在国家自然科学基金项目（批准号：21974123）等资助下，浙江大学化学系冯建东团队在新型化学测量学技术研究方面取得重要进展。他们突破现有成像技术局限，发明了一种直接可以对溶液中单分子电化学反应进行成像的显微镜技术，并实现了电致化学发光的超高时空分辨成像。相关研究成果以“溶液中单分子电化学反应的直接成像（Direct imaging of single-molecule electrochemical reactions in solution）”为题于北京时间2021年8月11日在线发表于《自然》（Nature）杂志。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03715-9。
如何实现在单分子水平揭示化学反应的空间位置、路径和动力学是化学和生物学研究面临的本质性科学问题之一，这对精准化学和物理测量提出了重大的研究需求。单分子化学反应伴随的光、电、磁信号变化非常微弱，而且化学反应过程和位置具有随机性，很难有效控制和追踪。操纵、测量和成像微观的单分子化学反应是科学家面临的一个长期科学挑战。
电致化学发光是利用电极表面发生的一系列化学反应产生光的形式。由于不需要光激发，电致化学发光允许完全黑暗、接近零背景的成像，这为追踪微弱的单分子信号提供了有利条件。研究团队搭建了一套高效的电致化学发光控制、测量和成像系统，通过时空孤立控制“捕捉”到了单分子反应后产生的发光信号，首次实现了单分子电致化学发光反应的宽场成像。
受到荧光超分辨显微镜（2014年诺贝尔化学奖）的启发，研究团队利用空间孤立的分子反应定位信息进行光学重构成像，第一次实现了突破光学衍射极限的电致化学发光成像。单分子电致化学发光显微镜的空间分辨率达到了24纳米，比传统电化学发光成像高出一个数量级。团队随后将该技术应用于细胞成像，展示出可以同荧光超分辨显微镜相比拟的成像分辨能力，该项新技术的优点是不需要进行细胞标记和光激发。单分子电致化学发光显微镜有望作为一项研究工具，为单分子精准测量、化学反应动力学研究等领域提供新的视角。
图1 单分子电致化学发光显微镜的微纳结构成像及细胞成像效果