Esperimenti convenzionali di chimica e biologia studiano il comportamento dei due, ma è stata una sfida scientifica costante per gli scienziati osservare, manipolare e misurare le reazioni chimiche delle singole molecole.

In risposta a questa sfida, Il Prof. Feng Jiandong del Dipartimento di Chimica dell'Università di Zhejiang si è impegnato a sviluppare tecniche e strumenti interdisciplinari a singola molecola per osservare reazioni chimiche a singola molecola in soluzione. Recentemente, Feng ei suoi colleghi hanno ideato una nuova tecnica per l'imaging diretto di reazioni elettrochimiche di singole molecole in soluzione con una risoluzione spaziale ultraelevata. Questa tecnica mostra importanti applicazioni nei campi dell'imaging chimico e dell'imaging biologico come l'imaging di microstrutture e cellule con risoluzione nanometrica. Il risultato della ricerca è pubblicato come storia di copertina del numero dell'11 agosto di Natura .

Rispetto all'imaging a fluorescenza, l'imaging elettrochemiluminescente (ECL) non richiede l'uso di luce di eccitazione, quindi c'è uno sfondo minimo. L'ECL è uno strumento importante nell'immunodiagnosi in vitro che richiede una sensibilità ultraelevata per risolvere i segnali deboli. Attualmente, ci sono due grandi sfide nel campo dell'ECL. Primo, è di vitale importanza per i test a singola molecola che i segnali ECL possano essere misurati e visualizzati a livello debole o addirittura a singola molecola. Secondo, è di enorme importanza per l'imaging chimico e biologico se la microscopia ECL a super-risoluzione, l'imaging spazio-temporale ultraelevato che infrange il limite della diffrazione ottica, può essere sviluppata.

Negli ultimi tre anni, Feng e il suo team hanno lavorato su questi due grandi problemi. Hanno sviluppato un sistema combinato di imaging ottico a campo ampio e di registrazione elettrochimica e hanno costruito un efficiente controllo ECL, misurazione e impostazione dell'immagine. Hanno eseguito il primo imaging widefield delle reazioni ECL a singola molecola e sulla base di questo, hanno ottenuto il primo imaging ECL a super risoluzione. Senza alcuna eccitazione leggera, questa microscopia ECL a singola molecola può ottenere immagini a super risoluzione a singola molecola, che ha un grande potenziale per applicazioni nelle misurazioni chimiche e nell'imaging biologico.

Perché è difficile catturare nello spazio segnali di singole molecole durante il processo ECL? È principalmente attribuito al fatto che le reazioni delle singole molecole sono difficili da controllare, tracciare e rilevare. "Le reazioni chimiche a singola molecola sono accompagnate da ottiche estremamente deboli, variazioni di segnale elettrico e magnetico, e il processo delle reazioni chimiche e il luogo in cui avviene la reazione chimica sono stocastici, " ha detto Feng.

A tal fine, Feng e i suoi colleghi hanno costruito un sistema di rilevamento sensibile in grado di catturare segnali di luminescenza generati dopo reazioni di singole molecole. "Imaging di singole reazioni richiede l'isolamento spaziale e temporale dei singoli eventi di reazione, " ha detto Feng. "Questo si ottiene nel nostro caso utilizzando soluzioni diluite e acquisizioni rapide della fotocamera, " disse Dong Jinrun, un dottorato di ricerca candidato del gruppo di ricerca.

La microscopia è uno strumento cruciale nella scienza dei materiali e nelle scienze della vita. La microscopia ottica convenzionale funziona su una scala di centinaia di nanometri e oltre, mentre la microscopia elettronica ad alta risoluzione e la microscopia a scansione di sonda possono rivelare oggetti fino alla scala atomica. "A questa scala, ci sono ancora un numero molto limitato di tecnologie disponibili per in situ, osservazioni dinamiche e in soluzione su scale di lunghezza che vanno da pochi nanometri a centinaia di nanometri, " disse Feng, "Questo ha molto a che fare con una risoluzione dell'immagine ottica inadeguata a causa del limite di diffrazione ottica". Di conseguenza, il team ha iniziato a lavorare sull'imaging ECL a super risoluzione isolando spaziotemporalmente i segnali di singole molecole.

Ispirato dalla microscopia a fluorescenza a super risoluzione, hanno impiegato la ricostruzione ottica di reazioni molecolari spaziali localizzate per l'imaging. Questo è simile a come si possono distinguere due stelle adiacenti di notte dal loro comportamento "scintillante". "La localizzazione spaziale dei siti di luminescenza e la sovrapposizione di informazioni riguardanti ogni fotogramma di siti di reazione molecolari isolati costituiscono una 'costellazione' di siti di reazione chimica".

Per attestare la fattibilità di questo metodo di imaging e l'accuratezza dell'algoritmo di localizzazione, il team ha fabbricato un modello di elettrodo spogliato come modello di imaging noto e ha condotto l'imaging comparativo. I risultati dell'imaging ECL a singola molecola concordavano bene con i risultati dell'imaging al microscopio elettronico nella struttura, verificando la fattibilità di questo metodo di imaging. L'imaging ECL a singola molecola ha aumentato la risoluzione spaziale della microscopia ECL convenzionale a 24 nanometri senza precedenti.

Feng Jiandong e i suoi colleghi hanno continuato ad applicare l'imaging ECL a singola molecola all'imaging cellulare. Non era necessaria l'etichettatura diretta per l'imaging cellulare ECL, che possono essere potenzialmente amichevoli per le cellule, poiché il processo di etichettatura tradizionale può influenzare lo stato della cellula. Hanno inoltre eseguito l'imaging ECL a singola molecola sulle aderenze cellulari e ne hanno osservato le dinamiche nel tempo. Confrontando l'imaging ECL correlato e i risultati dell'imaging a fluorescenza a super risoluzione, hanno scoperto che l'imaging ECL ha mostrato un'elevata risoluzione spaziale paragonabile alla microscopia a fluorescenza a super risoluzione, evitando l'uso di laser e l'etichettatura delle cellule.

"I risultati degli autori aprono la strada a un nuovo concetto di imaging:un approccio basato sulla chimica alla microscopia a super risoluzione, " Il prof. Frédéric Kanoufi dell'Università di Parigi e il prof. Neso Sojic dell'Università di Bordeaux hanno scritto in un commento di accompagnamento in Natura notizie e opinioni della rivista. "Potrebbe anche portare allo sviluppo di nuove strategie per i test biologici e l'imaging cellulare, integrando tecniche di microscopia a singola molecola ben consolidate basate sulla fluorescenza".