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Nature Photonics：亚纳米分辨率的单分子光致发光成像
文章导读
利用纳米天线（nanoantennas）结构产生高度局域化的光场来突破光学衍射极限，实现原子级超高分辨率的光学表征，已经逐渐发展成一种可靠且有效的方法。但是，其中存在一个难点，即在进行荧光成像时，由于金属与荧光分子的电子耦合产生荧光猝灭，限制了成像分辨率，使得过去荧光成像最高只能达到8 nm的分辨率。聚焦于这个难点，近日，侯建国院士和董振超教授研究团队在Nature Photonics上发表的最新论文“Sub-nanometre resolution in single-molecule photoluminescence imaging”，将单个分子的光致发光空间成像分辨率和光谱分辨率提高到了亚纳米尺度（~8 Å）。
前言
近场扫描光学显微镜（scanning near-field optical microscopy ，SNOM）的出现打破了传统光学显微镜由于阿贝衍射极限存在的成像限制，实现了原子级空间分辨率的光学表征。影响SNOM的分辨率因素包括探针的尺寸、探针与样品的距离。当探针针尖与基底相互靠近时，在激光的照射下会形成等离激元增强的纳米腔（nanocavity plasmon, NCP），具有很强的局域场增强效应。近年来，针尖增强拉曼光谱技术（tip-enhanced Raman spectroscopy, TERS）将单个分子的光学表征空间分辨率提升至亚纳米尺度。与TERS中光散射过程不同，具有相似分辨率的光致发光（photoluminescence, PL）成像由于荧光在金属附近会发生猝灭无法实现亚纳米级的突破。
与近场成像类似，NCP对于分子的荧光激发和发射同样有着数个量级的增强，这个过程可以通过光子态密度（photonic density of states, PDOS）的增强来描述。PDOS是由于电磁场边界的限制产生的，因此在纳米尺度下可以通过改变边界原子特征来影响PDOS，然而至今在实验上还不能观察到类似的现象。
该工作中，作者通过精确制备带有尖端原子的Ag针尖和带有绝缘NaCl分子层的Ag基底，实现了单个酞菁锌（ZnPc）分子的等离激元纳米腔增强光致发光成像，分辨率达到亚纳米级。同时，作者定量分析了场约束效应，荧光增强与纳米间距的关系，给出了高分辨率的关键因素和荧光增强机制。最后，作者利用亚纳米分辨率的PL光谱，绘制了光谱密度的空间分布（峰值能量和光谱谱宽），实现了在亚分子尺度上对等离激元-分子相互作用的探测和操纵。
内容
作者先对STM的针尖和基底进行加工与修饰，如图1所示。通过离子轰击与退火工艺在Ag针尖尖端形成数个原子的突起从而使得针尖与基底之间能够形成体积非常小的NCP。然后在Ag（100）基底上沉积三层绝缘的NaCl分子层，NaCl分子层可以有效隔绝ZnPc分子与Ag（100）基底之间的电子转移从而抑制分子的荧光猝灭。利用这种针尖增强光致发光技术（tip-enhanced PL technique, TEPL），可以得到高分辨率的STM图像（图1b）。并且，作者发现只有在同时存在激光和NaCl分子层，针尖置于单个ZnPc分子上方时才能在收集到ZnPc分子Q(0,0) 跃迁产生的发射光（图1c），这说明发射光信号是来源于单个分子的电子跃迁。另外，作者测试得到TEPL光子图像，通过分析不同位点的光子发射密度发现图像的空间分辨率可以达到~0.8 nm（图1d, e）。
图1. 亚纳米级分辨率的单分子TEPL成像。（a）等离激元纳米腔增强电致发光示意图；（b）孤立ZnPc分子的STM图像；（c）不同条件下的TEPL光谱；（d）单个ZnPc分子的STM图像和对应的TEPL光子图像；（e）沿着（d）右图的白色虚线AB绘制的光子强度分布图。
