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扫描探针加拉曼结合重建单分子化学结构

来源:大连空压机价格 作者:大连空压机招标 时间:2020-06-02 13:30 点击量:

分子化学结构是生物学、化学乃至物理学的主要研究内容。除了构成物质的元素外,分子布局也是影响物质化学性质的纽带。分子结构在很大程度上依赖于光谱分析带来的数据,中拉曼光谱是分子布局检测的主要力量。

拉曼光谱——拉曼散射效应的原因源于分子振动和转换,这是从拉曼散射光谱中我们可以了解分子振动分布的信息。此外,发散的分子化学基团具有发散的拉曼光谱特征,这使得拉曼光谱能够清楚地区分分子的类型和结构。然而,拉曼光谱缺乏空间分辨率,使得科学家难以满足在纳米和亚纳米标准上研究分子结构的要求,并且缺乏空间信息,不能确定化学基团的位置和连通性。

解决这个问题的方法是结合扫描探针显微镜和拉曼光谱。扫描隧道显微镜和原子力显微镜早已用于分子结构研究。超高分辨率允许这些扫描探针显微镜对单个分子骨架成像,但显微成像无法获得足够的化学信息来正确判断分子的化学布局。这可能与拉曼光谱完全互补。拉曼光谱提供特定的化学信息,而扫描探针显微镜提供超高分辨率和空间信息。

尖端增强拉曼散射(TERS)技术就是由此诞生的。通过外观增强拉曼散射(SERS)和原子力显微镜(原子力显微镜)的结合,尖端增强拉曼散射技术可以将分子化学结构测量的空间成像分辨率提高到几纳米。然而,仍然难以实现单分子成像。2013年,中国科技大学的研究人员首次将分辨率提高到亚纳米标准(0.5纳米),实现了单个卟啉分子的拉曼光谱成像。然后在2015年,通过使用超高分辨率非线性TERS技术,化学识别极限被提高到0.3纳米。

相比之下,在《国度科学辩论》杂质上,该团队发现了新的研究论文,不仅突破了几年前的分辨率限制,还提出了新的分子化学结构重建技术——扫描拉曼光谱。

通过改进低温(液氦)超高真空扫描隧道显微镜系统,研究人员已经将拉曼光谱成像的空间分辨率提高到1.5埃(0.15纳米)。埃分辨率可以完全映射单一振动模式,并直观地确定组成分子的原子和化学键的位置。然后,通过局部对称和负对称振动的位置相关干涉效应来识别分子中化学基团的连通性。光谱显微照片然后被操纵以确定单个分子成分的清晰分解。最终实现分子化学结构的重建。

不同仪器的组合已成为仪器技术发展的一大趋势。据介绍,仪器中各种类型的色谱和质谱联用仪器几乎是所有检测实验室的常用仪器。此外,元素分析仪与同位素比值质谱仪、液相色谱仪与原子荧光光谱仪、荧光亮镜与电子显微镜的组合与搭配也很常见。通过不同仪器的组合,不仅可以取长补短,解决单一仪器在分辨率和移动性方面的问题,还可以结合优势,突破仪器的功能,从而解决科研瓶颈,深化研究。

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