讓分子自己發光，這項技術看清了單分子化學反應

◎洪恆飛 柯溢能 本報記者 江 耘

教科書上的化學反應均以單分子形式進行概念描述，但實驗中得到的卻是大量分子的平均結果。一瓶380毫升的水，約含有1025個水分子，投入金屬鈉會產生激烈的反應。那麼，宏觀可見的化學現象，具體到單個分子是怎樣的表現？

單分子實驗是從本質出發解決許多基礎科學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、冷凍單分子電鏡技術等諾貝爾獎級別的成果問世，但觀察、操縱和測量最為微觀的單分子化學反應仍是科學家面對的長期挑戰。

8月11日，浙江大學（以下簡稱浙大）化學系馮建東研究員團隊在國際頂級期刊《自然》發表封面文章。浙大團隊以電致化學發光反應為研究對象，發明了一種可以直接對溶液中單分子化學反應進行成像的顯微鏡技術，並實現了超高時空分辨成像。該技術可實現更清晰的微觀結構和細胞圖像，在化學成像和生物成像領域具有重要應用價值。

捕獲分子發光信號 1秒內連拍上千張圖片

電致化學發光，是指具有發光活性的物質在電極表面通過化學反應實現發光的形式，可令分子產生光信號，在體外免疫診斷、成像分析等領域已有應用。

“在溶液體系還難以開展單分子化學反應的直接光學捕捉。”馮建東介紹，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。

如何實現微弱乃至單分子水平電致化學發光信號的測量和成像？如何在電致化學發光成像領域實現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光成像？3年來，馮建東團隊致力於這兩大難題的研究，通過聯用自制的具有皮安水平電流檢出能力的電化學測量系統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光控制、測量和成像系統。

“團隊通過搭建靈敏的探測系統，將電壓施加、電流測量、光學成像同步起來，通過時空孤立捕獲到了單分子反應後產生的發光信號。”論文第一作者、浙大化學系博士生董金潤介紹。

從空間上，研究團隊通過不斷稀釋，控制溶液中的分子濃度實現單分子空間隔離。時間上，通過快速照片採集，最快在1秒內拍攝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台，團隊首次實現單分子電致化學發光信號的空間成像，其成像特點在於無需藉助外界光源，可在暗室操作。

多重曝光合成疊加 實現納米級超高分辨率

現如今，傳統光學顯微鏡在數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。“但能夠用於原位、動態和溶液體系觀測幾個納米到上百納米這一尺度範圍的技術非常有限。”馮建東提到，這主要在於受到光的衍射極限限制，光學成像分辨力不足，即相鄰很近的兩個點難以分辨。

為此，馮建東團隊在獲取單分子信號圖像的基礎上，着手研究電致化學發光的超分辨成像。受到超分辨熒光顯微鏡技術的啓發，研究團隊利用通過空間分子反應定位的光學重構方法進行成像。

“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分開一樣。”馮建東介紹，技術原理即通過空間上的發光位置定位，再把每一幀孤立分子反應位置信息疊加起來，就能構建出化學反應位點的“星座”。

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

記者看到，該微納結構的單分子電致化學發光成像與電鏡成像結果高度吻合。而且，單分子電致化學發光成像將傳統上數百納米的電致化學發光顯微成像空間分辨率提升到了前所未有的24納米。

研究團隊進而將該成像技術應用於生物細胞顯微成像，以細胞的基質黏附為對象，對其進行單分子電致化學發光成像，觀察其隨時間的動態變化，成像結果與熒光超分辨成像可關聯對比，其分辨率也可與熒光超分辨成像相媲美。

“相比於熒光成像技術，電致化學發光成像不需要對細胞結構做標記，意味着不易影響細胞狀態，對細胞可能是潛在友好的。”馮建東表示，未來，這項顯微鏡技術將作為一項研究工具，在單分子水平揭示更多化學奧秘，也有助於揭示更為清晰的生物結構和看清生命基本單位細胞如何工作。