如果想要欣賞星空的絢爛，最好是選擇在遠離城市光污染並且沒有月光的夜晚。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，浙江大學化學系馮建東研究員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，並實現了超高時空分辨成像。
該團隊的相關研究成果作為封面論文刊登在剛剛出版的國際頂級期刊《自然》上，論文第一作者是浙江大學化學系博士生董金潤和博士后盧禹先；論文通訊作者是浙江大學化學系馮建東研究員。
據介紹，這種方法摒棄了常規單分子顯微術基於熒光的方法，利用單分子電致化學發光反應的直接寬場成像，不需要光源激發，讓背景幾近於零，創造了一個更好觀察的黑暗的“宇宙”。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，有望在化學測量和生物成像等領域產生重要影響。
隨着科技的發展，雖已有單分子熒光顯微鏡技術、冷凍單分子電鏡技術等諾貝爾獎級別的成果問世，觀察、操縱和測量最為微觀的單分子化學反應仍是科學家面對的長久挑戰。據馮建東介紹，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。
教科書上的化學反應以單分子形式進行概念描述，但實驗中得到的卻是大量分子的平均結果，無法精準確定溶液中每個反應分子的位置和時間。為此，馮建東團隊進一步瞄準在電極表面產生的一種化學發光反應，自主發明了一套超級顯微鏡，將電壓施加、電流測量、光學成像等功能同步在一起，利用時間和空間孤立技術，成功“捕捉”到了單分子反應后產生的發光信號。
“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。”論文第一作者、浙江大學化學系博士生董金潤說，這就好比一滴藍色墨水溶解於一瓶清水中，還可以看出是藍色的；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。“時間上的隔離，我們通過快速照片採集，最高在1秒內拍攝1300張，消除鄰近分子間的相互干擾。”
已經抓拍到不停“逃竄”的單分子，又該如何進行系統成像呢？受到熒光超分辨顯微鏡的啟發，浙江大學研究者利用通過空間分子反應定位的光學重構方法，突破光學衍射極限，實現了成像。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。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，最終構建出化學反應位點的“星座”。
該研究團隊進而將技術應用於生物細胞顯微成像，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關聯對比，其分辨率也可與熒光超分辨成像相媲美。
馮建東表示，因其不需要標記細胞結構所展現出的潛在友好性，意味着這一新型化學顯微鏡可以運用到更廣範圍。未來可能在單分子水平揭示更多化學奧秘，也有助於揭示更為清晰的生物結構和看清生命基本單位細胞是如何工作的。