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(fā)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(zhàn)。浙江大學化學系研究員馮建東團隊發(fā)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，并實現(xiàn)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于《自然》。
電致化學發(fā)光是利用電極表面發(fā)生的一系列化學反應實現(xiàn)發(fā)光的形式。目前，電致化學發(fā)光存在兩大難題，一是微弱乃至單分子水平電致化學發(fā)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(fā)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(lián)用自制的具有皮安水平電流檢出能力的電化學測量系統(tǒng)，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(fā)光控制、測量和成像系統(tǒng)。他們首次實現(xiàn)了單分子電致化學發(fā)光信號的寬場空間成像，并在此基礎上成功突破了光學衍射極限，第一次實現(xiàn)了電致化學發(fā)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(tǒng)，將電壓施加、電流測量、光學成像同步，通過時空孤立“捕捉”到了單分子反應后產生的發(fā)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(xiàn)單分子空間隔離；在時間上，通過快速照片采集，最高在1秒內拍攝1300張，消除鄰近分子間的相互干擾。
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制造了一個條紋圖案作為已知成像模板，并對之進行對比成像。
研究人員表示，單分子電致化學發(fā)光成像后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(fā)光成像將傳統(tǒng)上數(shù)百納米的電致化學發(fā)光顯微成像空間分辨率提升到了前所未有的24納米。
研究團隊進而將該技術應用于生物細胞顯微成像。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(fā)光成像對細胞可能是潛在友好的，因為傳統(tǒng)使用的標記可能會影響細胞狀態(tài)。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(fā)光成像，觀察其隨時間的動態(tài)變化。成像結果具有可以同熒光超分辨顯微鏡相媲美的空間分辨率，同時該技術避免了激光和細胞標記的使用。
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。
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