为了探究单分子TEPL光子图像分辨率与NCP结构的关系，作者通过控制STM针尖和基底之间的距离（图2a），发现光致发光强度随着间距的增大逐渐减弱，并呈指数衰减（图2b, c）。
图2. 不同针尖距离下光子图像分辨率的演变。（a）上：STM分子结的结构参数，下：用来表示横向位移的STM图像；（b）6个不同针尖距离的TEPL光谱图；（c）归一化后的TEPL强度的针尖距离依赖性。
作者通过精确控制STM针尖的位置，进一步研究了在针尖靠近分子的整个过程中分子荧光的增强和猝灭机制（图3a）。如图3b所示，TEPL强度出现先增强后骤降到零点的变化趋势。作者将整个过程划分为三个区域，分别是（一）针尖靠近分子但不产生接触，此时荧光信号逐渐增强；（二）当针尖足够接近时，因为针尖-分子间强烈的相互做作用分子被钓起，此时荧光信号开始下降1；（三）针尖与分子接触，荧光信号发生猝灭，此时没有荧光信号。同时，作者也对不同的针尖-分子距离下的辐射和非辐射衰变率与量子效率、激发率和TEPL强度进行了理论模拟分析（图3c和3d），发现由于针尖尖端突出的原子产生的避雷针效应，针尖-分子距离越小时，等离子体对辐射衰变率、量子效率以及荧光发射增强越显著。
图3. 通过记录在不同针尖-分子距离下TEPL光谱强度的变化，揭示ZnPc分子在等离激元纳米腔中的光物理特性。（a）TEPL中三种不同区域下针尖-分子距离的示意图；（b）上：不同针尖-分子距离的TEPL光谱瀑布图，下：PL光谱强度与针尖距离的关系曲线；（c）不同针尖-分子距离下的辐射和非辐射衰变率和量子效率的模拟结果；（d）在不同的针尖-分子距离下激发率和TEPL强度的模拟结果。
最后，作者展示了如何通过亚纳米级分辨率的PL成像研究等离激元-分子相互作用。他们分析了针尖在不同位置的PL光谱的峰强度、能量和谱宽。如图4b所示，当针尖位于ZnPc叶瓣位置的时候，有最强的荧光发射强度，并伴随着能量红移和谱峰展宽，后两者与等离激元-分子相互作用相关。通过绘制谱图能量和谱宽的全景图（图4c, d），可以区别出ZnPc分子叶瓣和叶瓣之间的能量差有2 meV，而两者之间的距离只有~0.6 nm。理论模拟的结果可以很好地吻合实验观察的现象。
图4. 通过光谱成像揭示亚分子水平上等离子体-分子之间微小的相互作用。（a）单个ZnPc分子的STM图像；（b）从（a）中的不同标记位置获的PL光谱图；（c），（d）实验光谱图像得到的峰值能量分布和谱宽分布图；（e），（f）理论模拟分析得到谱峰位移和谱宽展宽分布图。
结论和展望
该工作发展了一种研究亚纳米分辨率单分子近场光致发光成像和光谱的方法。这种方法有三个关键因素：（1）针尖尖端具有原子级的突出，能够形成体积极小等离激元共振腔；（2）通过原子厚度NaCl绝缘层减小分子与金属之间的电子耦合；（3）精确控制测试分子结的结构。另外，这个工作展示了针尖靠近分子过程中分子荧光单调增强的行为，并且研究了其增强机制。这种亚纳米级荧光成像的方法不仅可以用来实现高分辨率的光致发光成像，同时也可以进一步研究等离激元-分子相互作用，为研究光-物质相互作用提供了一种有效手段。
图5. 侯建国院士和董振超教授研究团队自行搭建的TEPL测试实验装置示意图。
参考文献：
1. Schmaus S , Bagrets A , Nahas Y , et al. Giant magnetoresistance through a single molecule. Nat. Nanotechnol., 2011, 6(3):185-9.
撰稿人：曾标峰 （2018级硕士研究生）
校稿人：赵世强 （2017级博士研究生）
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41566-020-0677-y
