Konventionella experiment inom kemi och biologi studerar beteendet hos de två, men det har varit en bestående vetenskaplig utmaning för forskare att observera, manipulera och mäta de kemiska reaktionerna hos enskilda molekyler.

Som svar på denna utmaning, Prof. Feng Jiandong från Institutionen för kemi vid Zhejiang University har förbundit sig att utveckla tvärvetenskapliga enmolekylära tekniker och instrument för att observera enmolekylära kemiska reaktioner i lösning. Nyligen, Feng och hans kollegor har tagit fram en ny teknik för att direkt avbilda elektrokemiska reaktioner med en molekyl i lösning med ultrahög rumslig upplösning. Denna teknik visar viktiga tillämpningar inom områdena kemisk avbildning och biologisk avbildning såsom avbildning av mikrostrukturer och celler med nanometerupplösning. Forskningsresultatet publiceras som en omslagsartikel till numret av 11 augusti av Natur .

I jämförelse med fluorescensavbildning, elektrokemiluminescens (ECL) avbildning kräver inte användning av excitationsljus, så det är minimal bakgrund. ECL är ett viktigt verktyg vid in vitro immundiagnos som kräver ultrahög känslighet för att lösa svaga signaler. För närvarande, det finns två stora utmaningar inom ECL-området. Först, det är ytterst viktigt för enmolekylanalyser att ECL-signaler kan mätas och avbildas på svag eller till och med enmolekylnivå. Andra, det är av enorm betydelse för kemisk och biologisk avbildning om superupplösning ECL-mikroskopi - ultrahög spatiotemporal avbildning som bryter den optiska diffraktionsgränsen - kan utvecklas.

Under de senaste tre åren, Feng och hans team har arbetat med dessa två stora problem. De utvecklade ett kombinerat bredfält optisk bildbehandling och elektrokemiskt inspelningssystem och byggde en effektiv ECL-kontroll, mätning och bilduppställning. De utförde den första widefield-avbildningen av enmolekylära ECL-reaktioner och på grund av detta, de uppnådde den första superupplösta ECL-avbildningen. Utan någon lätt excitation, denna ECL-mikroskopi med en molekyl kan uppnå en molekyls superupplösningsavbildning, som har stor potential för tillämpningar inom kemiska mätningar och biologisk avbildning.

Varför är det svårt att spatialt fånga signaler från en molekyl under ECL-processen? Det beror främst på det faktum att enmolekylära reaktioner är svåra att kontrollera, spåra och upptäcka. "Enkelmolekylära kemiska reaktioner åtföljs av extremt svaga optiska, elektriska och magnetiska signalförändringar, och processen med kemiska reaktioner och platsen där kemisk reaktion sker är stokastiska, sa Feng.

För detta ändamål, Feng och hans kollegor byggde ett känsligt detektionssystem som kan fånga luminescenssignaler som genereras efter enstaka molekylreaktioner. "Att avbilda enstaka reaktioner kräver rumslig och tidsmässig isolering av individuella reaktionshändelser, ", sa Feng. "Detta uppnås i vårt fall genom att använda utspädda lösningar och snabba kameraförvärv, sa Dong Jinrun, en Ph.D. forskargruppens kandidat.

Mikroskopi är ett avgörande verktyg inom materialvetenskap och life science. Konventionell optisk mikroskopi fungerar på en skala av hundratals nanometer och längre medan högupplöst elektronmikroskopi och skanningssondsmikroskopi kan avslöja föremål ner till atomär skala. "I denna skala, det finns fortfarande ett mycket begränsat antal tekniker tillgängliga för in situ, dynamiska och lösningsobservationer på längdskalor som sträcker sig från några få nanometer till hundratals nanometer, sa Feng, "Detta har mycket att göra med otillräcklig optisk bildupplösning på grund av den optiska diffraktionsgränsen." Följaktligen, teamet började arbeta med superupplösning ECL-avbildning genom spatiotemporally isolera enmolekylsignaler.

Inspirerad av superupplöst fluorescensmikroskopi, de använde den optiska rekonstruktionen av lokaliserade rumsliga molekylära reaktioner för avbildning. Detta liknar hur man kan skilja mellan två intilliggande stjärnor på natten genom deras "blinkande" beteende. "Den rumsliga lokaliseringen av luminescensställen och överlagringen av information om varje ram av isolerade molekylära reaktionsställen utgör en 'konstellation' av kemiska reaktionsställen."

För att intyga genomförbarheten av denna bildbehandlingsmetod och noggrannheten hos lokaliseringsalgoritmen, teamet tillverkade ett mönster av avskalad elektrod som en känd bildmall och genomförde jämförande bildbehandling. Resultaten av ECL-avbildning med en molekyl stämde väl överens med resultaten av elektronmikroskopi i struktur, verifiera genomförbarheten av denna avbildningsmetod. ECL-avbildning med en molekyl ökade den rumsliga upplösningen av konventionell ECL-mikroskopi till oöverträffade 24 nanometer.

Feng Jiandong och hans kollegor fortsatte med att tillämpa ECL-avbildning med en molekyl på cellavbildning. Det fanns inget behov av direkt märkning för ECL-cellavbildning, som potentiellt kan vara vänliga för celler, eftersom den traditionella märkningsprocessen kan påverka celltillståndet. De utförde ytterligare en molekyl ECL-avbildning på cellvidhäftningar och observerade deras dynamik över tiden. Genom att jämföra de korrelerade ECL-avbildningsresultaten och superupplösningsfluorescensavbildningsresultaten, de fann att ECL-avbildning uppvisade hög rumslig upplösning jämförbar med superupplöst fluorescensmikroskopi samtidigt som man undvek användningen av lasrar och cellmärkning.

"Författarnas resultat öppnar vägen för ett nytt koncept inom bildbehandling:en kemibaserad metod för superupplösningsmikroskopi, " Prof. Frédéric Kanoufi från universitetet i Paris och prof. Neso Sojic från universitetet i Bordeaux skrev i en åtföljande kommentar i Natur tidningens nyheter och synpunkter. "Det kan också leda till utvecklingen av nya strategier för bioanalyser och cellavbildning, som kompletterar väletablerade fluorescensbaserade enmolekylmikroskopitekniker."