浙大，又一篇Nature！

目前的化学反应，倾向于从单个分子转化为产物的角度来理解，但通常是在探究整体平均行为的实验中观察到的。单分子方法，超越了整体平均，揭示了反应位置、途径和动力学的统计分布。

目前的反应过程，可通过光学陷阱和扫描探针显微镜在确定的位置以高空间分辨率操作和观察单个反应，以及使用超灵敏的光探测器实现高通量单分子测量的现代光学方法显示出来。

然而，有效探索单分子溶液化学仍然是一个挑战。

在此，来自浙江大学的冯建东等研究者，演示了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应用。相关论文以题为“Direct imaging of single-molecule electrochemical reactions in solution”于2021年08月11日发表在Nature上。

在此，研究者的实验是通过在一个观察通道中隔离电化学发光(ECL)反应进行的，在这个通道中，单分子ECL反应只能发射一个光子。研究者采用一个广泛探索的模型ECL体系，钌配合物三(2,2′-联吡啶)Ru(II)，即Ru(bpy)₃²⁺，与其共反应物三丙胺(TPrA)再生。该系统，通过氧化还原机制生成ECL，如式(1)、(2)所示。

(1)

(2)

结果表明，单个Ru(bpy)₃²⁺分子首先在氧化铟锡(ITO)电极表面发生多相电化学反应。在溶液中，TPrA的自由基在一个放能非常大的均相反应中，还原生成了一个受激的钌配合物，该配合物发射出一个能量为hv = 2 ev的单光子。

整体测量对大量的ECL反应进行求和，并给出发射光强度的平均值。此外，尽管ECL过程在单个纳米粒子表面的空间隔离提供了纳米粒子碰撞的随机信息，并使其成像成为可能，在水溶液中观察单分子ECL反应不仅需要在空间上分离单个反应，而且需要在时间上分离。

因此，研究者开发了一种结合宽场光学成像和电化学记录系统(见图1a)，用于监测水溶液中单分子钌基ECL反应。ECL反应，由一个典型的三电极电化学池触发和控制，该电化学池产生工作电压，并用低噪声电流放大器记录电化学电流。

研究者使用了一个薄的ITO电极，允许同步的电化学测量和光学成像通过倒置显微镜。在电压的作用下，反应发生在透明ITO电极表面，发射的光子被底部高数值孔径物镜收集回来，然后由高效、低读出噪声的电子倍增电荷耦合装置相机检测。图1b所示的循环伏安法和ECL强度数据揭示了钌配合物的电化学反应过程与电压的函数关系。发光信号及其在618 nm (2 eV)处的发射光谱(图1c)表明，收集到的光子是由ECL反应产生的。

如图1d-g所示，在1.4 V的作用下，记录在单个图像像素上的光子强度表现出随机的开关行为，这是单分子反应的典型特征。

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图1. 单分子ECL成像的建立和随机反应的观察

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图2. 不同暴露时间下单分子反应的观察

图3. 单分子ECL反应的动力学分析

图4. ITO结构的单分子ECL成像

图5. 活细胞的单分子ECL成像

单分子ECL显微镜，可以发展为实现细胞结构的靶向可视化，钌基探针可以用于细胞结构的锚定。与荧光显微镜一样，通过捕获固定探针分子多次激发过程发出的光子来进行信号放大，可以进一步提高该方法的成像能力和特异性。

虽然ECL避免了激光诱导的问题，如光漂白和自荧光的干扰，使用电压和ECL探针可能会潜在地影响细胞。尽管如此，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，未来将成为有用的生物分析和细胞成像应用。

文献信息

Dong, J., Lu, Y., Xu, Y. et al. Direct imaging of single-molecule electrochemical reactions in solution. Nature 596, 244–249 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03715-9

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03715-9

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