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化學(xué)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(gè)的分子。近日，浙江大學(xué)化學(xué)系馮建東研究員領(lǐng)銜的科研團(tuán)隊(duì)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)，實(shí)現(xiàn)了超高時(shí)空分辨成像，敲開了觀測單分子化學(xué)反應(yīng)的大門。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(jià)值。
研究對象：電致化學(xué)發(fā)光反應(yīng)
傳統(tǒng)化學(xué)和生物學(xué)研究的對象是大量分子參與的反應(yīng)和變化。在化學(xué)相關(guān)學(xué)科的教科書上，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(shí)驗(yàn)中得到卻是大量分子的平均結(jié)果。單分子實(shí)驗(yàn)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，觀察、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(gè)長久科學(xué)挑戰(zhàn)。
馮建東研究團(tuán)隊(duì)致力于發(fā)展跨學(xué)科的單分子測量方法和儀器，實(shí)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。他們發(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)，以電致化學(xué)發(fā)光反應(yīng)為研究對象，實(shí)現(xiàn)了超高時(shí)空分辨率成像。
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(shí)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)域的重要工具，其在成像分析等方向也具有一定價(jià)值。
目前，電致化學(xué)發(fā)光存在兩個(gè)重要的科學(xué)問題，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，二是在電致化學(xué)發(fā)光成像領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)突破光學(xué)衍射極限的超高時(shí)空分辨率成像，即超分辨電致化學(xué)發(fā)光成像。
科學(xué)問題一：單分子直接寬場成像
3年來，馮建東團(tuán)隊(duì)致力于這兩大難題的研究。為解決第一個(gè)問題，該團(tuán)隊(duì)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)。
“在電致化學(xué)發(fā)光過程中難以開展單分子信號的捕捉，主要是因?yàn)閱畏肿臃磻?yīng)控制難、追蹤難、檢測難。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。”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(xué)成像同步起來，通過時(shí)空孤立“捕捉”到了單分子反應(yīng)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(shí)現(xiàn)單分子空間隔離;在時(shí)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(shí)現(xiàn)了單分子電致化學(xué)發(fā)光反應(yīng)的直接寬場成像。“由于不需要光源激發(fā)，這一成像的特點(diǎn)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。”馮建東表示。
科學(xué)問題二：突破光學(xué)衍射極限
第一個(gè)問題解決了，他們又著手解決第二個(gè)問題。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(gè)標(biāo)尺中，能夠用于原位、動(dòng)態(tài)和溶液體系觀測幾個(gè)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(xué)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(shí)空孤立的單分子信號實(shí)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的啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)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(shí)，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(xué)反應(yīng)的隨機(jī)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(diǎn)的‘星座’。”馮建東說，為了驗(yàn)證這一成像方法的可行性以及定位算法的準(zhǔn)確性，團(tuán)隊(duì)通過微納加工的方法在電極表面制造了一個(gè)條紋圖案作為已知成像模板，并對其進(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，第二個(gè)科學(xué)問題也解決了。
研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)而將該技術(shù)應(yīng)用于生物細(xì)胞顯微成像。電致化學(xué)發(fā)光成像不需要標(biāo)記細(xì)胞結(jié)構(gòu)，也不會(huì)影響細(xì)胞狀態(tài)，因而對細(xì)胞是潛在友好的。團(tuán)隊(duì)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(shí)間的動(dòng)態(tài)變化。成像結(jié)果與熒光超分辨成像進(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。
