Experimentos convencionais em química e biologia estudam o comportamento dos dois, mas tem sido um desafio científico permanente para os cientistas observar, manipular e medir as reações químicas de moléculas individuais.

Em resposta a este desafio, O Prof. Feng Jiandong do Departamento de Química da Universidade de Zhejiang se comprometeu a desenvolver técnicas e instrumentos interdisciplinares de molécula única para observar reações químicas de uma única molécula em solução. Recentemente, Feng e seus colegas desenvolveram uma nova técnica para obter imagens diretas de reações eletroquímicas de uma única molécula em solução com resolução espacial ultra-alta. Esta técnica mostra aplicações importantes nas áreas de imagem química e imagem biológica, como imagens de microestruturas e células com resolução nanométrica. A descoberta da pesquisa foi publicada como uma reportagem de capa da edição de 11 de agosto da Natureza .

Em comparação com imagens de fluorescência, a imagem por eletroquimioluminescência (ECL) não requer o uso de luz de excitação, portanto, há um fundo mínimo. ECL é uma ferramenta importante no imunodiagnóstico in vitro que requer sensibilidade ultra-alta para resolver sinais fracos. Atualmente, existem dois grandes desafios no campo do ECL. Primeiro, é de vital importância para os ensaios de molécula única que os sinais de ECL possam ser medidos e visualizados em nível fraco ou mesmo em uma única molécula. Segundo, é de grande importância para a imagem química e biológica se a microscopia de super-resolução ECL - imagem espaço-temporal ultra-alta que ultrapassa o limite de difração óptica - puder ser desenvolvida.

Nos últimos três anos, Feng e sua equipe têm trabalhado nesses dois problemas principais. Eles desenvolveram um sistema combinado de imagem óptica de campo amplo e registro eletroquímico e construíram um controle ECL eficiente, configuração de medição e imagem. Eles realizaram a primeira imagem de campo amplo de reações ECL de molécula única e, com base nisso, eles alcançaram a primeira imagem ECL de super-resolução. Sem qualquer excitação de luz, esta microscopia ECL de molécula única pode alcançar imagens de super-resolução de molécula única, que tem grande potencial para aplicações em medições químicas e imagens biológicas.

Por que é difícil capturar espacialmente sinais de uma única molécula durante o processo ECL? É atribuído principalmente ao fato de que as reações de uma única molécula são difíceis de controlar, rastrear e detectar. "As reações químicas de uma única molécula são acompanhadas por ótica extremamente fraca, mudanças de sinal elétrico e magnético, e o processo de reações químicas e o local onde ocorre a reação química são estocásticos, "disse Feng.

Para este fim, Feng e seus colegas construíram um sistema de detecção sensível que pode capturar sinais de luminescência gerados após reações de uma única molécula. "A obtenção de imagens de reações únicas exige o isolamento espacial e temporal de eventos de reação individuais, "disse Feng." Isso é conseguido em nosso caso usando soluções diluídas e aquisições rápidas de câmeras, "disse Dong Jinrun, um Ph.D. candidato da equipe de pesquisa.

A microscopia é uma ferramenta crucial na ciência dos materiais e ciências da vida. A microscopia óptica convencional funciona na escala de centenas de nanômetros e além, enquanto a microscopia eletrônica de alta resolução e a microscopia de varredura podem revelar objetos até a escala atômica. "Nesta escala, ainda há um número muito limitado de tecnologias disponíveis para in situ, observações dinâmicas e de solução em escalas de comprimento que variam de alguns nanômetros a centenas de nanômetros, "disse Feng, "Isso tem muito a ver com a resolução de imagem óptica inadequada devido ao limite de difração óptica." De acordo, a equipe começou a trabalhar em imagens de ECL de super-resolução, isolando espaço-temporalmente sinais de molécula única.

Inspirado pela microscopia de fluorescência de super-resolução, eles empregaram a reconstrução óptica de reações moleculares espaciais localizadas para imagens. Isso é semelhante a como podemos distinguir entre duas estrelas adjacentes à noite por seu comportamento de "piscar". "A localização espacial dos locais de luminescência e a superimposição de informações sobre cada quadro de locais de reação molecular isolados constituem uma 'constelação' de locais de reação química."

Para atestar a viabilidade deste método de imagem e a precisão do algoritmo de localização, a equipe fabricou um padrão de eletrodo descascado como um modelo de imagem conhecido e conduziu imagens comparativas. Os resultados da imagem de ECL de molécula única concordaram bem com os resultados da imagem de microscopia eletrônica na estrutura, verificar a viabilidade deste método de imagem. A imagem ECL de molécula única aumentou a resolução espacial da microscopia ECL convencional para 24 nanômetros sem precedentes.

Feng Jiandong e seus colegas aplicaram a imagem ECL de uma única molécula à imagem celular. Não houve necessidade de rotulagem direta para imagens de células ECL, que pode ser potencialmente amigável para as células, já que o processo de rotulagem tradicional pode afetar o estado da célula. Eles ainda realizaram imagens de ECL de molécula única em adesões celulares e observaram sua dinâmica ao longo do tempo. Ao comparar a imagem ECL correlacionada e os resultados de imagem de fluorescência de super-resolução, eles descobriram que a imagem ECL exibia alta resolução espacial comparável à microscopia de fluorescência de super-resolução, evitando o uso de lasers e marcação de células.

"As descobertas dos autores abrem o caminho para um novo conceito em imagem:uma abordagem baseada na química para microscopia de super-resolução, "O Prof. Frédéric Kanoufi da Universidade de Paris e o Prof. Neso Sojic da Universidade de Bordeaux escreveram em um comentário acompanhante em Natureza notícias e opiniões do jornal. "Também pode levar ao desenvolvimento de novas estratégias para bioensaios e imagens de células, complementando técnicas de microscopia de molécula única baseadas em fluorescência bem estabelecidas. "