

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