浙大冯建东Nature:溶液中单分子电化学反应的直接成像

CYM 3年前 (2021-08-12) 4163浏览

【引言】

化学反应往往被概念化为单个分子转化为产物，通常在探索物质整体平均行为的实验中被观察到。单分子方法能够揭示反应位置、途径和动力学的统计分布，尤其是在研究单个生物分子的性质上拥有得天独厚的优势。同测量分子整体性质的传统方法相比，具有直接，准确，实时等优点。同时，单分子方法已经通过光阱和扫描探针显微镜以高空间分辨率，以及使用超灵敏光电探测器的现代光学方法，观察特定位置的单个反应而得到证实，从而实现高通量单分子测量。然而，单分子溶液化学的有效探测仍然具有挑战性。

今日，浙江大学冯建东（通讯作者）报道了在水溶液中单分子电化学反应的光学成像及其在超分辨率显微镜中的用途。该方法利用化学发光反应（ECL），这是一种通过在电极上施加一定波形的电压或电流信号，进行电解反应的产物之间或与体系中共存组分反应产生化学发光的现象，其在电极处电化学产生的钌络合物，从而确保最小的背景信号（不需要激光来产生发射），进而实现对溶液中单个化学产生的单光子进行成像。具体而言，本文使用了一个薄的氧化铟锡（ITO）电极，以允许通过在倒置显微镜同步电化学测量和光学成像系统。随着电压的施加，在透明ITO电极的表面发生反应，发射的光子由底部高数值孔径物镜收集，然后由电子倍增电荷耦合器件相机检测，具有高效率和低读出噪声。同时，循环伏安法和ECL强度数据揭示了钌复合物的电化学反应过程与电压的函数关系。

研究表明，其能够直接捕获单个反应的电化学发光的单光子，并开发超分辨率电化学发光显微镜，以高时空分辨率对活细胞的粘附动力学进行成像，从而实现对细胞结构有针对性的可视化。与荧光显微镜一样，通过捕获由于固定探针分子的多次激发过程而发射的光子进行信号放大，可以进一步提高该方法的成像能力和特异性。因此，单分子ECL为基于荧光的单分子成像方法提供了替代和补充的机会，促进了对电化学反应的基本理解，并证明对生物测定和细胞成像应用具有重要的作用。相关研究成果以“Direct imaging of single-moleculeelectrochemical reactions in solution”为题发表在Nature上。

【图文导读】

图一、单分子ECL成像设置和随机反应观察