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登上Nature封面！浙大化學系發明新型化學顯微鏡，像數星星一樣觀察分子

來源：浙江大學 2021-08-12

導讀：化學創造著千變萬化的物質世界，在這其中每一個單分子起到基本的作用。傳統化學和生物學研究大量分子參與的反應和變化。著名物理學家埃爾溫·薛定諤曾評論過：“我們從來沒有用一個單電子、單原子或單分子做過實驗。我們假設我們可以在思想實驗中實現，但是這會導致非常可笑的后果。”觀察、操縱和測量最為微觀的單分子化學反應是科學家面臨的一個長久科學挑戰。針對這一挑戰，浙江大學化學系馮建東研究員致力于發展跨學科的單分子測量方法和儀器，實現多維度的溶液體系單分子物理和化學過程觀測、新現象研究和應用建立。近期，其團隊發明了一種直接可以對溶液中單分子化學反應進行成像的顯微鏡技術，并實現了超高時空分辨成像。該技術在化學成像和生物成像領域具有重要的應用價值，允許看到更清晰的微觀結構和細胞圖像。

北京時間8月11日，這項研究成果作為封面論文刊登在國際頂級期刊《自然》。論文第一作者為浙江大學化學系博士生董金潤和博士后盧禹先；論文通訊作者為浙江大學化學系馮建東研究員。

浙大團隊的研究對象是電致化學發光反應。電致化學發光是利用電極表面發生的一系列化學反應實現發光的形式。相比于傳統的熒光成像技術，由于不需要光激發，電致化學發光幾乎沒有背景，是目前對于靈敏度有著很高要求的體外免疫診斷領域的重要手段，其在成像分析等方向也具有一定價值。目前，電致化學發光存在兩個重要的科學問題，其一是微弱乃至單分子水平電致化學發光信號的測量和成像，這對于單分子檢測非常重要。其二是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，這一點對化學和生物成像具有重要意義。

3年來，馮建東團隊致力于這兩大難題的研究，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。首次實現了單分子電致化學發光信號的寬場空間成像；并在此基礎上成功突破了光學衍射極限，第一次實現了電致化學發光的超分辨成像。這項單分子電致化學發光顯微鏡技術不需要光激發即可實現單分子超分辨成像，有望影響化學測量和生物成像領域的應用。

在時空隔離中達到單分子反應測量極限

教科書上的化學反應都是以單分子形式進行概念描述，但傳統實驗中得到卻是大量分子的平均結果。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，是研究方法的質變。這也是化學測量學面臨的一個極限挑戰。

電致化學發光過程中，為什么難以開展單分子信號的捕捉呢？這主要是因為單分子反應控制難、追蹤難、檢測難。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。”

圖1：單分子電致化學發光信號的時空隔離和隨機性。

為此，浙大科研人員搭建了靈敏的探測系統，將電壓施加、電流測量、光學成像同步起來，通過時空孤立“捕捉”到了單分子反應后產生的發光信號。“具體從空間上通過不斷稀釋，控制溶液中的分子濃度實現單分子空間隔離。時間上，通過快速照片采集，最高在1秒內拍攝1300張，消除鄰近分子間的相互干擾。”博士生董金潤介紹到。

利用這套光電控制和測量平臺，浙大科研團隊首次實現了單分子電致化學發光反應的直接寬場成像。“由于不需要光源激發，這一成像的特點在于背景幾近于零，這種原位成像將為化學和生物成像領域提供新的視野。”

在單分子空間定位中突破光學極限

顯微鏡是物質科學和生命科學研究的重要研究工具，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。“在這個標尺中，能夠用于原位、動態和溶液體系觀測幾個納米到上百納米這一尺度范圍的技術仍然非常有限。”馮建東提到，主要原因在于光學成像分辨力不足，受到光學衍射極限限制。為此，馮建東團隊接著著手從時空孤立的單分子信號實現電致化學發光的超分辨成像。

受到熒光超分辨顯微鏡（2014年諾貝爾化學獎）的啟發，浙大研究者利用通過空間分子反應定位的光學重構方法進行成像。這就好比當人們夜晚抬頭看星星時，可以通過星星的“閃爍”將離得很近的兩顆星星區分開一樣。“化學反應的隨機性，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，構建出化學反應位點的‘星座’。 ”

圖2：單分子電致化學發光顯微鏡在微納結構成像上的論證。

馮建東說，為了驗證這一成像方法的可行性以及定位算法的準確性，團隊通過微納加工的方法在電極表面制造了一個條紋圖案作為已知成像模板，并對之進行對比成像。單分子電致化學發光成像后的結果與該結構的電鏡成像結果結構上高度吻合，證明了成像方法的可行性。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。

圖3：單分子電致化學發光顯微鏡固定（死）細胞成像。

研究團隊進而將該技術應用于生物細胞顯微成像，不需要標記細胞結構本身意味著電致化學發光成像對細胞可能是潛在友好的，因為傳統使用的標記可能會影響細胞狀態。團隊進一步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以進行關聯成像對比，定量上表現出可以同熒光超分辨顯微鏡相媲美的空間分辨率，同時該技術避免了激光和細胞標記的使用。