光学成像将进入亚纳米时代

上图所示为亚纳米分辨率的单分子光致发光成像实验装置示意图

来自中国科学院中国科学技术大学（USTC）的Dong Zhenchao教授和Hou Jianguo教授将光致发光成像的空间分辨率从8nm提高到~8埃米。首次实现了单分子荧光成像的亚分子分辨率。这项研究发表在近日的《自然光子学Nature Photonics 》上。

利用光实现原子分辨率一直是纳米光学的终极目标之一，扫描近场光学显微镜（SNOM）的出现点燃了人们对这一目标的希望。

Dong教授和他的同事在2013年的一项研究中成功地展示了单分子拉曼光谱成像中的亚纳米级空间分辨率，以及纳米腔等离子体场的局部增强效应。

然而，与拉曼散射过程不同的是，荧光将在金属附近被猝灭，这将阻止扫描近场光学显微镜（SNOM）在10nm左右的分辨率提升。

金属纳米腔中分子的辐射特性（荧光）直接受纳米腔光子密度的影响，而纳米腔的光子密度与探针尖端的结构密切相关。因此，改变探针的结构和纳米空腔中分子的电子态是避免荧光猝灭，实现高分辨率荧光成像的关键。

Dong的团队进一步微调了等离子体子纳米腔，特别是在探针尖端原子级结构的制造和控制方面。他们构建了一个带有原子突起的银尖端，并将纳米腔等离子体共振与入射激光和分子发光的有效能量相匹配。

随后，研究人员利用超薄介质层（三原子厚的NaCl）隔离纳米空腔分子与金属基底之间的电荷转移，实现了单分子光致发光成像的亚纳米分辨率。

他们发现，随着探针接近分子，即使它们的距离小于1nm，光致发光的强度仍然单调地增加。荧光猝灭完全消失。

理论模拟表明，当原子突起尖端和金属基底形成等离子体纳米腔时，纳米腔等离子体子的共振响应和原子突起结构的避雷针效应将产生协同效应。这种协同效应产生一个强而高度局部化的电磁场，将腔模体积压缩到1 nm³以下，大大提高了局域态光子密度和分子辐射衰变率。这些效应不仅抑制了荧光猝灭，而且实现了亚纳米分辨率的光致发光成像。

为了获得亚纳米级的空间分辨率，针尖的尺寸和针尖与样品之间的距离必须在亚纳米尺度上。

研究人员进一步利用光谱信息实现了分子分辨光致发光高光谱成像，并在亚纳米尺度上演示了局域等离子体激元相互作用对荧光强度、峰位和峰宽的影响。

本研究实现了人们期待已久的利用光来分析扫描近场光学显微镜中分子内部结构的目标，为在亚纳米尺度上探测和调控分子局域环境和光与物质相互作用提供了一种新的技术手段。

《自然光子学Nature Photonics》的评论者认为，本文将是该领域的一篇重要文章，对利用原子尺度光进行超灵敏光谱显微镜研究具有指导意义。