En ny model kan omsætte spektroskopiske billeder af enkelte molekyler til kort over deres atomer og bindinger. TERS-ABNet er offentliggjort som accepteret manuskript i National Science Review den 22. oktober og skal gøre det lettere at udlede molekylers struktur fra målinger på en overflade.

Arbejdet af Jie Cui og kolleger blev tidligere fremlagt som preprint den 23. marts. Her beskriver forskerne en model med to spor, som forudsiger henholdsvis atomer og bindinger. Resultatet samles til en graf: en beskrivelse af, hvilke atomer der er forbundet med hinanden.

Afprøvet på et målt molekyle

Modellen blev trænet på simulerede data. Preprintet rapporterer omkring 94 procent korrekt klassifikation af atomtyper og en gennemsnitlig positionsfejl på cirka 0,23 ångström i modeltestene. Forskerne viser også rekonstruktion af et enkelt porfyrinmolekyle ud fra eksperimentelle TERS-data.

Det er vigtigt at holde de to resultater adskilt. Tallet på 94 procent beskriver ikke, hvor ofte modellen finder en helt korrekt struktur for et vilkårligt ukendt molekyle. Og demonstrationen med eksperimentelle data dokumenterer ikke i sig selv, at metoden virker lige godt på alle molekyltyper.

Lys afslører molekylernes vibrationer

For at forstå opgaven skal man først se på målingen. Raman-spektroskopi undersøger lys, der er blevet spredt af et materiale. En lille del af lyset udveksler energi med materialets vibrationer. Den ændring kan bruges til at undersøge kemisk sammensætning og struktur, forklarer instrumentproducenten Renishaw.

Man får altså ikke et almindeligt fotografi med tydelige kugler og streger som i en kemibog. Man får signaler, som indeholder oplysninger om materialet. Et spektrum viser, hvordan signalet fordeler sig ved forskellige energiændringer. Når man måler på flere positioner, kan informationen også knyttes til steder på prøven.

Det er netop forbindelsen mellem kemi og placering, som gør måleteknikken interessant. To områder kan ligne hinanden i et almindeligt billede og alligevel give forskellige spektroskopiske signaler. Omvendt er et tydeligt signal ikke automatisk en entydig opskrift på hele den struktur, der har skabt det.

En metalspids gør måleområdet mindre

TERS står for tip-enhanced Raman spectroscopy. IUPAC beskriver metoden som en kombination af overfladeforstærket Raman-spektroskopi og scanning med et atomkraftmikroskop eller et scanning-tunnelmikroskop. Kombinationen bruges til at lave kort over en overflade.

Ifølge instrumentproducenten Horiba koncentrerer en fin metalspids, typisk af guld eller sølv, lysfeltet omkring sin yderste ende. Det forstærker signalet fra det meget lille område umiddelbart under spidsen. Ved at flytte målepunktet hen over prøven kan apparatet opbygge et kort med kemisk information.

Det er en krævende sammenkobling af flere dele: en probe, som skal placeres præcist, optik, som bringer lyset hen til den, og et spektrometer, som analyserer det spredte lys. Computerens fortolkning kommer oven på denne fysiske måling. En bedre algoritme gør derfor ikke selve instrumentet eller kvaliteten af måledata overflødig.

Fra signal til et forslag, der kan kontrolleres

Den praktiske værdi af et atom- og bindingskort er, at resultatet kan undersøges konkret. Er de foreslåede atomer placeret fornuftigt? Passer forbindelserne til andre målinger? Er der bestemte dele af molekylet, hvor modellen er usikker? Sådanne spørgsmål er mere nyttige end blot at få et flot billede tilbage fra en computer.

Der er samtidig forskel på at genkende noget i et kontrolleret datasæt og at arbejde med en ukendt prøve. Et laboratorium vil have brug for at vide, hvordan støj, ændrede måleforhold og strukturer uden for træningsmaterialet påvirker svaret. En samlet procentværdi kan ikke alene besvare de spørgsmål.

Det nye arbejde giver et konkret bud på, hvordan analyseleddet kan automatiseres. Perspektivet er hurtigere forslag til molekylære strukturer, som forskere kan efterprøve. Vejen til rutinebrug kræver dog bredere dokumentation: flere eksperimentelle prøver, tydelige usikkerheder og kontrol af, hvornår et foreslået atomkort bør afvises.

Kilder og videre læsning

Har du fundet en fejl? Læs om rettelser.