La determinazione precisa della struttura chimica di una molecola è di vitale importanza per qualsiasi campo correlato molecolare ed è la chiave per una profonda comprensione della sua sostanza chimica, fisico, e funzioni biologiche. La microscopia a scansione a effetto tunnel e la microscopia a forza atomica hanno eccezionali capacità di visualizzare gli scheletri molecolari nello spazio reale, ma queste tecniche di solito mancano delle informazioni chimiche necessarie per determinare con precisione le strutture molecolari.

Gli spettri di diffusione Raman contengono abbondanti informazioni strutturali sulle vibrazioni molecolari. Diverse molecole e gruppi chimici mostrano caratteristiche spettrali distinte negli spettri Raman, che possono essere usati come "impronte digitali" di molecole e gruppi chimici. Perciò, la carenza di cui sopra può in linea di principio essere superata da una combinazione di microscopia a scansione di sonda con spettroscopia Raman, come dimostrato dalla spettroscopia Raman con punta potenziata (TERS), che apre opportunità per determinare la struttura chimica di una singola molecola.

Nel 2013, un gruppo di ricerca guidato da Zhenchao Dong e Jianguo Hou presso l'Università di Scienza e Tecnologia della Cina (USTC) ha dimostrato per la prima volta la mappatura Raman a singola molecola risolta sub-nanometro [ Natura 498, 82 (2013)], guidando la risoluzione spaziale con capacità di identificazione chimica fino a ~5 . Da allora, i ricercatori di tutto il mondo stanno progredendo nello sviluppo di tali tecniche di imaging Raman a singola molecola per esplorare qual è il limite ultimo della risoluzione spaziale e come questa tecnica può essere utilizzata al meglio.

Recentemente, il gruppo USTC ha pubblicato un documento di ricerca in Rassegna scientifica nazionale (NSR) dal titolo "Costruire visivamente la struttura chimica di una singola molecola mediante la scansione della picoscopia Raman, " spingendo la risoluzione spaziale ad un nuovo limite e proponendo una nuova importante applicazione per la tecnica allo stato dell'arte. In questo lavoro, sviluppando un sistema TERS criogenico ad altissimo vuoto a temperature dell'elio liquido e mettendo a punto il campo plasmonico altamente localizzato all'apice della punta acuminata, portano ulteriormente la risoluzione spaziale fino a 1,5 a livello di singolo legame chimico, che consente loro di ottenere una mappatura spaziale completa di vari modi vibrazionali intrinseci di una molecola e scoprire effetti di interferenza distintivi nei modi vibrazionali simmetrici e antisimmetrici. Ma ancora più importante, in base alla risoluzione a livello di Ångström raggiunta e al nuovo effetto fisico scoperto, e combinando con un database di impronte digitali Raman di gruppi chimici, i ricercatori propongono inoltre una nuova metodologia. Coniato come Picoscopia Raman a scansione (SRP), la tecnica costruirà visivamente la struttura chimica di una singola molecola. Questa metodologia mette in evidenza la notevole capacità della tecnologia di scansione basata su Raman tramite una punta atomicamente affilata di rivelare la struttura chimica molecolare nello spazio reale, semplicemente "guardando" otticamente una singola molecola, come schematicamente mostrato in figura (a).

Applicando la metodologia SRP a una singola molecola modello di porfirina di magnesio, i ricercatori dell'USTC hanno ottenuto una serie di modelli di imaging nello spazio reale per diversi picchi Raman, e ha scoperto che questi modelli mostrano diverse distribuzioni spaziali per diversi modi vibrazionali. Prendendo come esempio la tipica vibrazione di stiramento del legame C-H sull'anello pirrolico, per la vibrazione antisimmetrica (3072 cm ^-1 ) di due legami C-H, la relazione di fase delle loro risposte di polarizzazione locale è opposta. Quando la punta si trova proprio sopra il centro tra due legami, i contributi di entrambi i legami ai segnali Raman si annullano, dando origine alla caratteristica "otto punti" nella mappa Raman per l'intera molecola, con la migliore risoluzione spaziale fino a 1,5 . Questi "otto punti" hanno una buona corrispondenza spaziale con gli otto legami C-H sui quattro anelli pirrolici di una molecola di porfirina di magnesio, indicando che la sensibilità di rilevamento e la risoluzione spaziale hanno raggiunto il livello di legame chimico singolo.

I modelli di imaging Raman di altri picchi vibrazionali mostrano anche una buona corrispondenza con i gruppi chimici rilevanti in termini di posizioni caratteristiche dei picchi e distribuzioni spaziali [come mostrato nelle figure (b) e (c)]. La corrispondenza fornita dall'imaging Raman simultaneo nello spazio e nell'energia consente loro di correlare le vibrazioni locali con i gruppi chimici costituenti e di assemblare visivamente vari gruppi chimici in un modo "simile a Lego" in un'intera molecola, realizzando così la costruzione della struttura chimica di una molecola.

La picoscopia Raman a scansione (SRP) è la prima tecnica di microscopia ottica che ha la capacità di visualizzare i modi vibrazionali di una molecola e di costruire direttamente la struttura di una molecola nello spazio reale. Il protocollo stabilito in questa dimostrazione di prova di principio può essere generalizzato per identificare altri sistemi molecolari, e può diventare uno strumento più potente con l'aiuto del riconoscimento delle immagini e delle tecniche di apprendimento automatico. La capacità di tali tecniche di picoscopia Raman a scansione risolte da Ångström di determinare la struttura chimica di molecole sconosciute susciterà senza dubbio un vasto interesse dei ricercatori nel campo della chimica, fisica, materiali, biologia e così via, e dovrebbe stimolare la ricerca attiva nei campi, come SRP si sviluppa in una tecnologia matura e universale.