化学创造了不断变化的物质世界，其中每一个分子都扮演着重要的角色。传统的化学和生物学研究涉及大量分子的反应和变化。观察、操纵和测量最微观的单分子化学反应是科学家面临的长期科学挑战。

为应对这一挑战，浙江大学化学系冯建东研究员致力于开发跨学科的单分子测量方法和仪器，实现多维溶液系统单分子物理和化学过程观察、新现象研究与应用建立。最近，他的团队发明了一种显微镜技术，可以直接成像溶液中的单分子化学反应，实现超高时空分辨率成像。该技术在化学成像和生物成像领域具有重要的应用价值，可以看到更清晰的微观结构和细胞图像。北京时间8月11日，该研究成果作为封面论文发表在国际顶级期刊《自然》上。论文第一作者为浙江大学化学系博士生董金润、博士后陆宇贤；论文通讯作者为浙江大学化学系冯建东研究员。

达到时空隔离中单分子反应测量的极限

浙江大学团队的研究对象是电化学发光反应。电化学发光是利用电极表面发生的一系列化学反应来实现发光的一种形式。与传统的荧光成像技术相比，由于不需要光激发，电化学发光几乎没有背景。是目前体外免疫诊断领域对灵敏度要求较高的重要方法。在成像分析等方向也有一定的价值。 .目前，电化学发光有两个重要的科学问题。一是微弱甚至单分子级电化学发光信号的测量和成像，这对于单分子检测非常重要。二是实现电化学发光成像领域突破光学衍射极限的超高时空分辨率成像，即超分辨率电化学??发光成像，对化学和生物成像具有重要意义。

3年来，冯建东团队一直致力于这两大问题的研究。通过将具有皮安级电流检测能力的自制电化学测量系统与宽视场超分辨率光学显微镜相结合，形成了一种高效的电化学发光控制、测量和成像系统。首次实现了单分子电化学发光信号的宽视场空间成像；并在此基础上，成功突破了光学衍射极限，首次实现了电化学发光的超分辨成像。这种单分子电化学发光显微技术不需要光激发即可实现单分子超分辨率成像，有望影响化学测量和生物成像的应用。

教科书上的化学反应都是以单分子的形式在概念上描述的，但是传统实验得到的结果是大量分子的平均结果。单分子实验是从本质上解决许多基础科学问题的重要途径之一，是研究方法的质变。这也是化学计量面临的极端挑战。为什么电化学发光过程中难以捕获单分子信号？这主要是因为单分子反应难以控制、难以追踪、难以检测。冯建东介绍：“单分子化学反应伴随的光、电、磁信号变化非常微弱，化学反应过程和位置是随机的，难以控制和追踪。”

▲图1：单分子电化学发光信号的时空隔离和随机性。

为此，浙江大学的研究人员构建了一个灵敏的检测系统来同步电压施加、电流测量和光学成像，并通过时间和空间“捕捉”单分子反应产生的发光隔离。信号。 “具体来说，通过空间上的不断稀释，控制溶液中分子的浓度，实现单个分子的空间隔离。时间上，通过快速拍照，1秒内最多可拍摄1300张照片，消除相互之间的干扰。”相邻分子之间的干扰。”博士生董金润介绍。

利用这套光电控制与测量平台，浙江大学科研团队首次实现了单分子电化学发光反应的直接宽场成像。 “因为它不需要光源激发，所以这种成像的特点是背景接近于零。这种原位成像将在化学和生物成像领域提供一个新的视野。”

突破空间定位的光学极限

显微镜是材料科学和生命科学研究的重要研究工具。传统的光学显微镜在数百纳米甚至更大的尺度上工作，而高分辨率电子显微镜和扫描探针显微镜可以揭示原子尺度。 “在这个尺度上，可以用来观察几纳米到几百纳米尺度的原位、动态和溶液系统的技术仍然非常有限。”冯建东提到，主要原因是光学成像分辨率不够，受光学影响。衍射极限极限。为此，冯建东的团队随后着手从时空分离的单分子信号中实现电化学发光的超分辨率成像。

受荧光超分辨显微镜（2014年诺贝尔化学奖）的启发，浙江大学的研究人员通过空间分子反应定位，利用光学重建方法进行成像。这就好比人们在晚上仰望星空时，可以通过星星的“闪烁”分辨出非常接近的两颗星星。 “化学反应的随机性是基于发光位置在空间中的定位，然后将孤立分子反应在每一帧中的位置信息叠加起来，构建化学反应位点的‘星座’。”