一台红外，发一篇Nature！
学研汇 技术中心
2023-07-20
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几十年来，凝聚相中的单分子光谱学一直是一个富有成果的研究领域，但由于相互作用引起的效应，不可避免地会出现分子扭曲。目前为止，气相中的单分子光谱学仅限于双原子分子离子的光解和量子逻辑测量，这些研究通过库仑相互作用与共捕获的激光冷却的原子离子接触，将分子离子冷却到亚毫开尔文温度。这种共振冷却过程使离子排列成有序的库仑晶体，使其在空间上高度局部化并与环境隔离。这些特性使得激光冷却的库仑晶体成为多种光谱学形式的理想平台，其中有效的陷阱寿命使得甚至非常弱的跃迁也能被观测到。尤其是量子逻辑技术仍然是高分辨率单分子测量的黄金标准。然而，尽管具有这种分辨率优势，但这些方法在技术上实施起来往往具有挑战性，并且难以应用于任意的分子种类。量子逻辑在基础物理和精密测量实验中非常宝贵，但作为化学分析工具则不实用。
解决思路
美国加州大学圣巴巴拉分校David Patterson团队基于适应激光冷却的库仑晶体所独有的非破坏性质谱方法，能够检测标记-解标记循环来记录光谱的特性，将其应用在气象单分子的观察中，并通过测量单个C7H7+分子离子的红外光谱来证明该技术在观察单分子的可行性。论文以《Single Molecule Infrared Spectroscopy in the Gas Phase》题发表在Nature上。
如图1所示，88Sr+被困在线性保罗阱中，用422 nm红失谐激光驱动5p 2P1/2→5s 2S1/2跃迁，多普勒冷却到毫开尔文温度。CCD相机和光电倍增管(PMT)收集和记录散射光子，其中70%进入PMT进行光子相关测量。单个分子离子在与单个88Sr+原子离子共捕获之前被大量选择，通过离子的相互库仑相互作用将分子冷却到毫开尔文的平动温度。Tr+缺乏有效的激光冷却所必需的能级结构，并且很少散射来自422 nm冷却光的光子。因此，分子离子是暗的，无法直接观察。
通过观察88Sr+散射的光子，可以非破坏性地确定分子离子的质量。库仑结晶的分子离子-原子离子对形成一个耦合振荡器，限制在陷阱的伪谐波势内，其特征长期频率取决于两个离子的质量。驱动离子对以长期频率振荡，通过多普勒效应调制88Sr+荧光强度在同一频率，这种调制可以用PMT直接观察到。如图2a，一个带有单个标记的Tr+的库仑晶体被施加于陷阱末端电极的正弦电压驱动以其长期频率振荡。该驱动信号被发送到一个锁相放大器，在那里它与PMT观察到的荧光信号进行比较。在驱动长期运动的同时，一系列不同长度的中红外脉冲被发送到阱中。分子的共振脱标签导致离子的长期频率不连续地跳跃(图2b)，消除了施加的驱动电压与观察到的荧光调制之间的相关性(图2c)。因此，观察到的锁定信号下降到接近于零，表明已经发生了去标记事件。平均而言，准备一个被标记的分子并随后去标签大约需要2 min。虽然一个分子可以在许多标签-降解循环中被回收，但它偶尔会在与背景污染物的反应中丢失。通常发现需要1到5个分子才能获得清晰的光谱虽然我们的方法的数据采集时间比传统的标记光谱要长得多，但我们的单分子样品的固有纯度导致观察到的光谱更简单。
C-H拉伸区单个Tr+分子的振动谱如图3a，跨度为2944-3150 cm-1。这个单分子数据与8个单独的Tr+离子的复合光谱一致（图3b）。图中的纵条形图是每个频率步长的去标签概率分布得出的95%置信区间，该概率分布以估计的最可能时间常数为中心。该光谱在3042 cm-1处的主要特征与之前的标记实验一致，认定为不对称C-H拉伸模式。在3074 cm-1处也有单个跃迁的报道，但与传统标记光谱相比，该方法的分辨率提高了，使我们能够解决以前未见过的在3065和3077 cm-1处将该峰分裂为两个特征的问题。除了主要峰外，还观察到2952和3140 cm-1处的弱跃迁。这些峰位于其他作用光谱方法的噪声底之下，这些可能归因于弱组合或泛音过渡。图3中观察到的跃迁线宽受到我们的OPO光源的光谱轮廓以及去标签过程的自然时间尺度的限制。虽然每个分子的时间尺度不同，但预计其范围在0.1-100ps之间。观察到的噪声水平由采样误差控制，采样误差与去标签率成正比，并通过重复测量来降低。由于在没有中红外光的情况下，Tr+·N2的标记寿命为几个小时，而在共振时>90 s，因此能够在接近零的背景下测量长达90 s的去标记事件。一个多世纪以来，人们对Tr+进行了详尽的研究，认为这种独特的芳香阳离子有助于烷基苯质谱的m=91 Da组分。标记光谱证实了Tr+和异构体苄基(Bz+)在这种分裂过程中的存在。当暴露在422 nm光下时，Bz+很容易解离，因此，Tr+是观测到的唯一质量为91 Da的异构体，通过选择不同的原子种类进行激光冷却，可以很容易地实现Bz+的研究。单分子方法可以在不需要事先纯化的情况下，应用于表征在寒冷和天体化学相关的化学反应中产生的混合物种产物。由于我们的光谱测量是非破坏性的分析物分子，光谱可以用来识别带电的反应物和产物。在这种情况下，从头计算将通过缩小基于能量学的可能反应产物的列表来指导分配。
小结
光谱学是一种关键的分析工具，它提供了对分子结构的有价值的见解，并被广泛用于识别化学样品。标记光谱学是作用光谱学的一种形式，通过失去弱附着的惰性“标记”粒子来检测分子离子对单个光子的吸收，但气相多原子分子的所有光谱都局限于大分子系，由于存在多种化学和异构体物质，使得光谱解释变得复杂。研究第一次记录单个气相多原子分子（C7H7+分子离子）的光谱。该方法的高灵敏度揭示了传统标记方法无法观测到的光谱特征，该方法原则上可以通过一次识别一个组成分子来分析多组分混合物。单分子灵敏度将作用光谱扩展到稀有样品，例如外星来源的样品，或在数量密度过低的情况下形成的反应中间体。https://www.nature.com/articles/s41586-023-06351-7Aaron Calvin et al. Single Molecule Infrared Spectroscopy in the Gas Phase.Nature (2023).DOI：10.1038/s41586-023-06351-7
