侯建国院士领衔实现最高分辨率单分子拉曼成像

左图显示了实验原理的艺术处理。分子的振动信息和拉曼成像由底部幕帘上的波状图像表示。在绿色激光的照射下，卟啉分子被渲染成翡翠纹理，显示出中国元素“玉如意”。王、周荣庭绘画

(记者蒋家平)中国科技大学的研究人员在世界上首次实现了单分子光学拉曼成像的亚纳米分辨率，将具有化学识别能力的空间成像分辨率提高到了前所未有的0.5纳米。6月6日，《自然》杂志在网上公布了结果。三位评审者称赞这项工作“打破了所有记录，是该领域建立以来最大的进步”，“是该领域迄今为止最高质量的*工作，开辟了一个新领域”，以及“一项将精心设计的实验观察和理论模拟相结合的具有重大意义的工作”。世界著名的纳米光子学专家也在同一时期杂志的“新闻与观点”专栏中写了一篇文章对这项研究进行评论。

据悉，这项成果是由中国科学院侯建国院士领导的董振超研究团队完成的，由博士生张睿和张尧合著。

据了解，物质世界中的分子非常小，通常约为1纳米，相当于人类头发丝直径的1/60，000。如此小的规模不仅肉眼看不见，就连光学显微镜也无能为力。如何实现纳米甚至亚纳米尺度的分子成像，识别分子的化学信息，从而帮助人类理解分子结构，进一步了解微观世界，是科学家们一直关注的热门话题。

光在散射后频率发生变化，而频率的变化取决于散射物质的特性，这就是获得诺贝尔物理学奖的著名的“拉曼散射”。“拉曼散射光含有丰富的分子振动结构信息，不同分子的拉曼光谱具有不同的光谱特征。因此，正如一个人可以通过自己的指纹识别自己的身份一样，拉曼光谱成为科学家识别不同分子的“指纹”光谱。”本文作者之一、中国科技大学教授董振超表示，拉曼光谱已经成为研究物理、化学、材料、生物等领域分子结构的重要手段。

自20世纪70年代以来，随着表面增强拉曼散射技术的发展，特别是尖端增强拉曼散射(TERS)，光谱探测的灵敏度和拉曼成像的分辨率都得到了很大的提高。“到目前为止，科学家已经将TERS测量的最佳空间成像分辨率提高到几纳米的水平，但这显然不适用于单个分子的化学识别成像。”董振超说道。

微型实验室单分子科学团队一直致力于独立开发科研设备，并开发将高分辨率扫描隧道显微镜与高灵敏度光学检测技术相结合的组合系统。它们利用针尖和基底之间形成的纳米腔等离子体“天线”的宽带、局域和增强特性，通过入射光激发和分子拉曼光子发射的双共振的频谱匹配调节，实现单个卟啉分子亚纳米分辨率的拉曼光谱成像，使得化学识别的分辨率达到前所未有的0.5纳米，从而可以识别分子的内部结构和分子在表面的吸附构型。

“可以说，研究结果在任何需要在分子水平上确定物质的组成和结构的领域都有很大的用处。”董振超说，这项研究对于了解微观世界，特别是微观催化反应机理、分子纳米器件的微观结构和包括DNA测序在内的高分辨率生物分子成像具有极其重要的科学意义和实用价值，也为研究单分子的非线性光学和光化学过程开辟了一条新的途径。

中国科学新闻(2013-06-06第一版集锦)