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图1： 基于扫描探针的单分子多参量测量示意图: (A)探针，（B）拉曼光谱光路，（C）AFM像，（D）STM像和利用高灵敏单光子计数器同步采集的C-H振动拉曼光谱像，（E）分子骨架结构的拉曼光谱像。
在国家自然科学基金项目（批准号：21972129）等资助下，中国科学技术大学单分子科学团队侯建国、王兵和谭世倞等发展了多种扫描探针显微成像联用技术，实现了对单分子在电、力、光等外场作用下不同内禀参量响应的精密测量，在单化学键精度上实现了单分子多重特异性的综合表征。研究成果以“在单化学键精度上确定表面分子体系的结构与化学特异性（Determining structural and chemical heterogeneities of surface species at the single-bond limit）”为题，于2021年2月19日发表在《科学》（Science）杂志上（2021, 371, 818–822；论文链接: https://science.sciencemag.org/content/371/6531/818）。
精确测定分子的化学结构、识别其化学物种一直是表面科学的核心问题，即使在单个分子层次上，分子结构、电子态及其激发态、化学键振动、反应动力学行为等多维度的内禀属性也表现出显著的特异性。分子多维度内禀参量的精密测量是一个极具挑战性的前沿问题。在过去的40多年里，扫描隧道显微术（STM）及其衍生出的多种高分辨的显微成像技术，如q-Plus原子力显微术（AFM），已经获得1埃量级的空间分辨能力。但是，这些显微技术缺乏化学识别能力。直到2013年，中国科学技术大学单分子科学团队利用针尖增强拉曼成像技术（TERS），首次实现了亚纳米级的化学识别（Nature, 2013, 498, 82），并于2019年将该技术的空间分辨推进至1.5埃（National Science Review, 2019, 6, 1169），为进一步拓展针对分子特异性的全局表征研究奠定了基础。
该团队在前期工作基础上，采用融合STM，AFM，TERS等扫描探针技术的策略，发展了STM-AFM-TERS联用技术（图1），突破了单一显微成像技术的探测局限。利用这一高分辨的综合表征技术，以并五苯分子及其衍生物作为模型体系，结合电、力、光等不同相互作用，实现了对电子态、化学键结构和振动态、化学反应等多维度内禀参量的精密测量。实验结果揭示了Ag(110)表面吸附的并五苯分子转化为不同衍生物的机理，其中纳腔等离激元激发是导致特定吸附构型下C—H键选择性断裂的原因。在技术上，通过集成高灵敏度的单光子计数器，把拉曼光谱的实空间成像速度提高了2个数量级，成功地实现了并五苯分子化学反应前后的动态跟踪与测量。结合理论计算，揭示了分子化学反应过程的机理，验证了实验观测结果。
这一多维度表征技术方法将为表面催化、表面合成和二维材料中的化学结构与物种识别，以及构效关系的构建提供可行的解决方案，在表面化学、多相催化等研究领域具有重要的科学价值。