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目前的化學反應，傾向于從單個分子轉化為產物的角度來理解，但通常是在探究整體平均行為的實驗中觀察到的。單分子方法，超越了整體平均，揭示了反應位置、途徑和動力學的統計分布。

目前的反應過程，可通過光學陷阱和掃描探針顯微鏡在確定的位置以高空間分辨率操作和觀察單個反應，以及使用超靈敏的光探測器實現高通量單分子測量的現代光學方法顯示出來。

然而，有效探索單分子溶液化學仍然是一個挑戰。

在此，來自浙江大學的馮建東等研究者，演示了水溶液中單分子電化學反應的光學成像及其在超分辨率顯微鏡中的應用。相關論文以題為“Direct imaging of single-molecule electrochemical reactions in solution”于2021年08月11日發表在Nature上。

在此，研究者的實驗是通過在一個觀察通道中隔離電化學發光(ECL)反應進行的，在這個通道中，單分子ECL反應只能發射一個光子。研究者采用一個廣泛探索的模型ECL體系，釕配合物三(2,2′-聯吡啶)Ru(II)，即Ru(bpy)₃²⁺，與其共反應物三丙胺(TPrA)再生。該系統，通過氧化還原機制生成ECL，如式(1)、(2)所示。

??(1)

? (2)

結果表明，單個Ru(bpy)₃²⁺分子首先在氧化銦錫(ITO)電極表面發生多相電化學反應。在溶液中，TPrA的自由基在一個放能非常大的均相反應中，還原生成了一個受激的釕配合物，該配合物發射出一個能量為hv = 2 ev的單光子。

整體測量對大量的ECL反應進行求和，并給出發射光強度的平均值。此外，盡管ECL過程在單個納米粒子表面的空間隔離提供了納米粒子碰撞的隨機信息，并使其成像成為可能，在水溶液中觀察單分子ECL反應不僅需要在空間上分離單個反應，而且需要在時間上分離。

因此，研究者開發了一種結合寬場光學成像和電化學記錄系統(見圖1a)，用于監測水溶液中單分子釕基ECL反應。ECL反應，由一個典型的三電極電化學池觸發和控制，該電化學池產生工作電壓，并用低噪聲電流放大器記錄電化學電流。

研究者使用了一個薄的ITO電極，允許同步的電化學測量和光學成像通過倒置顯微鏡。在電壓的作用下，反應發生在透明ITO電極表面，發射的光子被底部高數值孔徑物鏡收集回來，然后由高效、低讀出噪聲的電子倍增電荷耦合裝置相機檢測。圖1b所示的循環伏安法和ECL強度數據揭示了釕配合物的電化學反應過程與電壓的函數關系。發光信號及其在618 nm (2 eV)處的發射光譜(圖1c)表明，收集到的光子是由ECL反應產生的。

如圖1d-g所示，在1.4 V的作用下，記錄在單個圖像像素上的光子強度表現出隨機的開關行為，這是單分子反應的典型特征。

浙大，又一篇Nature！

圖1. 單分子ECL成像的建立和隨機反應的觀察

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圖2. 不同暴露時間下單分子反應的觀察

圖3. 單分子ECL反應的動力學分析

圖4. ITO結構的單分子ECL成像

圖5. 活細胞的單分子ECL成像

單分子ECL顯微鏡，可以發展為實現細胞結構的靶向可視化，釕基探針可以用于細胞結構的錨定。與熒光顯微鏡一樣，通過捕獲固定探針分子多次激發過程發出的光子來進行信號放大，可以進一步提高該方法的成像能力和特異性。

雖然ECL避免了激光誘導的問題，如光漂白和自熒光的干擾，使用電壓和ECL探針可能會潛在地影響細胞。盡管如此，單分子ECL為基于熒光的單分子成像方法，提供了替代和補充的機會，未來將成為有用的生物分析和細胞成像應用。

文獻信息

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

原文鏈接：

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

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