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科學(xué)團(tuán)隊(duì)利用新技術(shù)首次實(shí)現(xiàn)單分子電致化學(xué)發(fā)光信號(hào)的空間成像

2021-08-13 11:06:12 來(lái)源:科技日?qǐng)?bào)

教科書上的化學(xué)反應(yīng)均以單分子形式進(jìn)行概念描述,但實(shí)驗(yàn)中得到的卻是大量分子的平均結(jié)果。一瓶380毫升的水,約含有10的25次方個(gè)水分子,投入金屬鈉會(huì)產(chǎn)生激烈的反應(yīng)。不妨試想,宏觀可見的化學(xué)現(xiàn)象,具體到單個(gè)分子是怎樣的表現(xiàn)?

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(wèn)題的重要途徑之一。近年來(lái),雖已有單分子熒光顯微鏡技術(shù),冷凍單分子電鏡技術(shù)等諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)別的成果問(wèn)世,觀察、操縱和測(cè)量最為微觀的單分子化學(xué)反應(yīng)仍是科學(xué)家面對(duì)的長(zhǎng)期挑戰(zhàn)。

8月11日,浙江大學(xué)化學(xué)系馮建東研究員團(tuán)隊(duì)在國(guó)際頂級(jí)期刊《自然》發(fā)表封面文章。浙大團(tuán)隊(duì)以電致化學(xué)發(fā)光反應(yīng)為研究對(duì)象,發(fā)明了一種可以直接對(duì)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(shí)現(xiàn)了超高時(shí)空分辨成像。該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)更清晰的微觀結(jié)構(gòu)和細(xì)胞圖像,在化學(xué)成像和生物成像領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。

捕獲分子發(fā)光信號(hào)1秒內(nèi)連拍上千張圖片

電致化學(xué)發(fā)光,是指具有發(fā)光活性的物質(zhì)在電極表面通過(guò)化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)發(fā)光的形式,可令分子產(chǎn)生光信號(hào),在體外免疫診斷、成像分析等領(lǐng)域已有應(yīng)用。

“在溶液體系還難以開展單分子化學(xué)反應(yīng)的直接光學(xué)捕捉。”馮建東介紹,單分子化學(xué)反應(yīng)伴隨的光、電、磁信號(hào)變化非常微弱,而且化學(xué)反應(yīng)過(guò)程和位置具有隨機(jī)性,很難控制和追蹤。

如何實(shí)現(xiàn)微弱乃至單分子水平電致化學(xué)發(fā)光信號(hào)的測(cè)量和成像?如何在電致化學(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(shí)空分辨率成像,即超分辨電致化學(xué)發(fā)光成像?3年來(lái),馮建東團(tuán)隊(duì)致力于這兩大難題的研究,通過(guò)聯(lián)用自制的具有皮安水平電流檢出能力的電化學(xué)測(cè)量系統(tǒng)以及寬場(chǎng)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(cè)量和成像系統(tǒng)。

“團(tuán)隊(duì)通過(guò)搭建靈敏的探測(cè)系統(tǒng),將電壓施加、電流測(cè)量、光學(xué)成像同步起來(lái),通過(guò)時(shí)空孤立捕獲到了單分子反應(yīng)后產(chǎn)生的發(fā)光信號(hào)。”論文第一作者、浙大化學(xué)系博士生董金潤(rùn)介紹。

從空間上,研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)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。時(shí)間上,通過(guò)快速照片采集,最快在1秒內(nèi)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(cè)量平臺(tái),團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)單分子電致化學(xué)發(fā)光信號(hào)的空間成像,其成像特點(diǎn)在于無(wú)需借助外界光源,可在暗室操作。

多重曝光合成疊加實(shí)現(xiàn)納米級(jí)超高分辨率

現(xiàn)如今,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。“但能夠用于原位、動(dòng)態(tài)和溶液體系觀測(cè)幾個(gè)納米到上百納米這一尺度范圍的技術(shù)非常有限。”馮建東提到,主要在于受到光的衍射極限限制,光學(xué)成像分辨力不足,即相鄰很近的兩個(gè)點(diǎn)難以分辨。

為此,馮建東團(tuán)隊(duì)在獲取單分子信號(hào)圖像基礎(chǔ)上,著手研究電致化學(xué)發(fā)光的超分辨成像。受到超分辨熒光顯微鏡技術(shù)的啟發(fā),研究團(tuán)隊(duì)利用通過(guò)空間分子反應(yīng)定位的光學(xué)重構(gòu)方法進(jìn)行成像。

“好比人們夜晚抬頭看星星,可以通過(guò)星星的‘閃爍’將離得很近的兩顆星星區(qū)分開一樣。”馮建東介紹,技術(shù)原理即通過(guò)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(lái),就能構(gòu)建出化學(xué)反應(yīng)位點(diǎn)的“星座”。

為驗(yàn)證這一成像方法的可行性以及定位算法的準(zhǔn)確性,研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)精密加工的方法,在電極表面制造了一個(gè)條紋圖案作為已知成像模板,并進(jìn)行對(duì)比成像,條紋間隔為幾百個(gè)納米。

記者看到,該微納結(jié)構(gòu)的單分子電致化學(xué)發(fā)光成像與電鏡成像結(jié)果高度吻合。而且,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。

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)而將該成像技術(shù)應(yīng)用于生物細(xì)胞顯微成像,以細(xì)胞的基質(zhì)黏附為對(duì)象,對(duì)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可關(guān)聯(lián)對(duì)比,其分辨率也可與熒光超分辨成像相媲美。

“相比于熒光成像技術(shù),電致化學(xué)發(fā)光成像不需要對(duì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)做標(biāo)記,意味著不易影響細(xì)胞狀態(tài),對(duì)細(xì)胞可能是潛在友好的。”馮建東表示,未來(lái),這項(xiàng)顯微鏡技術(shù)將作為一項(xiàng)研究工具,在單分子水平揭示更多化學(xué)奧秘,也有助于揭示更為清晰的生物結(jié)構(gòu)和看清生命基本單位細(xì)胞如何工作。(洪恒飛 柯溢能 科技日?qǐng)?bào)記者 江耘)

關(guān)鍵詞: 單分子電 化學(xué)發(fā)光信號(hào) 空間成像 納米級(jí) 超高分辨率

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