Los experimentos convencionales en química y biología estudian el comportamiento de los dos, pero ha sido un desafío científico permanente para los científicos observar, manipular y medir las reacciones químicas de moléculas individuales.

En respuesta a este desafío, El profesor Feng Jiandong del Departamento de Química de la Universidad de Zhejiang se ha comprometido a desarrollar técnicas e instrumentos interdisciplinarios de una sola molécula para observar reacciones químicas de una sola molécula en solución. Recientemente, Feng y sus colegas han ideado una técnica novedosa para obtener imágenes directamente de reacciones electroquímicas de una sola molécula en solución con una resolución espacial ultra alta. Esta técnica muestra aplicaciones importantes en los campos de la imagen química y la imagen biológica, como la obtención de imágenes de microestructuras y células con resolución nanométrica. El hallazgo de la investigación se publica como artículo de portada de la edición del 11 de agosto de Naturaleza .

En comparación con las imágenes de fluorescencia, Las imágenes de electroquimioluminiscencia (ECL) no requieren el uso de luz de excitación, por lo que hay un mínimo de antecedentes. ECL es una herramienta importante en el inmunodiagnóstico in vitro que requiere una sensibilidad ultra alta para resolver señales débiles. En el presente, Hay dos desafíos principales en el campo de las ECL. Primero, Es de vital importancia para los ensayos de una sola molécula que las señales de ECL se puedan medir y obtener imágenes a un nivel débil o incluso de una sola molécula. Segundo, Es de enorme importancia para la obtención de imágenes químicas y biológicas si se puede desarrollar la microscopía ECL de superresolución (imágenes espaciotemporales ultraaltas que rompen el límite de difracción óptica).

Durante los últimos tres años, Feng y su equipo han estado trabajando en estos dos grandes problemas. Desarrollaron un sistema combinado de imágenes ópticas de campo amplio y grabación electroquímica y construyeron un control ECL eficiente, configuración de medición e imagen. Realizaron la primera imagen de campo amplio de reacciones ECL de una sola molécula y, basándose en esto, lograron la primera imagen ECL de superresolución. Sin ninguna excitación ligera, Esta microscopía ECL de una sola molécula puede lograr imágenes de superresolución de una sola molécula, que tiene un gran potencial para aplicaciones en mediciones químicas e imágenes biológicas.

¿Por qué es difícil capturar espacialmente señales de una sola molécula durante el proceso de ECL? Se atribuye principalmente al hecho de que las reacciones de una sola molécula son difíciles de controlar, rastrear y detectar. "Las reacciones químicas de una sola molécula están acompañadas de ópticas extremadamente débiles, cambios de señales eléctricas y magnéticas, y el proceso de reacciones químicas y el lugar donde ocurre la reacción química son estocásticos, "dijo Feng.

Para tal fin, Feng y sus colegas construyeron un sistema de detección sensible que puede capturar señales de luminiscencia generadas después de reacciones de una sola molécula. "La obtención de imágenes de reacciones individuales requiere el aislamiento espacial y temporal de los eventos de reacción individuales, ", dijo Feng." Esto se logra en nuestro caso mediante el uso de soluciones diluidas y adquisiciones rápidas de cámaras, "dijo Dong Jinrun, un doctorado candidato del equipo de investigación.

La microscopía es una herramienta crucial en la ciencia de los materiales y las ciencias de la vida. La microscopía óptica convencional funciona a una escala de cientos de nanómetros y más, mientras que la microscopía electrónica de alta resolución y la microscopía de sonda de barrido pueden revelar objetos hasta la escala atómica. "A esta escala, todavía hay un número muy limitado de tecnologías disponibles para in situ, observaciones dinámicas y de solución a escalas de longitud que van desde unos pocos nanómetros hasta cientos de nanómetros, "dijo Feng, "Esto tiene mucho que ver con una resolución de imagen óptica inadecuada debido al límite de difracción óptica". Respectivamente, el equipo comenzó a trabajar en imágenes de ECL de superresolución mediante el aislamiento espacio-temporal de señales de una sola molécula.

Inspirado en la microscopía de fluorescencia de superresolución, emplearon la reconstrucción óptica de reacciones moleculares espaciales localizadas para la obtención de imágenes. Esto es similar a cómo se pueden distinguir dos estrellas adyacentes por la noche por su comportamiento de "centelleo". "La localización espacial de los sitios de luminiscencia y la superposición de información con respecto a cada marco de los sitios de reacción molecular aislados constituyen una 'constelación' de sitios de reacción química".

Para dar fe de la viabilidad de este método de imagen y la precisión del algoritmo de localización, el equipo fabricó un patrón de electrodo despojado como una plantilla de imagen conocida y realizó imágenes comparativas. Los resultados de las imágenes de ECL de una sola molécula coincidieron bien con los resultados de las imágenes de microscopía electrónica en cuanto a estructura, verificar la viabilidad de este método de imagen. Las imágenes ECL de una sola molécula aumentaron la resolución espacial de la microscopía ECL convencional a 24 nanómetros sin precedentes.

Feng Jiandong y sus colegas aplicaron imágenes de ECL de una sola molécula a las imágenes de células. No hubo necesidad de etiquetado directo para la obtención de imágenes de células ECL, que puede ser potencialmente amigable para las células, ya que el proceso de etiquetado tradicional puede afectar el estado de la celda. Además, realizaron imágenes de ECL de una sola molécula en las adherencias celulares y observaron su dinámica a lo largo del tiempo. Al comparar los resultados de las imágenes de ECL correlacionadas y de las imágenes de fluorescencia de superresolución, encontraron que las imágenes de ECL exhibían una alta resolución espacial comparable a la microscopía de fluorescencia de superresolución mientras evitaban el uso de láseres y el etiquetado celular.

"Los hallazgos de los autores abren el camino a un nuevo concepto en imágenes:un enfoque basado en la química para la microscopía de superresolución, "El profesor Frédéric Kanoufi de la Universidad de París y el profesor Neso Sojic de la Universidad de Burdeos escribieron en un comentario adjunto en Naturaleza noticias y opiniones de la revista. "También podría conducir al desarrollo de nuevas estrategias para bioensayos e imágenes celulares, complementando las técnicas de microscopía de molécula única basadas en fluorescencia bien establecidas ".