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新型原子力顯微鏡探針系統(tǒng)問世：兼具超分辨成像與精準(zhǔn)操控功能
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掃描探針加拉曼 強強聯(lián)合重構(gòu)單分子化學(xué)結(jié)構(gòu)
2020年03月06日 09:23:57
來源：儀器網(wǎng) 點擊量：5226
分子化學(xué)結(jié)構(gòu)是生物學(xué)、化學(xué)甚至物理學(xué)重要的研究內(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)檢測的主力。
【化工儀器網(wǎng) 行業(yè)動態(tài)】分子化學(xué)結(jié)構(gòu)是生物學(xué)、化學(xué)甚至物理學(xué)重要的研究內(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與轉(zhuǎn)動，因此從拉曼散射光譜中我們可以了解分子振動結(jié)構(gòu)的信息。而且不同的分子化學(xué)基團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單分子骨架進行成像，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)。這一點完全可以與拉曼光譜互補。由拉曼光譜提供詳細的化學(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。
針尖增強拉曼散射(TERS)技術(shù)就是由此誕生，通過表面增強拉曼散射(SERS)以及原子力顯微鏡(AFM)的聯(lián)用，針尖增強拉曼散射技術(shù)可以將分子化學(xué)結(jié)構(gòu)測量的空間成像分辨率提高到幾個納米的水平，但是仍然很難實現(xiàn)單個分子成像。2013年，中國科學(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)，實現(xiàn)了單個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)識別極限提高到0.3納米。
近，在《國家科學(xué)評論》雜質(zhì)上，該團隊又發(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)。埃級分辨率可以對單個振動模式進行完整映射，在視覺上確定構(gòu)成分子的原子與化學(xué)鍵的位置。接著通過局部對稱和反對稱振動的位置相關(guān)干擾效應(yīng)識別分子中化學(xué)基團的連通性。然后利用光譜顯微圖像確定單個分子組成成分的明確排列。終實現(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。分析儀器中各類色譜與質(zhì)譜的聯(lián)用儀器幾乎已經(jīng)是各檢測實驗室的常用儀器，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，不僅可以取長補短，解決單一儀器在分辨率、靈敏度等方面的問題，還可以強強聯(lián)合，實現(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)識別能力越來越強，對表面催化反應(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用價值。
編輯點評：隨著科技的發(fā)展與實際應(yīng)用的需求變化，我們對儀器性能的要求越來越高。在這一需求的驅(qū)使下，儀器的聯(lián)用成為一大趨勢。我們常見的儀器聯(lián)用有氣質(zhì)聯(lián)用、液質(zhì)聯(lián)用……拉曼光譜與掃描探針顯微鏡的聯(lián)用，既能得到分子化學(xué)信息，又能得到空間分辨率與空間信息，滿足了科學(xué)家對分子分析的多種需求。
原標(biāo)題：掃描探針加拉曼 強強聯(lián)合重構(gòu)單分子化學(xué)結(jié)構(gòu)
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