新型化教显微镜正在浙大问世，像数星星一样观看分子

化学制造着变化多端的物质天下，在这此中每一个单分子起到根本的作用。传统化学和生物学研究大量分子参加的反响和改变。

闻名物理学家埃尔温·薛定谔曾批评过：“我们从来没有效一个单电子、单原子或单分子做过试验。我们假设我们可以在头脑试验中实现，但是这会导致非常可笑的结果。”观看、利用和丈量最为微观的单分子化学反响是科学家面对的一个恒久科学挑衅。

针对这一挑衅，浙江大学化学系冯建东研究员致力于进展跨学科的单分子丈量要领和仪器，实现多维度的溶液体系单分子物理和化学历程观察、新征象研究和应用创建。

近期，其团队发明白一种直接可以对溶液中单分子化学反响举行成像的显微镜技能，并实现了超高时空辨别成像。该技能在化学成像和生物成像范畴具有紧张的应用代价，许可看到更清楚的微观布局和细胞图像。

北京时间8月11日，这项研究结果作为封面论文登载在国际顶级期刊《天然》。论文第一作者为浙江大学化学系博士生董金润和博士后卢禹先；论文通讯作者为浙江大学化学系冯建东研究员。

浙大团队的研究工具是电致化学发光反响。电致化学发光是使用电极外貌产生的一系列化学反响实现发光的情势。相比于传统的荧光成像技能，因为不必要光引发，电致化学发光险些没有配景，是现在对付敏锐度有着很高要求的体外免疫诊断范畴的紧张本领，其在成像阐发等偏向也具有必然代价。

现在，电致化学发光存在两个紧张的科学题目，其一是薄弱以致单分子程度电致化学发光信号的丈量和成像，这对付单分子检测非常紧张。其二是在电致化学发光成像范畴实现突破光学衍射极限的超高时空辨别率成像，即超辨别电致化学发光成像，这一点对化学和生物成像具有紧张意义。

3年来，冯建东团队致力于这两浩劫题的研究，通过联用自制的具有皮安程度电流检出本领的电化学丈量体系以及宽场超辨别光学显微镜，搭建了一套高效的电致化学发光操纵、丈量和成像体系。初次实现了单分子电致化学发光信号的宽场空间成像；并在此底子上乐成突破了光学衍射极限，第一次实现了电致化学发光的超辨别成像。这项单分子电致化学发光显微镜技能不必要光引发即可实现单分子超辨别成像，有望影响化学丈量和生物成像范畴的应用。

在时空断绝中到达单分子反响丈量的极限

教科书上的化学反响都因此单分子情势举行观点形貌，但传统试验中得到的倒是大量分子的均匀效果。单分子试验是从素质动身办理很多底子科学题目的紧张途径之一，是研究要领的质变。这也是化学丈量学面对的一个极限挑衅。

电致化学发光历程中，为什么难以开展单分子信号的捕获呢？这重要是由于单分子反响操纵难、追踪难、检测难。冯建东先容：“单分子化学反响陪同的光、电、磁信号改变非常薄弱，并且化学反响历程和位置具有随机性，很难操纵和追踪。”

图1：单分子电致化学发光信号的时空断绝和随机性。

为此，浙大科研职员搭建了敏锐的探测体系，将电压施加、电流丈量、光学成像同步起来，通过期空伶仃“捕获”到了单分子反响后孕育发生的发光信号。“详细从空间上通过不停稀释，操纵溶液中的分子浓度实现单分子空隔断离。时间上，通过快速照片收罗，最高在1秒内拍摄1300张，消除相近分子间的相互滋扰。”博士生董金润先容到。

使用这套光电操纵和丈量平台，浙大科研团队初次实现了单分子电致化学发光反响的直接宽场成像。“因为不必要光源引发，这一成像的特点在于配景几近于零，这种原位成像将为化学和生物成像范畴提供新的视野。”

在单分子空间定位中突破光学极限

显微镜是物质科学和生命科学研究的紧张研究东西，传统光学显微镜在数百纳米以上的标准事情，而高辨别电镜和扫描探针显微镜则可以展现原子标准。“在这个标尺中，可以或许用于原位、动态和溶液体系观察几个纳米到上百纳米这一标准范畴的技能仍旧非常有限。”冯建东提到，重要缘故原由在于光学成像辨别力不敷，受到光学衍射极限限定。为此，冯建东团队接着动手从时空伶仃的单分子信号实现电致化学发光的超辨别成像。

受到荧光超辨别显微镜（2014年诺贝尔化学奖）的开导，浙大研究者使用通过空间分子反响定位的光学重构要领举行成像。这就比如当人们夜晚仰面看星星时，可以通过星星的“闪耀”将离得很近的两颗星星区离开一样。“化学反响的随机性，通过空间上的发光位置定位，再把每一帧伶仃分子反响位置信息叠加起来，构建出化学反响位点的‘星座’。 ”

图2：单分子电致化学发光显微镜在微纳布局成像上的论证。

冯建东说，为了验证这一成像要领的可行性以及定位算法的正确性，团队通过微纳加工的要领在电极外貌制造了一个条纹图案作为已知成像模板，并对之举行比拟成像。单分子电致化学发光成像后的效果与该布局的电镜成像效果布局上高度符合，证明白成像要领的可行性。单分子电致化学发光成像将传统上数百纳米的电致化学发光显微成像空间辨别率提拔到了亘古未有的24纳米。

图3：单分子电致化学发光显微镜牢固（去世）细胞成像。

研究团队进而将该技能应用于生物细胞显微成像，不必要标志细胞布局自己意味着电致化学发光成像对细胞大概是潜伏友爱的，由于传统利用的标志大概会影响细胞状态。团队进一步以细胞的基质黏附为工具，对其举行单分子电致化学发光成像，观看其随时间的动态改变。成像效果与荧光超辨别成像可以举行联系关系成像比拟，定量上体现出可以同荧光超辨别显微镜相媲美的空间辨别率，同时该技能幸免了激光和细胞标志的利用。

图4：单分子电致化学发光显微镜活细胞成像。

将来，这项显微技能将作为一项研究东西为化学反响位点可视化、单分子丈量、化学和生物成像等范畴提供新的大概，具备遍及的应用远景。在统一期上，《天然》期刊专门聘请了范畴专家对这一突破性技能的远景举行了亮点批评和报道。