浙大冯建东发表的论文

化学创造着千变万化的物质世界，在这其中每一个单分子起到基本的作用。教科书上的化学反应以单分子形式进行概念描述，但实验中得到却是大量分子的平均结果。观察、操纵和测量最为微观的单分子化学反应是科学家面临的一个长久科学挑战。

针对这一挑战，浙江大学化学系冯建东研究员团队发明了一种 直接可以对溶液中单分子化学反应进行成像的显微镜技术 ，并实现了 超高时空分辨成像 。该技术在化学成像和生物成像领域具有重要的应用价值，允许看到更清晰的微观结构和细胞图像，有望在化学测量和生物成像等领域产生重要影响。

北京时间8月11日，这项研究成果作为封面论文刊登在国际顶级期刊《自然》。 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。

浙大团队解决单分子测量的路径是利用电极表面发生的一系列化学反应实现发光的电致化学发光反应。相比于传统的荧光成像技术，由于不需要光激发，电致化学发光几乎没有背景，是目前对于灵敏度有着很高要求的体外免疫诊断的重要手段，其在成像分析等方向也具有一定价值。

目前，电致化学发光存在两个重要的科学问题，其一是微弱乃至单分子水平电致化学发光信号的测量和成像，这对于单分子检测非常重要。其二是在电致化学发光成像实现突破光学衍射极限的超高时空分辨率成像，即超分辨电致化学发光成像，这一点对化学和生物成像具有重要意义。冯建东团队致力于这两大难题的研究。

在“捕捉”单分子反应信号过程中，浙大科研人员搭建了灵敏的探测系统，将电压施加、电流测量、光学成像同步起来，通过时空孤立检测到单分子反应后产生的发光信号。具体而言，从空间上通过不断稀释，控制溶液中的分子浓度实现单分子空间隔离。时间上通过快速照片采集，最高在1秒内拍摄1300张，消除邻近分子间的相互干扰。

如何突破光学衍射极限？受到荧光超分辨显微镜（2014年诺贝尔化学奖）的启发，浙大研究者利用时空孤立的分子反应定位进行光学重构成像。这就好比当人们夜晚抬头看星星时，可以通过星星的“闪烁”将离得很近的两颗星星区分开一样。“化学反应的随机性，通过空间上的发光位置定位，再把每一帧孤立分子反应位置信息叠加起来，构建出化学反应位点的‘ 星座 ’。 ”冯建东介绍。研究者论证了该技术在微纳结构和细胞成像方面的应用。

未来，这项显微技术将作为一项工具为化学反应位点可视化、单分子测量、化学和生物成像等领域提供新的可能，具备广泛的应用前景。在同一期上，《自然》期刊专门邀请了领域专家对这一突破性技术的前景进行了亮点评述和报道。

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如果要评选一个人类 历史 上最伟大的发明，那么 显微镜 一定能名列前茅。

在显微镜发明之前，人类对于世界的观察只局限于肉眼。当 列文虎克 使用他自制的显微镜观察到细胞和微生物后，一个全新的微生物世界在人类眼前打开。此后，恩斯特·鲁斯卡于1931年发明电子显微镜，使得人们能够直接在原子水平观察，显微镜将人类视野带到了一个之前从未触及的微观世界，人类开始对自己和自己所处的这个世界有了更深入的认知。

与显微镜相反的是望远镜，通过望远镜，我们可以观察并欣赏银河系乃至宇宙的壮丽景观。如果想更好地欣赏这些景观，最好选择一个没有月光、远离城市光污染的环境。如果在完全黑暗的情况下观察微弱的星光就容易得多。这一原理同样应用于显微镜。

2021年8月11日，浙江大学化学系 冯建东 研究员团队在国际顶尖学术期刊 Nature 发表了题为： Direct imaging of single-molecule electrochemical reactions in solution 的研究论文。

研究团队发明了一种可以 直接对溶液中单分子化学反应进行成像的显微镜技术 ，并且证实了该技术可以用于 活细胞的超高时空分辨成像 ， 而且无需使用外部光源 。该论文还被选为当期 Nature 的封面论文 。

研究团队表示，这项利用空间分子反应定位的光学重构方法的成像技术。 就像人们夜晚抬头看星星时，可以通过星星的“闪烁”将离得很近的两颗星星区分开一样 。化学反应的随机性，通过空间上的发光位置定位，再把每一帧孤立分子反应位置信息叠加起来，构建出化学反应位点的“ 星座 ”。

化学反应通常涉及溶液中单个分子的碰撞。但对化学反应的测量通常记录这些分子事件集合的平均参数，单个分子反应的特征通常是模糊的，并且每个反应分子在溶液中的精确位置和时间是未知的。

经过几十年的发展，用光照射样品的方法可以说已成为“观察”单个分子的最有用的方法，基于该方法的 超分辨率荧光显微镜 技术也获得了2014 年诺贝尔化学奖。然而，这一方法需要使用短的、高功率的激光脉冲，它们的性能通常受到背景散射光和光漂白的限制。在生物应用中，样品也可能被强激光脉冲损坏，或产生自身荧光，从而影响了观测结果。

我们都知道，一些生物可以通过生物化学反应原位发光，例如 萤火虫 和一些 发光水母 ，它们无需外部光源，却能照亮漆黑的夜空或深海。

在这项研究中，研究团队所使用的的单分子成像方法采用了类似的方法—— 电致化学发光 。 这种方法不需要任何光激发，因此可以在完全黑暗的情况下进行实验 。

理论上， 电致化学发光 的方法的近零背景光学噪声，使其能够达到分辨率极限：检测单个分子。但目前还没有研究能够实现单分子的电致化学发光。这主要是由于单分子反应控制难、追踪难、检测难。而且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具有随机性，很难控制和追踪。

为了解决这些难题，研究团队开发了一种方法，该方法可以对电致化学发光中单个激发染料分子发射的单个光子的位置进行成像，这些光子在电极表面附近触发。使用染料的稀释溶液来确保这些分子在空间上分开，当染料分子与电极产生的自由基发生反应时，就会发射光子。自由基极短的寿命确保它仅以非常高的稀释度存在于电极表面附近。因此，稀释的染料分子很少遇到稀释的自由基，以至于实验的每个毫秒持续时间快照仅捕获一个反应，因此只有一个光子。

通过多个实验，该研究令人信服地表明，在不同曝光时间和不同染料浓度下，每次曝光检测到的光子数量的统计分布遵循泊松统计，从而证明染料分子与电极的碰撞是随机发生的。此外，通过分析染料浓度与检测事件之间的时间间隔之间的关系，表明该过程的速率受染料向电极表面的扩散控制。这些发现为新型显微成像概念开辟了新道路—— 基于化学的超分辨率显微镜 。

研究团队将这种方法扩展到附着在电极上的细胞成像：细胞的粘附区域阻碍了电致化学发光反应物扩散到电极表面，阻止光子发射，从而产生这些区域的负像，生成的图像非常清晰，并与使用超分辨率荧光显微镜产生的图像相关联，验证了该方法的有效性。

接下来，研究团队还将该技术应用于 生物细胞显微成像 ，需要指出的是，该方法不需要标记细胞，从而不影响细胞状态，且成像分辨率媲美超分辨率荧光显微镜。

这项新型显微镜技术将来有望为化学反应位点可视化、单分子测量、化学和生物成像等领域，具备广泛的应用前景。

这项研究成果登上了 Nature 期刊的封面，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。

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