Des expériences conventionnelles en chimie et en biologie étudient le comportement des deux, mais cela a été un défi scientifique permanent pour les scientifiques d'observer, manipuler et mesurer les réactions chimiques de molécules individuelles.

En réponse à ce défi, Le professeur Feng Jiandong du Département de chimie de l'Université du Zhejiang s'est engagé à développer des techniques et des instruments interdisciplinaires à molécule unique pour observer les réactions chimiques à molécule unique en solution. Récemment, Feng et ses collègues ont mis au point une nouvelle technique pour imager directement des réactions électrochimiques à molécule unique en solution avec une résolution spatiale ultra-élevée. Cette technique montre des applications importantes dans les domaines de l'imagerie chimique et de l'imagerie biologique telles que l'imagerie des microstructures et des cellules avec une résolution nanométrique. Les résultats de la recherche sont publiés en couverture du numéro du 11 août de La nature .

En comparaison avec l'imagerie par fluorescence, L'imagerie par électrochimiluminescence (ECL) ne nécessite pas l'utilisation de lumière d'excitation, il y a donc un arrière-plan minimal. L'ECL est un outil important dans l'immunodiagnostic in vitro qui nécessite une sensibilité ultra-élevée pour résoudre les signaux faibles. Maintenant, il y a deux défis majeurs dans le domaine de l'ECL. D'abord, il est d'une importance vitale pour les dosages monomoléculaires que les signaux ECL puissent être mesurés et imagés à un niveau faible ou même monomoléculaire. Seconde, il est d'une importance capitale pour l'imagerie chimique et biologique si la microscopie ECL à super résolution (imagerie spatio-temporelle ultra-élevée qui dépasse la limite de diffraction optique) peut être développée.

Au cours des trois dernières années, Feng et son équipe ont travaillé sur ces deux problèmes majeurs. Ils ont développé un système combiné d'imagerie optique et d'enregistrement électrochimique à grand champ et ont construit un contrôle ECL efficace, configuration de la mesure et de l'imagerie. Ils ont réalisé la première imagerie à grand champ de réactions ECL à molécule unique et sur la base de cela, ils ont réalisé la première imagerie ECL à super-résolution. Sans aucune excitation lumineuse, cette microscopie ECL à molécule unique permet d'obtenir une imagerie à super résolution à molécule unique, qui a un grand potentiel pour des applications dans les mesures chimiques et l'imagerie biologique.

Pourquoi est-il difficile de capturer spatialement les signaux d'une seule molécule pendant le processus ECL ? Elle est principalement attribuée au fait que les réactions à molécule unique sont difficiles à contrôler, suivre et détecter. "Les réactions chimiques à molécule unique s'accompagnent d'une optique extrêmement faible, changements de signaux électriques et magnétiques, et le processus des réactions chimiques et l'emplacement où la réaction chimique se produit sont stochastiques, " dit Feng.

À cette fin, Feng et ses collègues ont construit un système de détection sensible qui peut capturer les signaux de luminescence générés après des réactions à molécule unique. « L'imagerie de réactions uniques nécessite l'isolement spatial et temporel des événements de réaction individuels, " a déclaré Feng. " Ceci est réalisé dans notre cas en utilisant des solutions diluées et des acquisitions de caméra rapides, " dit Dong Jinrun, un doctorat candidat de l'équipe de recherche.

La microscopie est un outil crucial en science des matériaux et en sciences de la vie. La microscopie optique conventionnelle fonctionne à l'échelle de centaines de nanomètres et au-delà, tandis que la microscopie électronique à haute résolution et la microscopie à sonde à balayage peuvent révéler des objets jusqu'à l'échelle atomique. « À cette échelle, il existe encore un nombre très limité de technologies disponibles pour in situ, observations dynamiques et solutions à des échelles de longueur allant de quelques nanomètres à des centaines de nanomètres, " dit Feng, "Cela a beaucoup à voir avec une résolution d'imagerie optique inadéquate en raison de la limite de diffraction optique." Par conséquent, l'équipe a commencé à travailler sur l'imagerie ECL à super-résolution en isolant spatio-temporellement les signaux d'une seule molécule.

Inspiré de la microscopie à fluorescence super-résolution, ils ont utilisé la reconstruction optique de réactions moléculaires spatiales localisées pour l'imagerie. Ceci est similaire à la façon dont on peut distinguer deux étoiles adjacentes la nuit par leur comportement "scintillant". "La localisation spatiale des sites de luminescence et la superposition d'informations concernant chaque trame de sites de réaction moléculaire isolés constituent une" constellation "de sites de réaction chimique."

Pour attester de la faisabilité de cette méthode d'imagerie et de la précision de l'algorithme de localisation, l'équipe a fabriqué un modèle d'électrode dénudée en tant que modèle d'imagerie connu et a réalisé une imagerie comparative. Les résultats de l'imagerie ECL à molécule unique concordent bien avec les résultats de l'imagerie par microscopie électronique en termes de structure, vérifier la faisabilité de cette méthode d'imagerie. L'imagerie ECL à molécule unique a augmenté la résolution spatiale de la microscopie ECL conventionnelle à 24 nanomètres sans précédent.

Feng Jiandong et ses collègues ont ensuite appliqué l'imagerie ECL à molécule unique à l'imagerie cellulaire. Il n'y avait pas besoin de marquage direct pour l'imagerie cellulaire ECL, qui peut être potentiellement favorable aux cellules, car le processus de marquage traditionnel peut affecter l'état de la cellule. Ils ont en outre réalisé une imagerie ECL à molécule unique sur les adhérences cellulaires et observé leur dynamique au fil du temps. En comparant les résultats d'imagerie ECL corrélés et d'imagerie par fluorescence à super-résolution, ils ont découvert que l'imagerie ECL présentait une résolution spatiale élevée comparable à la microscopie à fluorescence à super résolution tout en évitant l'utilisation de lasers et de marquage cellulaire.

« Les découvertes des auteurs ouvrent la voie à un nouveau concept en imagerie :une approche chimique de la microscopie à super-résolution, " Le Pr Frédéric Kanoufi de l'Université de Paris et le Pr Neso Sojic de l'Université de Bordeaux ont écrit dans un commentaire d'accompagnement en La nature les nouvelles et les opinions du journal. "Cela pourrait également conduire au développement de nouvelles stratégies pour les essais biologiques et l'imagerie cellulaire, complétant les techniques bien établies de microscopie à molécule unique basées sur la fluorescence. »