如果想要欣赏星空的绚烂，最好是选择在远离城市光污染并且没有月光的夜晚。在显微镜这种极小尺度上的观测也是同理：在完全黑暗的条件下更容易观察一些模糊的物体。近日，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，并实现了超高时空分辨成像。
该团队的相关研究成果作为封面论文刊登在刚刚出版的国际顶级期刊《自然》上，论文第一作者是浙江大学化学系博士生董金润和博士后卢禹先；论文通讯作者是浙江大学化学系冯建东研究员。
据介绍，这种方法摒弃了常规单分子显微术基于荧光的方法，利用单分子电致化学发光反应的直接宽场成像，不需要光源激发，让背景几近于零，创造了一个更好观察的黑暗的“宇宙”。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。
随着科技的发展，虽已有单分子荧光显微镜技术、冷冻单分子电镜技术等诺贝尔奖级别的成果问世，观察、操纵和测量最为微观的单分子化学反应仍是科学家面对的长久挑战。据冯建东介绍，单分子化学反应伴随的光、电、磁信号变化非常微弱，而且化学反应过程和位置具有随机性，很难控制和追踪。
教科书上的化学反应以单分子形式进行概念描述，但实验中得到的却是大量分子的平均结果，无法精准确定溶液中每个反应分子的位置和时间。为此，冯建东团队进一步瞄准在电极表面产生的一种化学发光反应，自主发明了一套超级显微镜，将电压施加、电流测量、光学成像等功能同步在一起，利用时间和空间孤立技术，成功“捕捉”到了单分子反应后产生的发光信号。
“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。”论文第一作者、浙江大学化学系博士生董金润说，这就好比一滴蓝色墨水溶解于一瓶清水中，还可以看出是蓝色的；如果溶解在一片湖泊中，就看不出颜色了——也就是说，分子在空间上分隔得更开、更孤立了。“时间上的隔离，我们通过快速照片采集，最高在1秒内拍摄1300张，消除邻近分子间的相互干扰。”
已经抓拍到不停“逃窜”的单分子，又该如何进行系统成像呢？受到荧光超分辨显微镜的启发，浙江大学研究者利用通过空间分子反应定位的光学重构方法，突破光学衍射极限，实现了成像。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。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，最终构建出化学反应位点的“星座”。
该研究团队进而将技术应用于生物细胞显微成像，以细胞的基质黏附为对象，对其进行单分子电致化学发光成像，观察其随时间的动态变化，成像结果与荧光超分辨成像可关联对比，其分辨率也可与荧光超分辨成像相媲美。
冯建东表示，因其不需要标记细胞结构所展现出的潜在友好性，意味着这一新型化学显微镜可以运用到更广范围。未来可能在单分子水平揭示更多化学奥秘，也有助于揭示更为清晰的生物结构和看清生命基本单位细胞是如何工作的。
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