大堡礁位于澳大利亚昆士兰州沿岸的珊瑚海中，覆盖面积达 13.3 万平方英里。作为由名为珊瑚虫的微小生物构成的世界最大生命体，其表面呈现出近乎无穷的异质性峰谷、微盆地及其他丰富的拓扑特征。
现在请将这幅图景缩放到 10 纳米尺度——这正是华盛顿州里奇兰市太平洋西北国家实验室高级研究科学家帕特里克·埃尔库里所观测的生命微观图景。
El-Khoury 将时间用于研究纳米尺度上的异质界面，这些界面的化学、物理和生物特性在微小的空间尺度上发生变化。
他的工作是对化学、生物和能源科学中遇到的异质界面开展基础化学物理研究。为此，他主要使用针尖增强拉曼光谱技术，该技术能以数纳米精度观测并识别（生物）分子与（生物）材料体系。他还改造并积极开发新型纳米成像与纳米光谱方法，这些方法可在与化学转化相关的空间尺度（纳米级）和时间尺度（飞秒级）上实现物质可视化。
"观察这些纳米微区或局域环境时，你会发现它们各自具有独特的物理化学性质，"他解释道，"这使得邻近（生物）分子体系的局域特性比其天然状态更为复杂。"
El-Khoury 认为异质性才是普遍规律而非例外。在生物学、化学和材料科学中遇到的大多数实际界面，其性质在纳米尺度上都是变化的。这与教科书描述的理想化系统相去甚远。接纳并理解这种精妙的复杂性，是开发更高效功能材料（例如可应用于现代光伏和光电器件）的先决条件。
“我们以极高的空间分辨率对物体进行成像，并且由于我们运用了拉曼散射等不同光学光谱技术，还能同时实现物质识别。实际上，这就像拥有能告诉你物质位置与成分的纳米化学之眼。”
El-Khoury 所采用技术实现的高空间分辨率，要求信号必须源自极少量分子。在这种超灵敏光学光谱的研究范畴中，其作用机制遵循着截然不同的规律。
“我们工作的部分内容涉及利用已知分子来表征其所处的复杂局部环境。在针尖增强拉曼光谱中，这意味着以超高空间分辨率观测纳米局域光场的不同特性。这需要对针尖增强拉曼光谱中起作用的物理机制有深入的基础性理解。”
生物学与能源领域的研究者常关注固/液界面发生的反应过程。从测量科学的角度来看，这构成了技术挑战——因为在常规实验室环境下，现有技术难以对这些界面进行化学可视化表征。
“现有技术中，有些方法能实现纳米级空间分辨率却无法提供化学信息；另一些已发展约百年的方法虽能提供丰富的化学信息与选择性，却达不到所需的空间分辨率。当研究目标是对生物与能源过程进行原位/工况可视化观测时，这种矛盾尤为突出。”
尽管在受控环境中进行基础研究具有巨大价值——毕竟，我们许多物理学知识都源于此，但在某些情况下，由于上述纳米尺度的异质性，这种理想化的知识无法直接应用于现实生活，尤其是在固液界面处。
“我能给出的例子是催化剂，”他说道。“一个催化表面以特定效率运作，那么问题就来了：为什么它不能达到百分之百的效率？要回答这个问题，就需要找到并表征所谓的活性位点，并将它们与惰性催化位点进行比较——后者在器件中通常更为普遍。活性位点是否具有与表面其他部分不同的独特性质？成功的催化转化事件是否发生在形貌独特的位点上？独特的形貌是否伴随着独特的物理（如电场）和化学（如氧化态）性质？这些都是需要追问的问题。若要从纳米尺度上解答这些问题，就需要多模态的纳米形貌与纳米化学表征工具，例如针尖增强拉曼光谱。”
他描述道，这就像观察太阳能电池这类（非）高效器件时，通过放大视角追问其特定区域运作或失效的根本原因。他所开展的基础化学物理研究，旨在为器件制造商提供理论支持，例如帮助解决特定器件中局部氧化位点的技术难题。
El-Khoury 进一步阐释了他如何通过融合多种光学光谱技术与纳米光学工具，持续部署并开发新型纳米光谱分析手段。
"只要拥有灵活的光学平台——当然还需要充足的激光源，这种基于拉曼光谱的方法就能实现普适化应用。目前我们不仅成功实现了纳米拉曼检测，还拓展至纳米光致发光、纳米消光测量，以及纳米相干反斯托克斯拉曼散射、纳米二次谐波/和频生成、纳米双光子光致发光等多模态非线性光学测量技术。部分成果已发表，其余研究也即将公之于众。"
El-Khoury 最后强调，这些独特的纳米光学技术在生物科学、能源科学和材料科学领域的应用固然重要，但同等重要的是进一步深化对纳米尺度下（生物）分子和（生物）材料光学特征的基础认知。
"我不是那种制造晶圆级器件的人。但我或许能为现有设备和原型设备提供足够有价值的信息——这些信息或许能为器件科学家提供参考，或者单纯让他们感到困扰。"
他还特别强调，不应将任何现象视为理所当然，例如纳米尺度下的光谱选择定则。他打趣道"规则就是用来打破的"，以此指代传统光学测量与纳米光学测量之间的差异——前者追踪大量分子，后者仅关注少数分子。
