超分子內部分子相互結合的作用（單分子化學反應首度實現超分辨成像）

2023-05-30 03:08:58

浙江大學的這一成果登上了《自然》封面。圖片來源：馮建東等人/《自然》

（記者崔雪芹）單分子實驗是從本質出發解決許多基礎科學問題的重要途徑之一，也是化學測量學面臨的一個挑戰。浙江大學化學系研究員馮建東團隊發明了一種可以直接對溶液中單分子化學反應進行成像的顯微鏡技術，並實現了超高時空分辨成像。該技術在化學成像和生物成像領域具有重要的應用價值，能幫助研究人員看到更清晰的微觀結構和細胞圖像。8月12日，該成果作為封面論文刊登於《自然》。

電致化學發光是利用電極表面發生的一系列化學反應實現發光的形式。目前，電致化學發光存在兩大難題，一是微弱乃至單分子水平電致化學發光信號的測量和成像，這對單分子檢測非常重要。二是突破光學衍射極限的超高時空分辨成像，即超分辨電致化學發光成像，這對化學和生物成像具有重要意義。

馮建東團隊通過聯用自製的具有皮安水平電流檢出能力的電化學測量系統，以及寬場超分辨光學顯微鏡，搭建了一套高效的電致化學發光控制、測量和成像系統。他們首次實現了單分子電致化學發光信號的寬場空間成像，並在此基礎上成功突破了光學衍射極限，第一次實現了電致化學發光的超分辨成像。

研究人員表示，針對單分子反應控制難、追蹤難、檢測難，他們搭建了靈敏的探測系統，將電壓施加、電流測量、光學成像同步，通過時空孤立「捕捉」到了單分子反應後產生的發光信號。具體而言，在空間上通過不斷稀釋，控制溶液中的分子濃度實現單分子空間隔離；在時間上，通過快速照片採集，最高在1秒內拍攝1300張，消除鄰近分子間的相互幹擾。

為了驗證相關成像方法的可行性以及定位算法的準確性，馮建東團隊通過微納加工的方法在電極表面製造了一個條紋圖案作為已知成像模板，並對之進行對比成像。

研究人員表示，單分子電致化學發光成像後的結果與該結構的電鏡成像結果結構上高度吻合，證明了成像方法的可行性。單分子電致化學發光成像將傳統上數百納米的電致化學發光顯微成像空間解析度提升到了前所未有的24納米。

研究團隊進而將該技術應用於生物細胞顯微成像。研究人員表示，不需要標記細胞結構本身意味著電致化學發光成像對細胞可能是潛在友好的，因為傳統使用的標記可能會影響細胞狀態。他們以細胞的基質黏附為對象，對其進行單分子電致化學發光成像，觀察其隨時間的動態變化。成像結果具有可以同螢光超分辨顯微鏡相媲美的空間解析度，同時該技術避免了雷射和細胞標記的使用。

專家認為，未來，這項顯微技術將為化學反應位點可視化、單分子測量、化學和生物成像等領域提供新的可能，具備廣泛的應用前景。

來源： 《中國科學報》