教科書上的化學(xué)反應(yīng)均以單分子形式進(jìn)行概念描述，但實驗中得到的卻是大量分子的平均結(jié)果。一瓶380毫升的水，約含有10的25次方個水分子，投入金屬鈉會產(chǎn)生激烈的反應(yīng)。不妨試想，宏觀可見的化學(xué)現(xiàn)象，具體到單個分子是怎樣的表現(xiàn)?

單分子實驗是從本質(zhì)出發(fā)解決許多基礎(chǔ)科學(xué)問題的重要途徑之一。近年來，雖已有單分子熒光顯微鏡技術(shù)，冷凍單分子電鏡技術(shù)等諾貝爾獎級別的成果問世，觀察、操縱和測量最為微觀的單分子化學(xué)反應(yīng)仍是科學(xué)家面對的長期挑戰(zhàn)。

8月11日，浙江大學(xué)化學(xué)系馮建東研究員團(tuán)隊在國際頂級期刊《自然》發(fā)表封面文章。浙大團(tuán)隊以電致化學(xué)發(fā)光反應(yīng)為研究對象，發(fā)明了一種可以直接對溶液中單分子化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行成像的顯微鏡技術(shù)，并實現(xiàn)了超高時空分辨成像。該技術(shù)可實現(xiàn)更清晰的微觀結(jié)構(gòu)和細(xì)胞圖像，在化學(xué)成像和生物成像領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值。

捕獲分子發(fā)光信號1秒內(nèi)連拍上千張圖片

電致化學(xué)發(fā)光，是指具有發(fā)光活性的物質(zhì)在電極表面通過化學(xué)反應(yīng)實現(xiàn)發(fā)光的形式，可令分子產(chǎn)生光信號，在體外免疫診斷、成像分析等領(lǐng)域已有應(yīng)用。

“在溶液體系還難以開展單分子化學(xué)反應(yīng)的直接光學(xué)捕捉。”馮建東介紹，單分子化學(xué)反應(yīng)伴隨的光、電、磁信號變化非常微弱，而且化學(xué)反應(yīng)過程和位置具有隨機(jī)性，很難控制和追蹤。

如何實現(xiàn)微弱乃至單分子水平電致化學(xué)發(fā)光信號的測量和成像?如何在電致化學(xué)發(fā)光成像領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破光學(xué)衍射極限的超高時空分辨率成像，即超分辨電致化學(xué)發(fā)光成像?3年來，馮建東團(tuán)隊致力于這兩大難題的研究，通過聯(lián)用自制的具有皮安水平電流檢出能力的電化學(xué)測量系統(tǒng)以及寬場超分辨光學(xué)顯微鏡，搭建了一套高效的電致化學(xué)發(fā)光控制、測量和成像系統(tǒng)。

“團(tuán)隊通過搭建靈敏的探測系統(tǒng)，將電壓施加、電流測量、光學(xué)成像同步起來，通過時空孤立捕獲到了單分子反應(yīng)后產(chǎn)生的發(fā)光信號。”論文第一作者、浙大化學(xué)系博士生董金潤介紹。

從空間上，研究團(tuán)隊通過不斷稀釋，控制溶液中的分子濃度實現(xiàn)單分子空間隔離。時間上，通過快速照片采集，最快在1秒內(nèi)拍攝1300張，消除鄰近分子間的相互干擾。

利用這套光電控制和測量平臺，團(tuán)隊首次實現(xiàn)單分子電致化學(xué)發(fā)光信號的空間成像，其成像特點在于無需借助外界光源，可在暗室操作。

多重曝光合成疊加實現(xiàn)納米級超高分辨率

現(xiàn)如今，傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡在數(shù)百納米以上的尺度工作，而高分辨電鏡和掃描探針顯微鏡則可以揭示原子尺度。“但能夠用于原位、動態(tài)和溶液體系觀測幾個納米到上百納米這一尺度范圍的技術(shù)非常有限。”馮建東提到，主要在于受到光的衍射極限限制，光學(xué)成像分辨力不足，即相鄰很近的兩個點難以分辨。

為此，馮建東團(tuán)隊在獲取單分子信號圖像基礎(chǔ)上，著手研究電致化學(xué)發(fā)光的超分辨成像。受到超分辨熒光顯微鏡技術(shù)的啟發(fā)，研究團(tuán)隊利用通過空間分子反應(yīng)定位的光學(xué)重構(gòu)方法進(jìn)行成像。

“好比人們夜晚抬頭看星星，可以通過星星的‘閃爍’將離得很近的兩顆星星區(qū)分開一樣。”馮建東介紹，技術(shù)原理即通過空間上的發(fā)光位置定位，再把每一幀孤立分子反應(yīng)位置信息疊加起來，就能構(gòu)建出化學(xué)反應(yīng)位點的“星座”。

為驗證這一成像方法的可行性以及定位算法的準(zhǔn)確性，研究團(tuán)隊通過精密加工的方法，在電極表面制造了一個條紋圖案作為已知成像模板，并進(jìn)行對比成像，條紋間隔為幾百個納米。

記者看到，該微納結(jié)構(gòu)的單分子電致化學(xué)發(fā)光成像與電鏡成像結(jié)果高度吻合。而且，單分子電致化學(xué)發(fā)光成像將傳統(tǒng)上數(shù)百納米的電致化學(xué)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(tuán)隊進(jìn)而將該成像技術(shù)應(yīng)用于生物細(xì)胞顯微成像，以細(xì)胞的基質(zhì)黏附為對象，對其進(jìn)行單分子電致化學(xué)發(fā)光成像，觀察其隨時間的動態(tài)變化，成像結(jié)果與熒光超分辨成像可關(guān)聯(lián)對比，其分辨率也可與熒光超分辨成像相媲美。

“相比于熒光成像技術(shù)，電致化學(xué)發(fā)光成像不需要對細(xì)胞結(jié)構(gòu)做標(biāo)記，意味著不易影響細(xì)胞狀態(tài)，對細(xì)胞可能是潛在友好的。”馮建東表示，未來，這項顯微鏡技術(shù)將作為一項研究工具，在單分子水平揭示更多化學(xué)奧秘，也有助于揭示更為清晰的生物結(jié)構(gòu)和看清生命基本單位細(xì)胞如何工作。(洪恒飛 柯溢能  江耘)