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幾十年來，凝聚相中的單分子光譜學一直是一個富有成果的研究領域，但由于相互作用引起的效應，不可避免地會出現分子扭曲。目前為止，氣相中的單分子光譜學僅限于雙原子分子離子的光解和量子邏輯測量，這些研究通過庫侖相互作用與共捕獲的激光冷卻的原子離子接觸，將分子離子冷卻到亞毫開爾文溫度。這種共振冷卻過程使離子排列成有序的庫侖晶體，使其在空間上高度局部化并與環境隔離。這些特性使得激光冷卻的庫侖晶體成為多種光譜學形式的理想平臺，其中有效的陷阱壽命使得甚至非常弱的躍遷也能被觀測到。尤其是量子邏輯技術仍然是高分辨率單分子測量的黃金標準。然而，盡管具有這種分辨率優勢，但這些方法在技術上實施起來往往具有挑戰性，并且難以應用于任意的分子種類。量子邏輯在基礎物理和精密測量實驗中非常寶貴，但作為化學分析工具則不實用。
解決思路
美國加州大學圣巴巴拉分校David Patterson團隊基于適應激光冷卻的庫侖晶體所獨有的非破壞性質譜方法，能夠檢測標記-解標記循環來記錄光譜的特性，將其應用在氣象單分子的觀察中，并通過測量單個C7H7+分子離子的紅外光譜來證明該技術在觀察單分子的可行性。論文以《Single Molecule Infrared Spectroscopy in the Gas Phase》題發表在Nature上。
如圖1所示，88Sr+被困在線性保羅阱中，用422 nm紅失諧激光驅動5p 2P1/2→5s 2S1/2躍遷，多普勒冷卻到毫開爾文溫度。CCD相機和光電倍增管(PMT)收集和記錄散射光子，其中70%進入PMT進行光子相關測量。單個分子離子在與單個88Sr+原子離子共捕獲之前被大量選擇，通過離子的相互庫侖相互作用將分子冷卻到毫開爾文的平動溫度。Tr+缺乏有效的激光冷卻所必需的能級結構，并且很少散射來自422 nm冷卻光的光子。因此，分子離子是暗的，無法直接觀察。
通過觀察88Sr+散射的光子，可以非破壞性地確定分子離子的質量。庫侖結晶的分子離子-原子離子對形成一個耦合振蕩器，限制在陷阱的偽諧波勢內，其特征長期頻率取決于兩個離子的質量。驅動離子對以長期頻率振蕩，通過多普勒效應調制88Sr+熒光強度在同一頻率，這種調制可以用PMT直接觀察到。如圖2a，一個帶有單個標記的Tr+的庫侖晶體被施加于陷阱末端電極的正弦電壓驅動以其長期頻率振蕩。該驅動信號被發送到一個鎖相放大器，在那里它與PMT觀察到的熒光信號進行比較。在驅動長期運動的同時，一系列不同長度的中紅外脈沖被發送到阱中。分子的共振脫標簽導致離子的長期頻率不連續地跳躍(圖2b)，消除了施加的驅動電壓與觀察到的熒光調制之間的相關性(圖2c)。因此，觀察到的鎖定信號下降到接近于零，表明已經發生了去標記事件。平均而言，準備一個被標記的分子并隨后去標簽大約需要2 min。雖然一個分子可以在許多標簽-降解循環中被回收，但它偶爾會在與背景污染物的反應中丟失。通常發現需要1到5個分子才能獲得清晰的光譜雖然我們的方法的數據采集時間比傳統的標記光譜要長得多，但我們的單分子樣品的固有純度導致觀察到的光譜更簡單。
C-H拉伸區單個Tr+分子的振動譜如圖3a，跨度為2944-3150 cm-1。這個單分子數據與8個單獨的Tr+離子的復合光譜一致（圖3b）。圖中的縱條形圖是每個頻率步長的去標簽概率分布得出的95%置信區間，該概率分布以估計的最可能時間常數為中心。該光譜在3042 cm-1處的主要特征與之前的標記實驗一致，認定為不對稱C-H拉伸模式。在3074 cm-1處也有單個躍遷的報道，但與傳統標記光譜相比，該方法的分辨率提高了，使我們能夠解決以前未見過的在3065和3077 cm-1處將該峰分裂為兩個特征的問題。除了主要峰外，還觀察到2952和3140 cm-1處的弱躍遷。這些峰位于其他作用光譜方法的噪聲底之下，這些可能歸因于弱組合或泛音過渡。圖3中觀察到的躍遷線寬受到我們的OPO光源的光譜輪廓以及去標簽過程的自然時間尺度的限制。雖然每個分子的時間尺度不同，但預計其范圍在0.1-100ps之間。觀察到的噪聲水平由采樣誤差控制，采樣誤差與去標簽率成正比，并通過重復測量來降低。由于在沒有中紅外光的情況下，Tr+·N2的標記壽命為幾個小時，而在共振時>90 s，因此能夠在接近零的背景下測量長達90 s的去標記事件。一個多世紀以來，人們對Tr+進行了詳盡的研究，認為這種獨特的芳香陽離子有助于烷基苯質譜的m=91 Da組分。標記光譜證實了Tr+和異構體芐基(Bz+)在這種分裂過程中的存在。當暴露在422 nm光下時，Bz+很容易解離，因此，Tr+是觀測到的唯一質量為91 Da的異構體，通過選擇不同的原子種類進行激光冷卻，可以很容易地實現Bz+的研究。單分子方法可以在不需要事先純化的情況下，應用于表征在寒冷和天體化學相關的化學反應中產生的混合物種產物。由于我們的光譜測量是非破壞性的分析物分子，光譜可以用來識別帶電的反應物和產物。在這種情況下，從頭計算將通過縮小基于能量學的可能反應產物的列表來指導分配。
小結
光譜學是一種關鍵的分析工具，它提供了對分子結構的有價值的見解，并被廣泛用于識別化學樣品。標記光譜學是作用光譜學的一種形式，通過失去弱附著的惰性“標記”粒子來檢測分子離子對單個光子的吸收，但氣相多原子分子的所有光譜都局限于大分子系，由于存在多種化學和異構體物質，使得光譜解釋變得復雜。研究第一次記錄單個氣相多原子分子（C7H7+分子離子）的光譜。該方法的高靈敏度揭示了傳統標記方法無法觀測到的光譜特征，該方法原則上可以通過一次識別一個組成分子來分析多組分混合物。單分子靈敏度將作用光譜擴展到稀有樣品，例如外星來源的樣品，或在數量密度過低的情況下形成的反應中間體。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
