 通讯作者：冯建东对于化学反应来说，通常只是通过探索整体平均行为来推测单个分子的反应。单分子的研究方法可超越整体平均值，揭示了反应位置、途径和动力学。目前，可通过光学陷阱和扫描探针显微镜以高空间分辨率观察特定位置的单个反应，以及使用超灵敏光电探测器的现代光学方法来实现，这些方法能够实现高通量单分子测量。但是，有效的探索单分子溶液化学仍然具有挑战性。 近日，浙江大学冯建东研究员展示了一种水溶液中单分子电化学反应的光学成像。通过一种组合的宽场光学成像和电化学记录系统，监测水溶液中单分子Ru（bpy）32+的ECL反应。直接捕获单个反应的电化学发光的单光子。相关工作以“Directimaging of single-molecule electrochemical reactions in solution”为题发表在Nature上。 图1. 单分子ECL成像设置和反应观察：（a）组合宽场光学成像和电化学记录装置的示意图。工作电极（WE）：ITO。参比电极（RE）：Ag/AgCl。对电极（CE）：铂板。DAQ，数据采集；LCA，低噪声电流放大器；（b）循环伏安法和ECL与电压曲线；（c）Ru(bpy)32+的ECL发射光谱；电流密度（d）、施加电压（e）、光子计数（f）和模数（A/D）计数（g）的同步信号。红色虚线表示相应的单光子强度。在50 μM Ru(bpy)32+和50 mMTPrA下观察到同步信号，曝光时间为0.507 ms，电子倍增增益为500。 在该研究中，研究人员通过观察通道中隔离电化学发光（ECL）反应来进行的，在该通道中，单分子ECL反应只能发射一个光子。采用了一种广泛探索的模型ECL系统—Ru（bpy）32+，与共反应物三正丙胺（TPrA）反应： 具体来说，单个Ru(bpy)32+分子首先在氧化铟锡（ITO）电极表面的异相电化学反应中被氧化。TPrA自由基还原产生激发态的钌络合物，释放hv=2 eV能量的单个光子。测量大量ECL反应进行求和，求出发射光强度的平均值。 研究人员使用薄ITO电极通过倒置显微镜进行同步电化学测量和光学成像。随着电压的施加，反应发生在透明ITO电极的表面上，发射的光子被底部高数值孔径物镜收集回来，然后被电子倍增电荷耦合具有高效率和低读出噪声的相机。发光信号及其发射光谱在618nm（2 eV）处有一个峰值，表明收集的光子是由ECL反应产生的。该方法将促进对电化学反应的基本理解，并证明对生物测定和细胞成像应用有用。此外，单分子ECL为基于荧光的单分子成像方法提供了替代工具。 图2. ITO结构的单分子ECL成像：（a）图案化的ITO成像模板和单分子ECL。钌络合物探针在溶液中游离并在ITO表面碰撞和ECL反应后在电极表面限制区域发光；（b）聚焦离子束（FIB）图案化ITO的扫描电子显微镜图像。比例尺，3 μm；（c）b中指示的线的强度分布；（d）b中显示的相同FIB图案化ITO的超分辨单分 ECL图像。比例尺，3 μm；（e）d中指示的线的强度分布；（f）三个解析反应位点的代表性簇；（g）三个随机选择的感兴趣区域（ROI）的图像分辨率的FRC量化；（h）FIB图案化ITO盖玻片上选定ROI（300 nm×300 nm，由d中的白色箭头表示）的定量定位分析（背景计数已校正）。ROI1位于ITO表面，ROI2位于玻璃层的绝缘部分。 参考文献： Jinrun Dong, Yuxian Lu, Yang Xu, Fanfan Chen, Jinmei Yang, Yuang Chen, Jiandong Feng, Direct imaging of single-molecule electrochemical reactions in solution, Nature, 2021, https://www./articles/s41586-021-03715-9.
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