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　　化學創(chuàng)造著千變?nèi)f化的物質(zhì)世界，在這其中起到基本作用的是單個的分子。近日，浙江大學化學系馮建東研究員領銜的科研團隊發(fā)明了一種直接可以對溶液中單分子化學反應進行成像的顯微鏡技術(shù)，實現(xiàn)了超高時空分辨成像，敲開了觀測單分子化學反應的大門。該技術(shù)在化學成像和生物成像領域具有重要的應用價值。

　　研究對象：電致化學發(fā)光反應

　　傳統(tǒng)化學和生物學研究的對象是大量分子參與的反應和變化。在化學相關(guān)學科的教科書上，化學反應都是以單分子形式進行概念描述，但傳統(tǒng)實驗中得到卻是大量分子的平均結(jié)果。單分子實驗是從本質(zhì)出發(fā)解決許多基礎科學問題的重要途徑之一，觀察、操縱和測量最為微觀的單分子化學反應是科學家面臨的一個長久科學挑戰(zhàn)。

　　馮建東研究團隊致力于發(fā)展跨學科的單分子測量方法和儀器，實現(xiàn)多維度的溶液體系單分子物理和化學過程觀測、新現(xiàn)象研究和應用建立。他們發(fā)明了一種直接可以對溶液中單分子化學反應進行成像的顯微鏡技術(shù)，以電致化學發(fā)光反應為研究對象，實現(xiàn)了超高時空分辨率成像。

　　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。相比于傳統(tǒng)的熒光成像技術(shù)，由于不需要光激發(fā)，電致化學發(fā)光幾乎沒有背景，是目前對于靈敏度有著很高要求的體外免疫診斷領域的重要工具，其在成像分析等方向也具有一定價值。

　　目前，電致化學發(fā)光存在兩個重要的科學問題，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，二是在電致化學發(fā)光成像領域，實現(xiàn)突破光學衍射極限的超高時空分辨率成像，即超分辨電致化學發(fā)光成像。

　　科學問題一：單分子直接寬場成像

　　3年來，馮建東團隊致力于這兩大難題的研究。為解決第一個問題，該團隊通過聯(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)。

　　“在電致化學發(fā)光過程中難以開展單分子信號的捕捉，主要是因為單分子反應控制難、追蹤難、檢測難。單分子化學反應伴隨的光、電、磁信號變化非常微弱，而且化學反應過程和位置具有隨機性，很難控制和追蹤。”馮建東介紹說。為此，他們搭建了靈敏的探測系統(tǒng)，將電壓施加、電流測量、光學成像同步起來，通過時空孤立“捕捉”到了單分子反應后產(chǎn)生的發(fā)光信號。從空間上，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(nèi)拍攝1300張，消除鄰近分子間的相互干擾。

　　就這樣，他們首次實現(xiàn)了單分子電致化學發(fā)光反應的直接寬場成像。“由于不需要光源激發(fā)，這一成像的特點在于背景幾近于零，這種原位成像將為化學和生物成像領域提供新的視野。”馮建東表示。

　　科學問題二：突破光學衍射極限

　　第一個問題解決了，他們又著手解決第二個問題。傳統(tǒng)光學顯微鏡在數(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。“在這個標尺中，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)仍然非常有限。”馮建東提到，主要原因在于光學成像分辨力不足，受到光的衍射極限限制。為此，他們探索從時空孤立的單分子信號實現(xiàn)電致化學發(fā)光的超分辨成像。

　　受到熒光超分辨顯微鏡的啟發(fā)，研究團隊利用通過空間分子反應定位的光學重構(gòu)方法進行成像。這就好比當人們夜晚抬頭看星星時，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。“化學反應的隨機性，通過空間上的發(fā)光位置定位，再把每一幀孤立分子反應位置信息疊加起來，構(gòu)建出化學反應位點的‘星座’。”馮建東說，為了驗證這一成像方法的可行性以及定位算法的準確性，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，并對其進行對比成像。單分子電致化學發(fā)光成像后的結(jié)果與該結(jié)構(gòu)的電鏡成像結(jié)果結(jié)構(gòu)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，第二個科學問題也解決了。

　　研究團隊進而將該技術(shù)應用于生物細胞顯微成像。電致化學發(fā)光成像不需要標記細胞結(jié)構(gòu)，也不會影響細胞狀態(tài)，因而對細胞是潛在友好的。團隊以細胞的基質(zhì)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(jié)果與熒光超分辨成像進行關(guān)聯(lián)成像對比，定量上表現(xiàn)出可以同熒光超分辨顯微鏡相媲美的空間分辨率。