中國科大在分子化學識別研究中取得新進展

　　最近，中國科學技術大學微尺度物質科學國家實驗室單分子科學團隊的董振超研究小組在高空間分辨的化學識別領域再獲重要進展，在國際上首次展示了緊鄰的不同分子的實空間拉曼光譜識別。該成果發表在7月27日的《自然·納米技術》上，論文第一作者為研究小組的博士生江嵩。

　　納米尺度上不同物質的化學識別一直是納米技術的一個重要目標。拉曼散射光中包含了豐富的分子振動結構的信息，不同的分子具有不同“指紋”特征的拉曼光譜，因此拉曼光譜技術已經成為物理、化學、材料、生物等領域研究物質組成和結構的重要手段。但常規拉曼技術受限于光學衍射極限，無法在分子水平上識別微觀物質的組成與結構。針尖增強拉曼（TERS）技術是一種新興的表面分析技術，它結合了拉曼光譜技術高化學靈敏度和掃描探針顯微術高空間分辨的雙重優勢。該研究團隊在前期工作中通過精巧的頻譜匹配調控將非線性過程融入到TERS中，在孤立的單個分子體系實現了亞納米分辨的化學識別。然而，實際的微觀體系常由不同的分子所組成，識別相鄰的不同分子具有更為重要的實際應用價值。但TERS技術是否能夠克服相鄰不同分子的拉曼信號的干擾？相鄰分子的結構相似度和之間的距離可以達到什么樣的識別水平？都是亟待澄清和解決的關鍵問題。

　　針對以上挑戰，他們選取了兩種結構相似的卟啉衍生物分子。研究結果表明，既便二者同屬卟啉分子家族，利用超高分辨的非線性TERS技術，仍然可以對接觸距離在范德華相互作用范圍內（約0.3 nm）的相鄰不同卟啉分子進行清晰的化學識別，所測得的拉曼光譜具有各自特征的振動“指紋”，能夠明顯區分分子的“身份”和結構。結合簡單的理論模型和計算，他們還進一步推測了分子在表面上的吸附構型。這項工作所展示的結果是化學識別極限能力的一個重要進展，對于任何需要在分子尺度上對材料的成分和結構進行識別的領域，都具有極其重要的科學意義和實用價值，有可能在未來的表面反應、異相催化、分子器件、甚至包括DNA、蛋白質測序在內的生物分子無標記高分辨識別等研究中得到廣泛的應用。

　　審稿者稱贊“這是一項非常令人驚訝的前所未有的工作，它實現了分析化學領域的終極目標之一，即在分子分辨水平上實現不同分子及其化學狀態的識別。”

　　 上述研究得到國家基金委、中科院、科技部和教育部的資助。

圖注：a. TERS的原理示意圖。b. 交替吸附在Ag臺階上并處于范德華接觸距離（約0.3 nm）的兩種不同卟啉分子的STM圖像。c. 在b圖中相應分子中心位置采集的TERS光譜以及理論模擬光譜。