扫描拉曼埃分辨显微术：一种新的分子化学结构解析方法

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（STM）和原子力显微镜（AFM）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，由于不同分子化学基团的拉曼光谱的谱形特征各不相同，长期以来一直作为分子化学基团识别的“指纹”工具。因此，将扫描探针技术与拉曼光谱技术相结合，也就是通常所称的针尖增强拉曼光谱技术（TERS），原则上可以克服缺少化学信息这一缺陷，为实现单分子化学结构的确定提供了可能。

2013年，由中国科学技术大学侯建国院士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 Å）。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。 最近，该团队在《国家科学评论》(National Science Review，NSR) 发表研究论文“Visually Constructing the Chemical Structure of a Single Molecule by Scanning Raman Picoscopy”， 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个重要的新应用。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 Å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，并发现和观察到了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，他们基于这种对分子振动模式成像的埃级分辨能力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，提出了一种新的可视化构建分子结构的扫描拉曼埃分辨显微术（Scanning Raman Picoscopy，SRP）”，这一方法学充分彰显了基于拉曼信号的针尖扫描技术“锋芒毕显”、在实空间精确确定分子化学结构的能力（原理示意如图a所示）。

研究者以单个镁卟啉分子作为模型体系，获得了对应于不同拉曼谱峰的一整套实空间成像图案，发现对应于不同的振动模式，相应的拉曼成像表现出不同的空间分布特征。以典型的吡咯环上C-H键伸缩振动模式为例，对于两个C-H键的反对称振动（3072 cm-1），对应的分子局域极化响应的相位相反，当针尖位于镁卟啉分子瓣中心附近时，二者对拉曼信号的贡献恰好互相抵消，拉曼成像表现出“八瓣”特征，这些亮瓣展示的空间分辨率最高达到1.5 Å，它们与镁卟啉分子的四个吡咯环上的八个C-H键具有很好的空间对应关系，表明检测灵敏度和空间分辨率已经达到单个化学键的水平。对于其他振动峰位的拉曼成像也表现出与相关化学基团相吻合的特征峰位置和空间分布（如图b和c所示），这使得我们可以通过这种空间和能量同时分辨的拉曼成像图将局域振动与构成分子的化学基团关联起来，进而采用“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，无疑将引起化学、物理、材料和生物等领域科研人员的广泛兴趣，催生这一领域的大量相关研究。可以预见，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，将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。

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文章信息：

Yao Zhang†, Ben Yang†, Atif Ghafoor†, Yang Zhang, Yu-Fan Zhang, Rui-Pu Wang, Jin-Long Yang, Yi Luo*, Zhen-Chao Dong*, Jian Guo Hou*
Visually Constructing the Chemical Structure of a Single Molecule by Scanning Raman Picoscopy
National Science Review, nwz180,
https://doi.org/10.1093/nsr/nwz180

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