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[材料资讯] 侯建国课题组:提出扫描拉曼埃分辨显微术

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发表于 6 天前 | 显示全部楼层 |阅读模式
最近,中国科学院院士、中国科学技术大学教授侯建国领衔的单分子科学团队的董振超研究组与罗毅研究组,在单分子拉曼成像领域取得新进展,实现了埃级单化学键分辨的分子内各种振动模式的实空间成像,并提出了一种全新的分子化学结构重构技术——扫描拉曼埃分辨显微术(Scanning Raman Picoscopy,SRP)。该成果于2019年11月8日在《国家科学评论》(NSR)上在线发表,并于近期正式出版。

扫描拉曼埃分辨显微术

扫描拉曼埃分辨显微术
  精确确定分子的化学结构对于任何一个分子相关领域都具有至关重要的意义,是深刻理解分子的化学、物理、生物等性质和功能的关键。扫描隧道显微镜和原子力显微镜具有在实空间对单分子骨架进行成像的杰出能力,但这些技术通常缺乏精确确定单分子结构所必须的化学信息。拉曼散射光谱中包含了丰富的分子振动结构信息,不同化学基团的拉曼光谱谱形特征各不相同,因此拉曼光谱可以作为分子化学基团的“指纹”识别工具,但常规拉曼成像技术达不到扫描针尖技术所具有的超高空间分辨率。因此,将二者结合发展起来的针尖增强拉曼光谱技术(TERS),可以克服各自技术的缺陷,为实现单分子化学结构的确定提供了可能。
  2013年,由侯建国领衔的单分子科学团队首次展示了亚纳米分辨的单分子拉曼成像技术 [Nature 498, 82 (2013)],将具有化学识别能力的空间分辨率提高到了一个纳米以下(~5 埃)。在此基础上,研究者们一方面探索单分子拉曼成像技术空间分辨率的极限,另一方面思考如何充分发挥这项技术的独特优势。该团队在《国家科学评论》发表的研究成果,将空间分辨率推向了一个新的极限,并为最新技术提出了一种重要的新应用。他们通过改进低温(液氦)超高真空针尖增强拉曼光谱系统和精细调控针尖尖端高度局域的等离激元场,将空间分辨率提高到了1.5 埃的埃级单个化学键识别水平,在实空间获得了分子各种本征振动模式完整的空间成像图案,并发现和观察到分子对称和反对称振动模式中显著不同的干涉效应。更为重要的是,他们基于埃级分辨的分子振动模式成像图以及由此揭示的新物理效应,结合化学基团的拉曼指纹数据库,提出了一种可视化构建分子结构的新方法:扫描拉曼埃分辨显微术(SRP)。
  SRP方法充分彰显了基于拉曼信号的针尖扫描技术在实空间精确确定分子化学结构的能力。研究者以单个镁卟啉分子作为模型体系,采用“搭积木”(Lego-like)方式把各个化学基团拼接起来,实现对整个分子化学结构的构建。埃级分辨的扫描拉曼显微术所具备的这种解析未知分子化学结构的能力,有望引起化学、物理、材料和生物等领域科研人员的兴趣并催生相关研究。通过与人工智能、机器学习相结合,SRP有望发展成为一种成熟和通用的技术,为在单个化学键尺度上确定单分子的化学结构、原位研究表面物理化学过程和表面催化反应等提供新的手段。
  该系列研究工作得到了国家自然科学基金委、科技部、中科院、教育部、安徽省等的支持。
       https://doi.org/10.1093/nsr/nwz180


       侯建国,男,汉族,1959年10月生于福建省。博士,物理化学家和纳米材料专家,研究领域包括纳米材料与结构、单分子物理与化学、扫描隧道显微学。现任中国科学院党组副书记、副院长(正部长级),中国科学院直属机关党委书记(兼),中国科学院党校校长(兼)。2008年任中国科学技术大学校长(副部长级),2015年任科学技术部副部长、党组成员,2016年任广西壮族自治区党委副书记,2017年任国家质量监督检验检疫总局党组书记、副局长。第十一届全国人大常委会委员、中国共产党第十九届中央委员会委员。中国科学院院士、发展中国家科学院院士。先后获国家自然科学奖二等奖、中国科学院自然科学奖一等奖、中国科学院杰出科技成就奖、安徽省重大科技成就奖、安徽省科学技术奖一等奖、何梁何利奖、陈嘉庚化学奖、中国分析测试协会CAIA奖特等奖、海外华人物理学会“亚洲成就奖”等多个重要科技奖项。
       董振超,男,现为中国科技大学教授、博士生导师,合肥微尺度物质科学国家研究中心单分子物理与化学研究部主任。1983年本科毕业于四川大学,1987年获厦门大学理学硕士学位,1990年在中科院福建物质结构研究所获理学博士学位后留所工作,1992年到美国衣阿华州立大学(Ames国家实验室)做博士后,随后于1996年到日本国家材料科学研究所(NIMS)工作,先后被聘为主任研究官、主干研究员、课题负责人。2004年4月起被聘为中国科学技术大学教授、博士生导师,曾入选中科院“百人计划”和教育部“新世纪优秀人才支持计划”,是科技部国家重点研发计划和国家自然科学基金委重大重点等多个项目课题的负责人,兼任中国真空学会副理事长。长期从事面向未来信息、能源和生物技术的单分子光电效应前沿研究,特别是研制将高分辨扫描隧道显微技术与单光子检测光学技术相融合的联用系统,致力于单分子电致发光、单分子拉曼散射、纳米等离激元光子学等领域的前沿探索。2013年在单分子化学识别与成像领域取得重大突破,在国际上首次实现了亚纳米分辨的拉曼光谱成像,使单分子尺度的化学识别成为现实,这项成果对于了解表面化学反应和光催化微观机制、实现包括DNA测序在内的高分辨生物分子成像,具有极其重要的科学意义和实用价值。2016年,利用亚纳米分辨的电致发光技术,又在国际上首次在单分子水平上实现了分子间相干偶极耦合的直接成像观察,从位置空间展示了分子间能量转移的相干特征,开辟了研究分子间相互作用和能量转移的新途径。这两项工作在《Nature》上发表后都立即引起国际科技界的广泛关注和报道。已发表SCI科技论文130余篇,其中作为第一作者或者通信作者,有多篇文章分别发表在Nature、Nature Photon.、Nature Nanotech.、Nature Commun.、Phys. Rev. Lett.、J. Am. Chem. Soc.和Angew. Chem.上,论文被他引三千余次(H因子=30),多次应邀在美国物理学会、美国化学学会、国际纳米大会、国际真空大会、近场光学大会等国际知名学术会议上做邀请报告,是单分子光电子学领域具有国际影响力的科技工作者。曾获得2010年度中国科协“全国优秀科技工作者”荣誉称号,2013年度中国CAIA奖特等奖、中国科技大学杰出研究校长奖、2014年度中国科学院杰出科技成就奖(主要完成者)、2018年度中国真空学会中国真空科技成就奖,多次获得中科院优秀导师奖。单分子拉曼成像工作入选2013年度“中国科学十大进展”以及两院院士评选的“中国十大科技进展新闻”。       文章来源:中国科学技术大学


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