浙大發(fā)明新型顯微鏡可以實(shí)現(xiàn)超高時(shí)空分辨成像

如果想要欣賞星空的絢爛，最好是選擇在遠(yuǎn)離城市光污染并且沒有月光的夜晚。在顯微鏡這種極小尺度上的觀測也是同理：在完全黑暗的條件下更容易觀察一些模糊的物體。近日，浙江大學(xué)化學(xué)系馮建東研究員團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種直接可以對溶液中單分子化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行成像的顯微鏡，并實(shí)現(xiàn)了超高時(shí)空分辨成像。 
 

 
該團(tuán)隊(duì)的相關(guān)研究成果作為封面論文刊登在剛剛出版的國際頂級(jí)期刊《自然》上，論文第一作者是浙江大學(xué)化學(xué)系博士生董金潤和博士后盧禹先；論文通訊作者是浙江大學(xué)化學(xué)系馮建東研究員。 
 
據(jù)介紹，這種方法摒棄了常規(guī)單分子顯微術(shù)基于熒光的方法，利用單分子電致化學(xué)發(fā)光反應(yīng)的直接寬場成像，不需要光源激發(fā)，讓背景幾近于零，創(chuàng)造了一個(gè)更好觀察的黑暗的“宇宙”。該技術(shù)在化學(xué)成像和生物成像領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值，允許看到更清晰的微觀結(jié)構(gòu)和細(xì)胞圖像，有望在化學(xué)測量和生物成像等領(lǐng)域產(chǎn)生重要影響。 
 

隨著科技的發(fā)展，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)別的成果問世，觀察、操縱和測量最為微觀的單分子化學(xué)反應(yīng)仍是科學(xué)家面對的長久挑戰(zhàn)。據(jù)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)過程和位置具有隨機(jī)性，很難控制和追蹤。 
 
教科書上的化學(xué)反應(yīng)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，無法精準(zhǔn)確定溶液中每個(gè)反應(yīng)分子的位置和時(shí)間。為此，馮建東團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步瞄準(zhǔn)在電極表面產(chǎn)生的一種化學(xué)發(fā)光反應(yīng)，自主發(fā)明了一套超級(jí)顯微鏡，將電壓施加、電流測量、光學(xué)成像等功能同步在一起，利用時(shí)間和空間孤立技術(shù)，成功“捕捉”到了單分子反應(yīng)后產(chǎn)生的發(fā)光信號(hào)。 

“從空間上通過不斷稀釋，控制溶液中的分子濃度實(shí)現(xiàn)單分子空間隔離。”論文第一作者、浙江大學(xué)化學(xué)系博士生董金潤說，這就好比一滴藍(lán)色墨水溶解于一瓶清水中，還可以看出是藍(lán)色的；如果溶解在一片湖泊中，就看不出顏色了——也就是說，分子在空間上分隔得更開、更孤立了?！皶r(shí)間上的隔離，我們通過快速照片采集，最高在1秒內(nèi)拍攝1300張，消除鄰近分子間的相互干擾?！?nbsp; 

 
已經(jīng)抓拍到不?！疤痈Z”的單分子，又該如何進(jìn)行系統(tǒng)成像呢？受到熒光超分辨顯微鏡的啟發(fā)，浙江大學(xué)研究者利用通過空間分子反應(yīng)定位的光學(xué)重構(gòu)方法，突破光學(xué)衍射極限，實(shí)現(xiàn)了成像。這就好比當(dāng)人們夜晚抬頭看星星時(shí)，可以通過星星的“閃爍”將離得很近的兩顆星星區(qū)分開一樣。通過空間上的發(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，最終構(gòu)建出化學(xué)反應(yīng)位點(diǎn)的“星座”。 

該研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)而將技術(shù)應(yīng)用于生物細(xì)胞顯微成像，以細(xì)胞的基質(zhì)黏附為對象，對其進(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)對比，其分辨率也可與熒光超分辨成像相媲美。 
 
馮建東表示，因其不需要標(biāo)記細(xì)胞結(jié)構(gòu)所展現(xiàn)出的潛在友好性，意味著這一新型化學(xué)顯微鏡可以運(yùn)用到更廣范圍。未來可能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)胞是如何工作的。 
 
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