Exakt bestämning av en molekyls kemiska struktur är av avgörande betydelse för alla molekylära områden och är nyckeln till en djup förståelse av dess kemiska, fysisk, och biologiska funktioner. Skannande tunnelmikroskopi och atomkraftsmikroskopi har enastående förmåga att avbilda molekylära skelett i verkliga rymden, men dessa tekniker saknar vanligtvis kemisk information som är nödvändig för att exakt bestämma molekylära strukturer.

Raman-spridningsspektra innehåller riklig strukturell information om molekylära vibrationer. Olika molekyler och kemiska grupper uppvisar distinkta spektrala drag i Raman -spektra, som kan användas som "fingeravtryck" av molekyler och kemiska grupper. Därför, ovannämnda brist kan i princip övervinnas genom en kombination av scanning-sondmikroskopi med Raman-spektroskopi, som demonstreras av spetsförstärkt Raman-spektroskopi (TERS), vilket öppnar möjligheter att bestämma den kemiska strukturen hos en enskild molekyl.

Under 2013, en forskargrupp ledd av Zhenchao Dong och Jianguo Hou vid University of Science and Technology of China (USTC) visade subnanometerupplöst Raman-kartläggning av en molekyl för första gången [ Natur 498, 82 (2013)], driver rumslig upplösning med kemisk identifieringsförmåga ner till ~5 Å. Sedan dess, forskare runt om i världen har utvecklats för att utveckla sådana enmolekylära Raman-bildtekniker för att utforska vad som är den yttersta gränsen för rumslig upplösning och hur denna teknik kan bäst utnyttjas.

Nyligen, USTC-gruppen publicerade en forskningsartikel i National Science Review (NSR) med titeln "Visuellt konstruera den kemiska strukturen av en enskild molekyl genom att skanna Raman Picoscopy, " skjuta den rumsliga upplösningen till en ny gräns och föreslå en viktig ny tillämpning för den senaste tekniken. I detta arbete, genom att utveckla ett kryogent ultrahögvakuum TERS-system vid flytande heliumtemperaturer och finjustera det mycket lokaliserade plasmonfältet vid den skarpa spetsen, de driver ytterligare den rumsliga upplösningen ner till 1,5 Å på enkel-kemisk-bindningsnivån, vilket gör det möjligt för dem att uppnå fullständig rumslig kartläggning av olika inre vibrationslägen hos en molekyl och upptäcka distinkta interferenseffekter i symmetriska och antisymmetriska vibrationslägen. Mer viktigt, baserat på den upplösning på Ångström-nivå som uppnåtts och den nya fysiska effekten upptäckt, och genom att kombinera med en Raman-fingeravtrycksdatabas över kemiska grupper, forskarna föreslår vidare en ny metodik. Myntad som Scanning Raman Picoscopy (SRP), Tekniken kommer visuellt att konstruera den kemiska strukturen hos en enda molekyl. Denna metod framhäver den anmärkningsvärda förmågan hos Raman-baserad skanningsteknologi via en atomärt vass spets för att avslöja den molekylära kemiska strukturen i verkliga rymden, bara genom att "titta" på en enda molekyl optiskt, som schematiskt visas i figur (a).

Genom att tillämpa SRP-metoden på en enda magnesiumporfyrinmodellmolekyl, forskarna vid USTC erhöll en uppsättning bildmönster i verkligheten för olika Raman-toppar, och fann att dessa mönster visar olika rumsfördelningar för olika vibrationslägen. Med den typiska CH-bindningssträckningsvibrationen på pyrrolringen som ett exempel, för den antisymmetriska vibrationen (3072 cm ^-1 ) av två CH-bindningar, fasförhållandet för deras lokala polarisationssvar är motsatt. När spetsen är placerad precis ovanför mitten mellan två bindningar, bidragen från båda obligationerna till Raman-signalerna tar ut, ger upphov till "åtta-punkts"-funktionen i Raman-kartan för hela molekylen, med bästa rumsliga upplösning ner till 1,5 Å. Dessa "åtta fläckar" har god rumslig överensstämmelse med de åtta C-H-bindningarna på de fyra pyrrolringarna i en magnesiumporfyrinmolekyl, vilket indikerar att detekteringskänsligheten och den rumsliga upplösningen har nått nivån för enkelkemisk bindning.

Raman-avbildningsmönster för andra vibrationstoppar visar också god överensstämmelse med relevanta kemiska grupper i termer av karakteristiska topppositioner och rumsfördelningar [som visas i figurerna (b) och (c)]. Korrespondensen som tillhandahålls av den samtidigt rumsliga och energilösa Raman-avbildningen gör att de kan korrelera lokala vibrationer med ingående kemiska grupper och att visuellt sätta ihop olika kemiska grupper på ett "Lego-liknande" sätt till en hel molekyl, på så sätt förverkliga konstruktionen av en molekyls kemiska struktur.

Scanning Raman picoscopy (SRP) är den första optiska mikroskopitekniken som har förmågan att visualisera en molekyls vibrationslägen och att direkt konstruera strukturen av en molekyl i det verkliga rummet. Protokollet som upprättats i denna proof-of-princip-demonstration kan generaliseras för att identifiera andra molekylära system, och kan bli ett kraftfullare verktyg med hjälp av bildigenkänning och maskininlärningstekniker. Förmågan hos sådana Ångström-upplösta Raman-pikoskopitekniker för att bestämma den kemiska strukturen hos okända molekyler kommer utan tvekan att väcka stort intresse hos forskare inom kemiområdet, fysik, material, biologi och så vidare, och förväntas stimulera aktiv forskning inom områdena, allt eftersom SRP utvecklas till en mogen och universell teknologi.