儀器儀表
左圖為實驗原理的藝術化處理，分子的振動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感，彰顯著“玉如意”的中國元素。
中國科學技術大學的研究人員在國際上首次實現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。6月6日，《自然》雜志在線發表了該項成果。三位審稿人盛贊這項工作“打破了所有的紀錄，是該領域創建以來的最大進展”、“是該領域迄今質量最高的頂級工作，開辟了該領域的一片新天地”、“是一項設計精妙的實驗觀測與理論模擬相結合的意義重大的工作”。世界著名納米光子學專家還在同期雜志的《新聞與觀點》欄目撰文評述了這項研究。
據悉，這一成果由中科院院士侯建國領銜的中國科大微尺度物質科學國家實驗室單分子科學團隊董振超研究小組完成，博士生張瑞、張堯為論文共同第一作者。
據了解，物質世界里的分子非常小，一般在1個納米左右，相當于人的頭發絲直徑的六萬分之一。如此小的尺度，不僅肉眼看不到，連光學顯微鏡都無能為力。如何在納米甚至亞納米尺度上實現分子成像并能識別分子的化學信息，從而幫助人類認識分子結構、更進一步了解微觀世界，是科學家們持續關注的熱點。
光的頻率在散射后會發生變化，而頻率的變化情況取決于散射物質的特性，這就是物理學上曾獲得諾貝爾獎的著名的“拉曼散射”。“拉曼散射光中包含了豐富的分子振動結構信息，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學家們識別不同分子的‘指紋’光譜。”論文通訊作者之一、中國科大教授董振超介紹說，拉曼光譜已經成為物理、化學、材料、生物等領域研究分子結構的重要手段。
上世紀70年代以來，隨著表面增強拉曼散射技術，特別是針尖增強拉曼散射（TERS）技術的發展，光譜探測的靈敏度以及拉曼成像的分辨率都有了極大的提高。“迄今，科學家們已將TERS測量的最佳空間成像分辨率發展到幾個納米的水平，但這顯然還不適合對單個分子進行化學識別成像。”董振超說。
微尺度實驗室單分子科學團隊一直致力于自主研制科研裝備，發展了將高分辨掃描隧道顯微技術與高靈敏光學檢測技術融為一體的聯用系統。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，通過與入射光激發和分子拉曼光子發射發生雙重共振的頻譜匹配調控，實現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，可識別分子內部的結構和分子在表面上的吸附構型。
“可以說，在任何需要在分子尺度上對材料的成分和結構進行識別的領域，該項研究成果都有很大的用途。”董振超表示，這項研究對了解微觀世界，特別是微觀催化反應機制、分子納米器件的微觀構造和包括DNA測序在內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。
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（徐）