最靈敏的同位素分析 isotope analysis，即使是基于光探針或離子探針的最新技術，其空間分辨率也僅限于幾百納米。盡管使用電子探針的振動光譜學 vibrational spectroscopy ，已經實現了更高的空間分辨率，但到目前為止，在原子水平上探測同位素，一直是極具挑戰性的。

近日，日本 國立研究機構產業技術綜合研究所(AIST, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology) Ryosuke Senga，Kazu Suenaga團隊在Nature上發文，報道展示了嵌入13C石墨烯中的12C碳原子的高清晰同位素成像，以及通過原子級振動光譜監測其自擴散。首先在13C石墨烯的預先存在裂縫中生長12C碳原子區域，然后在600攝氏度下退火幾個小時。使用掃描透射電子顯微鏡-電子能量損失譜，獲得了同位素圖，證實了快速擴散12C原子分離。該圖還表明，石墨烯層在2小時后在100納米區域內變得同位素均勻。研究結果證明，碳原子在生長和退火過程中通過自擴散的高遷移率。這種成像技術，可以為納米同位素工程和監測，提供一種基本方法，這將有助于在納米尺度上創建同位素標記和示蹤。

Imaging of isotope diffusion using atomic-scale vibrational spectroscopy.使用原子尺度振動光譜的同位素擴散成像。

圖1：通過暗場EELS比較12C和13C石墨烯。

圖2：同位素納米疇的原位生長。

圖3：單層石墨烯的同位素圖譜。

圖4：石墨烯中碳原子的自擴散。

同位素分析技術，如質譜、核磁共振分析、紅外光譜和拉曼光譜，已用于各種應用中，如生物和化學反應的示蹤、環境調查和礦物年齡估計。這些技術的空間分辨率被限制在幾百納米，即使對于使用敏感探針方法也是如此，如拉曼光譜和二次離子質譜。因此，當代同位素分析技術主要基于宏觀現象。進一步的微觀應用，如使用同位素分子標記對生物化學反應進行原子追蹤，使用同位素反應氣體，對材料生長和擴散過程進行原位觀測，以及對納米化石、人工制品和空間礦物等微樣品進行無損同位素分析，有望在廣泛領域取得突破。為了實現這種納米尺度的同位素工程，必須發展一種具有亞納米空間分辨率的同位素檢測技術。

該項研究，通過使用暗場掃描透視電子顯微鏡Scanning transmission electron microscopy--電子能量損失譜electron energy loss spectroscopy，STEM-EELS振動光譜，在亞納米分辨率下，進行了電子束誘導石墨烯生長的同位素成像。這種成像技術，可以作為納米同位素工程和監測的基本方法，這將有助于在納米尺度上創建同位素標記和示蹤。在能量和空間分辨率和靈敏度方面的進一步改進，可以將同位素測量推進到單原子尺度，并使諸如在生物和化學反應中跟蹤單同位素原子標記的應用成為可能。