Conventionele experimenten in de chemie en biologie bestuderen het gedrag van de twee, maar het was een blijvende wetenschappelijke uitdaging voor wetenschappers om te observeren, de chemische reacties van individuele moleculen manipuleren en meten.

Als antwoord op deze uitdaging, Prof. Feng Jiandong van de afdeling Scheikunde van de Universiteit van Zhejiang heeft zich gecommitteerd aan de ontwikkeling van interdisciplinaire technieken en instrumenten met één molecuul om chemische reacties van één molecuul in oplossing te observeren. Onlangs, Feng en zijn collega's hebben een nieuwe techniek bedacht voor het direct afbeelden van elektrochemische reacties van één molecuul in oplossing met ultrahoge ruimtelijke resolutie. Deze techniek toont belangrijke toepassingen op het gebied van chemische beeldvorming en biologische beeldvorming, zoals beeldvorming van microstructuren en cellen met nanometerresolutie. De onderzoeksbevinding is gepubliceerd als een cover story van het 11 augustus nummer van Natuur .

In vergelijking met fluorescentiebeeldvorming, elektrochemiluminescentie (ECL) beeldvorming vereist geen gebruik van excitatielicht, dus er is minimale achtergrond. ECL is een belangrijk hulpmiddel bij in-vitro-immunodiagnose dat een ultrahoge gevoeligheid vereist voor het oplossen van zwakke signalen. Momenteel, er zijn twee grote uitdagingen op het gebied van ECL. Eerst, het is van vitaal belang voor testen met één molecuul dat ECL-signalen kunnen worden gemeten en afgebeeld op zwak of zelfs op enkel molecuulniveau. Tweede, het is van enorm belang voor chemische en biologische beeldvorming als ECL-microscopie met superresolutie - ultrahoge spatiotemporele beeldvorming die de optische diffractielimiet doorbreekt - kan worden ontwikkeld.

In de afgelopen drie jaar, Feng en zijn team hebben aan deze twee grote problemen gewerkt. Ze ontwikkelden een gecombineerd breedveld optisch beeldvormings- en elektrochemisch opnamesysteem en bouwden een efficiënte ECL-regeling, meet- en beeldopstelling. Ze voerden de eerste widefield-beeldvorming uit van ECL-reacties met één molecuul en op basis hiervan, ze bereikten de eerste ECL-beeldvorming met superresolutie. Zonder enige lichte opwinding, deze ECL-microscopie met één molecuul kan superresolutie-beeldvorming met één molecuul bereiken, die een groot potentieel heeft voor toepassingen in chemische metingen en biologische beeldvorming.

Waarom is het moeilijk om signalen van één molecuul ruimtelijk vast te leggen tijdens het ECL-proces? Het wordt voornamelijk toegeschreven aan het feit dat reacties van één molecuul moeilijk te beheersen zijn, volgen en detecteren. "Chemische reacties met één molecuul gaan gepaard met buitengewoon zwakke optische, elektrische en magnetische signaalveranderingen, en het proces van chemische reacties en de locatie waar de chemische reactie plaatsvindt zijn stochastisch, ' zei Feng.

Hiertoe, Feng en zijn collega's bouwden een gevoelig detectiesysteem dat luminescentiesignalen kan opvangen die worden gegenereerd na reacties van één molecuul. "Het afbeelden van afzonderlijke reacties vereist de ruimtelijke en temporele isolatie van individuele reactiegebeurtenissen, " zei Feng. "Dit wordt in ons geval bereikt door verdunde oplossingen en snelle camera-acquisities, " zei Dong Jinrun, een doctoraat kandidaat van het onderzoeksteam.

Microscopie is een cruciaal hulpmiddel in materiaalwetenschap en levenswetenschappen. Conventionele optische microscopie werkt op de schaal van honderden nanometers en meer, terwijl elektronenmicroscopie met hoge resolutie en scanning probe-microscopie objecten tot op atomaire schaal kunnen onthullen. "Op deze schaal er is nog een zeer beperkt aantal technologieën beschikbaar voor in situ, dynamische en oplossingswaarnemingen op lengteschalen variërend van enkele nanometers tot honderden nanometers, " zei Feng, "Dit heeft veel te maken met onvoldoende optische beeldresolutie vanwege de optische diffractielimiet." Overeenkomstig, het team begon te werken aan ECL-beeldvorming met superresolutie door spatiotemporele signalen van één molecuul te isoleren.

Geïnspireerd door superresolutie fluorescentiemicroscopie, ze gebruikten de optische reconstructie van gelokaliseerde ruimtelijke moleculaire reacties voor beeldvorming. Dit is vergelijkbaar met hoe men 's nachts onderscheid kan maken tussen twee aangrenzende sterren door hun "fonkelende" gedrag. "De ruimtelijke lokalisatie van luminescentieplaatsen en de superpositie van informatie over elk frame van geïsoleerde moleculaire reactieplaatsen vormen een 'constellatie' van chemische reactieplaatsen."

Om de haalbaarheid van deze beeldvormingsmethode en de nauwkeurigheid van het lokalisatiealgoritme te bevestigen, het team vervaardigde een patroon van gestripte elektrode als een bekend beeldvormingssjabloon en voerde vergelijkende beeldvorming uit. De resultaten van ECL-beeldvorming met één molecuul kwamen goed overeen met de resultaten van elektronenmicroscopiebeeldvorming in structuur, het verifiëren van de haalbaarheid van deze beeldvormingsmethode. ECL-beeldvorming met één molecuul verhoogde de ruimtelijke resolutie van conventionele ECL-microscopie tot een ongekende 24 nanometer.

Feng Jiandong en zijn collega's pasten ECL-beeldvorming met één molecuul toe op celbeeldvorming. Er was geen behoefte aan directe labeling voor ECL-celbeeldvorming, die mogelijk vriendelijk zijn voor cellen, omdat het traditionele labelingsproces de celstatus kan beïnvloeden. Ze voerden verder ECL-beeldvorming met één molecuul uit op celadhesies en observeerden hun dynamiek in de loop van de tijd. Door de gecorreleerde ECL-beeldvorming en superresolutie fluorescentiebeeldvormingsresultaten te vergelijken, ze ontdekten dat ECL-beeldvorming een hoge ruimtelijke resolutie vertoonde die vergelijkbaar was met fluorescentiemicroscopie met superresolutie, terwijl het gebruik van lasers en cellabeling werd vermeden.

"De bevindingen van de auteurs openen de weg naar een nieuw concept in beeldvorming:een op chemie gebaseerde benadering van superresolutiemicroscopie, " Prof. Frédéric Kanoufi van de Universiteit van Parijs en Prof. Neso Sojic van de Universiteit van Bordeaux schreven in een begeleidend commentaar in Natuur nieuws en meningen van het tijdschrift. "Het zou ook kunnen leiden tot de ontwikkeling van nieuwe strategieën voor bioassays en celbeeldvorming, als aanvulling op gevestigde op fluorescentie gebaseerde microscopietechnieken met één molecuul."