【新闻资讯】查看全部

新型化学显微镜：敲开单分子化学反应观测之门

　　化学创造着千变万化的物质世界，在这其中起到基本作用的是单个的分子。近日，浙江大学化学系冯建东研究员领衔的科研团队发明了一种直接可以对溶液中单分子化学反应进行成像的显微镜技术，实现了超高时空分辨成像，敲开了观测单分子化学反应的大门。该技术在化学成像和生物成像领域具有重要的应用价值。

　　研究对象：电致化学发光反应

　　传统化学和生物学研究的对象是大量分子参与的反应和变化。在化学相关学科的教科书上，化学反应都是以单分子形式进行概念描述，但传统实验中得到却是大量分子的平均结果。单分子实验是从本质出发解决许多基础科学问题的重要途径之一，观察、操纵和测量最为微观的单分子化学反应是科学家面临的一个长久科学挑战。

　　冯建东研究团队致力于发展跨学科的单分子测量方法和仪器，实现多维度的溶液体系单分子物理和化学过程观测、新现象研究和应用建立。他们发明了一种直接可以对溶液中单分子化学反应进行成像的显微镜技术，以电致化学发光反应为研究对象，实现了超高时空分辨率成像。

　　电致化学发光是利用电极表面发生的一系列化学反应实现发光的形式。相比于传统的荧光成像技术，由于不需要光激发，电致化学发光几乎没有背景，是目前对于灵敏度有着很高要求的体外免疫诊断领域的重要工具，其在成像分析等方向也具有一定价值。

　　目前，电致化学发光存在两个重要的科学问题，一是微弱乃至单分子水平电致化学发光信号的测量和成像，二是在电致化学发光成像领域，实现突破光学衍射极限的超高时空分辨率成像，即超分辨电致化学发光成像。

　　科学问题一：单分子直接宽场成像

　　3年来，冯建东团队致力于这两大难题的研究。为解决第一个问题，该团队通过联用自制的具有皮安水平电流检出能力的电化学测量系统以及宽场超分辨光学显微镜，搭建了一套高效的电致化学发光控制、测量和成像系统。

　　“在电致化学发光过程中难以开展单分子信号的捕捉，主要是因为单分子反应控制难、追踪难、检测难。单分子化学反应伴随的光、电、磁信号变化非常微弱，而且化学反应过程和位置具有随机性，很难控制和追踪。”冯建东介绍说。为此，他们搭建了灵敏的探测系统，将电压施加、电流测量、光学成像同步起来，通过时空孤立“捕捉”到了单分子反应后产生的发光信号。从空间上，通过不断稀释，控制溶液中的分子浓度实现单分子空间隔离;在时间上，通过快速照片采集，最高在1秒内拍摄1300张，消除邻近分子间的相互干扰。

　　就这样，他们首次实现了单分子电致化学发光反应的直接宽场成像。“由于不需要光源激发，这一成像的特点在于背景几近于零，这种原位成像将为化学和生物成像领域提供新的视野。”冯建东表示。

　　科学问题二：突破光学衍射极限

　　第一个问题解决了，他们又着手解决第二个问题。传统光学显微镜在数百纳米以上的尺度工作，而高分辨电镜和扫描探针显微镜则可以揭示原子尺度。“在这个标尺中，能够用于原位、动态和溶液体系观测几个纳米到上百纳米这一尺度范围的技术仍然非常有限。”冯建东提到，主要原因在于光学成像分辨力不足，受到光的衍射极限限制。为此，他们探索从时空孤立的单分子信号实现电致化学发光的超分辨成像。

　　受到荧光超分辨显微镜的启发，研究团队利用通过空间分子反应定位的光学重构方法进行成像。这就好比当人们夜晚抬头看星星时，可以通过星星的“闪烁”将离得很近的两颗星星区分开一样。“化学反应的随机性，通过空间上的发光位置定位，再把每一帧孤立分子反应位置信息叠加起来，构建出化学反应位点的‘星座’。”冯建东说，为了验证这一成像方法的可行性以及定位算法的准确性，团队通过微纳加工的方法在电极表面制造了一个条纹图案作为已知成像模板，并对其进行对比成像。单分子电致化学发光成像后的结果与该结构的电镜成像结果结构上高度吻合，证明了成像方法的可行性。单分子电致化学发光成像将传统上数百纳米的电致化学发光显微成像空间分辨率提升到了前所未有的24纳米，第二个科学问题也解决了。

　　研究团队进而将该技术应用于生物细胞显微成像。电致化学发光成像不需要标记细胞结构，也不会影响细胞状态，因而对细胞是潜在友好的。团队以细胞的基质黏附为对象，对其进行单分子电致化学发光成像，观察其随时间的动态变化。成像结果与荧光超分辨成像进行关联成像对比，定量上表现出可以同荧光超分辨显微镜相媲美的空间分辨率。

【免责声明】