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中国科学家革新成像技术, “看清”分子结构

分子大小一般在1纳米左右,不仅肉眼看不到,连光学显微镜都无能为力。而中国科学技术大学董振超教授的团队革新了探测微观世界的拉曼成像技术(Raman Imaging),使其成像的空间分辨率达到了0.5纳米,使得人类能够识别分子内部的结构和分子在表面上的吸附构型。这一研究结果发表在今日出版的《自然》杂志上。

经过董振超团队的改良,单光子光学拉曼成像的空间分辨率从3到15纳米提高到了0.5纳米,在国际上首次实现亚纳米分辨。“这项研究对了解微观世界,特别是微观催化反应机制、分子纳米器件的微观构造和包括DNA测序在内的高分辨生物分子成像,都具有极其重要的科学意义和实用价值。”董振超教授接受果壳网采访时介绍道。

拉曼光谱分析技术是在科学研究中被广泛使用的一项技术,通过检测分子的旋转和振动信息对分子进行鉴别。数十年来,拉曼光谱技术通过不同手段得到发展革新,表面增强拉曼光谱技术(SERS)、针尖增强拉曼光谱技术(TERS)等分析技术应运而生。其中,TERS是扫描隧道显微镜(STM)和拉曼光谱分析技术的结合产物,利用纳米尺度的STM针尖增强样品分子的拉曼光谱信号。“我们的研究成果是基于TERS做出的改进,特别是通过频谱匹配调控把非线性效应引入到TERS中,进而实现拉曼信号增强,并提高空间分辨率。”董振超教授告诉果壳网。借助双共振过程产生非线性效应,改进后的TERS技术可以识别分子内部结构以及分子在表面上的吸附构型。

左图: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,Vb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:分子拉曼光谱。右下图:拉曼成像图和强度分布曲线。图片来源:董振超 图片文字来源:中国科大新闻中心

 

这种新的拉曼成像技术将在纳米光子学、生物光子学、乃至任何需要在分子尺度上识别样品成分及结构的领域上得到广泛应用。《自然》的审稿人表示,董振超团队的研究“是该领域迄今质量最高的顶级工作,开辟了该领域的一片新天地”。然而,继续进行技术革新的脚步并未停止。

问及这项技术尚存的限制时,董振超教授表示:“这项技术对STM纳腔中的等离激元共振模式有要求,如何方便地控制针尖形状以获得所要的共振模式,成为制约分辨率的瓶颈。”另一方面,由于目前局域等离激元场强的大小是通过针尖与金属衬底之间的间距来控制的,“如果实验测量可以不依赖金属衬底,而单纯依靠针尖等离激元的模式和强度就可以实现,那这项技术的应用范围就会更广。”

董振超教授指出,鉴于当前的电化学针尖制作方法,得到一根好针尖还带有一定的运气成分。有鉴于此,“发展的方向应该是在针尖结构的调控上下功夫。”他对果壳网说,“一种可能的解决途径是利用先进的纳米加工手段,对针尖结构加以可控制备,获得想要的模式和强度。”拉曼光谱技术的成像极限,将继续受到科学家们的挑战。

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,分子的振动信息成像通过投影到底幕中的振动影像来表示。图片作者:王国燕 梁琰 图片文字来源:中国科大新闻中心

信息来源:Nature News

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发布于2013-06-06, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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