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掃描探針加拉曼強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合重構(gòu)單分子化學(xué)結(jié)構(gòu)

2020-03-05 10:43:58來源：儀器網(wǎng)關(guān)鍵詞：掃描探針閱讀量：3209

　　【儀器網(wǎng) 行業(yè)要聞】分子化學(xué)結(jié)構(gòu)是生物學(xué)、化學(xué)甚至物理學(xué)重要的研究?jī)?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(xué)性質(zhì)的關(guān)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(cè)的主力。

　　拉曼光譜的原理——拉曼散射效應(yīng)來源于分子分子振動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)，因此從拉曼散射光譜中我們可以了解分子振動(dòng)結(jié)構(gòu)的信息。而且不同的分子化學(xué)基團(tuán)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(xué)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(xué)基團(tuán)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(duì)單分子骨架進(jìn)行成像，但是顯微成像無法得到足夠的化學(xué)信息來準(zhǔn)確判斷分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)。這一點(diǎn)完全可以與拉曼光譜互補(bǔ)。由拉曼光譜提供詳細(xì)的化學(xué)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(qiáng)拉曼散射(TERS)技術(shù)就是由此誕生，通過表面增強(qiáng)拉曼散射(SERS)以及原子力顯微鏡(AFM)的聯(lián)用，針尖增強(qiáng)拉曼散射技術(shù)可以將分子化學(xué)結(jié)構(gòu)測(cè)量的空間成像分辨率提高到幾個(gè)納米的水平，但是仍然很難實(shí)現(xiàn)單個(gè)分子成像。2013年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的研究人員首次將分辨率提高到亞納米尺度(0.5納米)，實(shí)現(xiàn)了單個(gè)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(xué)識(shí)別極限提高到0.3納米。

　　近，在《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》雜質(zhì)上，該團(tuán)隊(duì)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(xué)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(jìn)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(jí)分辨率可以對(duì)單個(gè)振動(dòng)模式進(jìn)行完整映射，在視覺上確定構(gòu)成分子的原子與化學(xué)鍵的位置。接著通過局部對(duì)稱和反對(duì)稱振動(dòng)的位置相關(guān)干擾效應(yīng)識(shí)別分子中化學(xué)基團(tuán)的連通性。然后利用光譜顯微圖像確定單個(gè)分子組成成分的明確排列。終實(shí)現(xiàn)分子化學(xué)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(shì)。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(cè)實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)補(bǔ)短，解決單一儀器在分辨率、靈敏度等方面的問題，還可以強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，實(shí)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(xué)識(shí)別能力越來越強(qiáng)，對(duì)表面催化反應(yīng)研究、表面物理化學(xué)過程原位研究等領(lǐng)域都具有重要的意義和實(shí)用價(jià)值。

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