近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)侯建國院士領(lǐng)銜的單分子科學(xué)團(tuán)隊(duì)的董振超研究組與羅毅研究組，在單分子拉曼成像領(lǐng)域取得重大進(jìn)展，將空間分辨率推向新極限，實(shí)現(xiàn)了埃級(jí)單化學(xué)鍵分辨的分子內(nèi)各種振動(dòng)模式的實(shí)空間成像，并提出了一種全新的分子化學(xué)結(jié)構(gòu)重構(gòu)技術(shù)——掃描拉曼埃分辨顯微術(shù)（Scanning Raman Picoscopy，SRP）。該成果于2019年11月8日在《國家科學(xué)評(píng)論》上在線發(fā)表研究論文“Visually Constructing the Chemical Structure of a Single Molecule by Scanning Raman Picoscopy”。

精確確定分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)于任何一個(gè)分子相關(guān)領(lǐng)域都具有至關(guān)重要的意義，是深刻理解分子的化學(xué)、物理、生物等性質(zhì)和功能的關(guān)鍵。掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡具有在實(shí)空間對(duì)單分子骨架進(jìn)行成像的杰出能力，但這些技術(shù)通常缺乏精確確定單分子結(jié)構(gòu)所必須的化學(xué)信息。拉曼散射光譜中包含了豐富的分子振動(dòng)結(jié)構(gòu)信息，不同化學(xué)基團(tuán)的拉曼光譜的譜形特征各不相同，因此拉曼光譜可以作為分子化學(xué)基團(tuán)的“指紋”識(shí)別工具，但常規(guī)拉曼成像技術(shù)達(dá)不到掃描針尖技術(shù)所具有的的超高空間分辨率。因此，將二者結(jié)合發(fā)展起來的針尖增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)（TERS），可以克服各自技術(shù)的缺陷，融合兩種技術(shù)的優(yōu)勢，為實(shí)現(xiàn)單分子化學(xué)結(jié)構(gòu)的確定提供了可能。

2013年，由侯建國院士領(lǐng)銜的單分子科學(xué)團(tuán)隊(duì)首次展示了亞納米分辨的單分子拉曼成像技術(shù) [Nature 498, 82 (2013)]，將具有化學(xué)識(shí)別能力的空間分辨率提高到了一個(gè)納米以下（~5埃），此項(xiàng)突破性成果已被國際同行引用八百多次。在此基礎(chǔ)上，研究者們一方面探索單分子拉曼成像技術(shù)空間分辨率的極限，另一方面思考如何充分發(fā)揮這項(xiàng)技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢。

最近，該團(tuán)隊(duì)通過改進(jìn)低溫（液氦）超高真空針尖增強(qiáng)拉曼光譜系統(tǒng)和精細(xì)調(diào)控針尖尖端高度局域的等離激元場，將空間分辨率提高到了1.5埃的埃級(jí)單個(gè)化學(xué)鍵識(shí)別水平，在實(shí)空間獲得了分子各種本征振動(dòng)模式完整的空間成像圖案，并發(fā)現(xiàn)和觀察到了分子對(duì)稱和反對(duì)稱振動(dòng)模式中顯著不同的干涉效應(yīng)。更為重要的是，該團(tuán)隊(duì)基于埃級(jí)分辨的分子振動(dòng)模式成像圖以及由此揭示的新物理效應(yīng)，結(jié)合化學(xué)基團(tuán)的拉曼指紋數(shù)據(jù)庫，提出了一種可視化構(gòu)建分子結(jié)構(gòu)的新方法——掃描拉曼埃分辨顯微術(shù)。

掃描拉曼埃分辨顯微術(shù)充分彰顯了基于拉曼信號(hào)的針尖掃描技術(shù)“鋒芒畢顯”地在實(shí)空間精確確定分子化學(xué)結(jié)構(gòu)的能力。研究者以單個(gè)鎂卟啉分子作為模型體系，采用“搭積木”(Lego-like)方式把各個(gè)化學(xué)基團(tuán)拼接起來，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)分子化學(xué)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。

埃級(jí)分辨的掃描拉曼顯微術(shù)所具備的這種解析未知分子化學(xué)結(jié)構(gòu)的能力，無疑將引起化學(xué)、物理、材料和生物等領(lǐng)域科研人員的廣泛興趣，催生這一領(lǐng)域的大量相關(guān)研究?？梢灶A(yù)見，通過與人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合，SRP有望發(fā)展成為一種成熟和通用的技術(shù)，將為在單個(gè)化學(xué)鍵尺度上確定單分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)、原位研究表面物理化學(xué)過程和表面催化反應(yīng)等提供新的手段，也為生物分子的高分辨成像和結(jié)構(gòu)確定提供了新的思路。

掃描拉曼埃分辨顯微術(shù)的藝術(shù)化效果圖

圖片說明：高度局域化的等離激元電磁場會(huì)顯著增強(qiáng)針尖下方單個(gè)分子內(nèi)部局域化學(xué)基團(tuán)的拉曼散射信號(hào)。將不同化學(xué)基團(tuán)簡正振動(dòng)模式對(duì)應(yīng)的拉曼成像圖樣進(jìn)行合并，就可以采用類似“堆積木”的方式將各個(gè)化學(xué)基團(tuán)拼接起來，構(gòu)建出完整的分子化學(xué)結(jié)構(gòu)。

文章鏈接：Visually Constructing the Chemical Structure of a Single Molecule by Scanning Raman Picoscopy