化學(xué)創(chuàng)造著千變?nèi)f化的物質(zhì)世界，在這其中每一個單分子起到基本的作用。傳統(tǒng)化學(xué)和生物學(xué)研究大量分子參與的反應(yīng)和變化。著名物理學(xué)家埃爾溫·薛定諤曾評論過：“我們從來沒有用一個單電子、單原子或單分子做過實驗。我們假設(shè)我們可以在思想實驗中實現(xiàn)，但是這會導(dǎo)致非?？尚Φ暮蠊??！庇^察、操縱和測量最為微觀的單分子化學(xué)反應(yīng)是科學(xué)家面臨的一個長久科學(xué)挑戰(zhàn)。
針對這一挑戰(zhàn)，浙江大學(xué)化學(xué)系馮建東研究員致力于發(fā)展跨學(xué)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(xué)過程觀測、新現(xiàn)象研究和應(yīng)用建立。近期，其團隊發(fā)明了一種直接可以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)在化學(xué)成像和生物成像領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值，允許看到更清晰的微觀結(jié)構(gòu)和細(xì)胞圖像。
北京時間8月11日，這項研究成果作為封面論文刊登在國際頂級期刊《自然》。論文第一作者為浙江大學(xué)化學(xué)系博士生董金潤和博士后盧禹先；論文通訊作者為浙江大學(xué)化學(xué)系馮建東研究員。
浙大團隊的研究對象是電致化學(xué)發(fā)光反應(yīng)。電致化學(xué)發(fā)光是利用電極表面發(fā)生的一系列化學(xué)反應(yīng)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(xué)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(lǐng)域的重要手段，其在成像分析等方向也具有一定價值。目前，電致化學(xué)發(fā)光存在兩個重要的科學(xué)問題，其一是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，這對于單分子檢測非常重要。其二是在電致化學(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，這一點對化學(xué)和生物成像具有重要意義。
3年來，馮建東團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)。首次實現(xiàn)了單分子電致化學(xué)發(fā)光信號的寬場空間成像；并在此基礎(chǔ)上成功突破了光學(xué)衍射極限，第一次實現(xiàn)了電致化學(xué)發(fā)光的超分辨成像。這項單分子電致化學(xué)發(fā)光顯微鏡技術(shù)不需要光激發(fā)即可實現(xiàn)單分子超分辨成像，有望影響化學(xué)測量和生物成像領(lǐng)域的應(yīng)用。
在時空隔離中達(dá)到單分子反應(yīng)測量極限
教科書上的化學(xué)反應(yīng)都是以單分子形式進(jìn)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(chǔ)科學(xué)問題的重要途徑之一，是研究方法的質(zhì)變。這也是化學(xué)測量學(xué)面臨的一個極限挑戰(zhàn)。
電致化學(xué)發(fā)光過程中，為什么難以開展單分子信號的捕捉呢？這主要是因為單分子反應(yīng)控制難、追蹤難、檢測難。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性，很難控制和追蹤?！?/p>
圖1：單分子電致化學(xué)發(fā)光信號的時空隔離和隨機性。
為此，浙大科研人員搭建了靈敏的探測系統(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“捕捉”到了單分子反應(yīng)后產(chǎn)生的發(fā)光信號?！熬唧w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。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?！辈┦可饾櫧榻B到。
利用這套光電控制和測量平臺，浙大科研團隊首次實現(xiàn)了單分子電致化學(xué)發(fā)光反應(yīng)的直接寬場成像?！坝捎诓恍枰庠醇ぐl(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(xué)和生物成像領(lǐng)域提供新的視野?！?/p>
在單分子空間定位中突破光學(xué)極限
顯微鏡是物質(zhì)科學(xué)和生命科學(xué)研究的重要研究工具，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。“在這個標(biāo)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?！瘪T建東提到，主要原因在于光學(xué)成像分辨力不足，受到光學(xué)衍射極限限制。為此，馮建東團隊接著著手從時空孤立的單分子信號實現(xiàn)電致化學(xué)發(fā)光的超分辨成像。
受到熒光超分辨顯微鏡（2014年諾貝爾化學(xué)獎）的啟發(fā)，浙大研究者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。這就好比當(dāng)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?！盎瘜W(xué)反應(yīng)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(yīng)位置信息疊加起來，構(gòu)建出化學(xué)反應(yīng)位點的‘星座’。 ”
圖2：單分子電致化學(xué)發(fā)光顯微鏡在微納結(jié)構(gòu)成像上的論證。
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(zhǔn)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，并對之進(jìn)行對比成像。單分子電致化學(xué)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(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。
圖3：單分子電致化學(xué)發(fā)光顯微鏡固定（死）細(xì)胞成像。
研究團隊進(jìn)而將該技術(shù)應(yīng)用于生物細(xì)胞顯微成像，不需要標(biāo)記細(xì)胞結(jié)構(gòu)本身意味著電致化學(xué)發(fā)光成像對細(xì)胞可能是潛在友好的，因為傳統(tǒng)使用的標(biāo)記可能會影響細(xì)胞狀態(tài)。團隊進(jìn)一步以細(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以進(jìn)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，同時該技術(shù)避免了激光和細(xì)胞標(biāo)記的使用。
圖4：單分子電致化學(xué)發(fā)光顯微鏡活細(xì)胞成像。
未來，這項顯微技術(shù)將作為一項研究工具為化學(xué)反應(yīng)位點可視化、單分子測量、化學(xué)和生物成像等領(lǐng)域提供新的可能，具備廣泛的應(yīng)用前景。在同一期上，《自然》期刊專門邀請了領(lǐng)域?qū)＜覍@一突破性技術(shù)的前景進(jìn)行了亮點評述和報道。
