表面上生物分子的纳米级高分辨化学成像研究

Chemical identification and mapping of a single molecule (especially a biomolecule) on the surface is a longstanding challenge in single-molecule science and molecular biology, also fundamentally and practically important for understanding the inter-biomolecular coupling modes, DNA sequencing and protein folding. This project is aimed at developing a combined technique of scanning probe microscope with optical detection to investigate tip-enhanced Raman scattering at the single-molecule scale. Through exquisite spectral matching among the local plasmonic resonance, the incident laser frequency, and the molecular vibronic transitions, the advantages of “tip plasmon + Raman vibrational spectra + nonlinear optics” can be merged to increase the enhancement of Raman signals and spatial resolution. Aided by theoretical calculations, the vibrational “fingerprint” of different groups in a single molecule can be identified at the submolecular scale, thus offering promise to chemically image biomolecules (such as amino acids, polypeptides, DNA and proteins) on the surface with sub-nm resolution. The research output of this project will lay scientific basis for the development of novel chemical imaging techniques with nanoscale resolution.

在纳米尺度上对表面上单个分子、特别是生物分子进行化学识别和成像，是单分子科学和分子生物学等领域长期以来的挑战和目标，对在分子尺度上了解生物分子之间的微观耦合方式、甚至进行DNA测序、蛋白质折叠构型的分析等都具有十分重要的科学意义和实用价值。本项目将进一步发展扫描探针显微镜与光学检测相结合的联用技术，利用表面等离激元的局域场增强特性，结合分子内部的非线性光学过程，开展单分子尺度的探针增强拉曼散射研究。项目将特别关注局域等离激元共振模式与入射激光、分子光学跃迁之间的频谱匹配调控，通过“探针等离基元+拉曼振动光谱+非线性光学”三者优势的融合，提高拉曼信号的增强效应和空间分辨率，并结合理论计算，在亚分子水平上对分子内不同基团的振动“指纹”进行标定与识别，实现表面上生物分子（包括氨基酸、DNA、蛋白质等分子）的高分辨化学成像。项目研究将为发展新型的纳米级高分辨化学识别和成像技术提供重要的科学依据。

本项目经过五年的努力，围绕项目的研究目标和内容，取得的若干有重要科学意义和应用前景的研究成果，主要包括：（1）在技术与方法发展方面，进一步发展了液氦条件下的TERS测量系统，将TERS空间成像分辨率提高到0.4 nm，并使之具备了识别局部官能团、甚至单个化学键的能力；通过采用基于顶点成分分析的多变量全谱分析方法，实现了TERS成像图全景式的化学信息的客观分析，为后续复杂纳米结构体系的高空间分辨成像研究提供了数学分析方法的保障；进一步发展了单分子STM诱导发光技术，采用电子激发手段实现了类似拉曼光谱的单分子振动分辨光谱的测量，提供了分子指纹识别的新手段。（2）在科学研究方面，利用亚纳米空间分辨的TERS光谱测量与成像平台，实现了对接触距离在范德华相互作用范围内的相邻不同卟啉分子进行清晰的化学识别，展示了TERS技术在纳米尺度上识别复杂体系的强大能力；通过理论与实验相结合，发现表面选择定则对于大多数单分子特别是小分子体系的TERS光谱特征都可以给出很好的解释，为深入理解单分子TERS成像的物理机理提供了有力支持。进一步将此技术拓展到金属表面上的生物分子，实现了对两种混合的不同DNA碱基分子的清晰化学识别，并从实空间获得了人工合成单链DNA分子的部分序列信息。以上研究成果为利用光谱技术、特别是针尖增强拉曼光谱技术实现对DNA等生物分子的识别与测序研究奠定了科学基础。.项目执行期间，已发表相关研究论文21篇，其中包括Nature （1篇），Nature Nanotechnol.（1篇），Nature Commun.（2篇），Angew. Chem. Int. Ed.（1篇），Chem. Soc. Rev.（1篇）等高水平杂志文章。项目成员在国内外重要学术会议上做邀请报告10次；培养基金委优秀青年基金获得者1名，博士后1名，博士研究生共7名，其中中国科学院院长特别奖获得者1名，中科院优秀博士学位论文获得者3名。以上情况说明项目组基本完成了项目的既定研究目标和任务。