化学显微镜新突破 关灯，让细胞自己发光

　　还记得生物课上第一次使用光学显微镜，看到生命微观世界时的惊喜吗——

　　在载玻片上滴一滴清水，展平洋葱内表皮薄膜，盖上盖玻片，再用碘液染色，最后点亮显微镜底部的光源，眼前立马浮现出整齐排列的长方形细胞。

　　当时的你是否想过，如果有一台更高级的显微镜，是不是就能看见更精细、更清晰的微观世界？

　　实际上，光学显微镜受到自然规律的限制。德国科学家恩斯特·阿贝在19世纪就指出，根据光的衍射原理，光学显微镜的分辨率存在上限，约200纳米，小于这个尺度的细节看上去一片模糊。

　　后来，美国科学家艾力克·贝齐格、W·E·莫尔纳尔和德国科学家斯特凡·W·赫尔研发出超分辨荧光显微技术，巧妙避开大自然的限制，把光学显微镜的观测能力提升到纳米尺度（1~100纳米），人们可以看清细胞内低于光学衍射极限的精细结构。三位科学家凭此摘得2014年诺贝尔化学奖。

　　基于化学反应发光的超分辨成像设备。受访者供图

　　如今，浙江大学和哈尔滨工业大学科研团队合作，在观测微观世界之路上继续探索，为生命观测带来了新工具——一套基于化学反应发光的超分辨成像方法。这种方法不仅“看得清”，还解决了超分辨荧光显微镜“看不久”的问题。相关成果于9月4日登上国际顶刊《自然》封面。

　　近日，记者跟着团队成员走进实验室，推开这扇光学显微成像领域的新大门，开启一场新的微观之旅。

　　让细胞自己发光

　　从成像原理来看，百年来几乎所有的现代显微镜与分析仪器，都需要依靠外源光（含电磁波）。然而，外源光在照亮微观世界的同时，也伴随着破坏性。

　　比如分辨率高达0.1纳米的电子显微镜，没有细胞能在高能电子束下存活，所以只能看到已死的样本。

　　超分辨荧光显微镜虽能观测活细胞，但高能激光束下，荧光强度逐渐减弱，最长十几分钟就会完全消失，受光漂白影响严重。此外，高能激光还存在光毒性，损伤细胞正常生理状态，无法完成活细胞的长时程连续观测。

　　光漂白和光毒性两大难题，困扰科学家多年，至今仍未找到有效解决办法。

　　能不能“关掉”外光，让细胞自己“无损”发光成像？2018年，浙大化学系教授冯建东带领团队大胆跳出“外源光成像”的固有框架，利用化学方法从根本上改写成像机制。

　　冯建东团队成员正在做实验。受访者供图

　　该团队将目光瞄向电致化学发光反应，通过给电极通电来激活电极表面的反应物分子，然后通过扩散作用，相互“碰撞”发生化学反应并传递能量，在这一系列过程中将发光分子“点亮”。

　　2021年，该团队首次证明了“用电化学发光反应实现单分子检测以及超分辨成像”的可行性，这一成果被国际同行评价为“开创了基于化学途径的超分辨显微镜全新成像概念”。

　　但是，相比荧光成像，化学反应发出的光十分微弱，且受限于激发效率，很难利用电化学发光让远离电极的待测物成像。这也符合传统超分辨成像认知：成像的分辨率极大依赖于信号强度，越弱的光，越难看清细节。

　　冯建东不这么认为：“虽然这些光微弱，但只要成像背景完全黑暗，对比度也会提升，就更容易被捕捉到，正如越黑的夜，越容易看见萤火虫那样。”

　　基于此，他和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，并与哈尔滨工业大学教授赵唯淞团队合作，为这套系统装上“大脑”——定制化的算法支撑，从海量微弱信号中提取有效信息，突破了成像分辨率瓶颈，最高可达96纳米。

　　看得清，还要看得久

　　团队在“看清”细胞后，又开始思考如何“看得久”。长时程连续观测，对于理解生命运作至关重要。

　　近年来，荧光显微领域的科学家也在尝试拉长观测时长，但受强激光和荧光探针影响，每次只能照几十秒让细胞“恢复”后继续，整个观测过程断断续续。

　　电致化学发光虽然可以实现高信噪比，但电激发不可避免会对活细胞产生生理刺激，且成像仅限于电极表面特定区域，应用场景受限。

　　2025年，受自然界中萤火虫、水母等动植物自发光启发，冯建东和团队决定采用生物发光反应体系，利用一种具有良好生物相容性、能催化生物发光反应的酶，实现细胞内的自发光。

　　利用荧光（左）和生物发光（右）超分辨成像结果对比图。受访者供图

　　“实验中我们发现，反应底物会随着时间积累被消耗殆尽，导致光强度下降，且酶的催化代谢产物会对细胞自身活性产生一定影响。”该团队成员朱文鑫介绍，为了维持整个反应体系的稳定发光及细胞活性，他们又配备了一套稳定换样装备，即通过一个泵和两根管子，以恒定流速，让一根管子加反应物，另一根管子抽代谢物。

　　为了检验成果，朱文鑫和师弟张弛闭关轮值，在一间不到6平方米的暗室里，不分白天黑夜地接续实验。最终，两人连续观测了41个小时，细胞状态依旧良好，成像画面也很清晰。

　　这一生物发光技术，空间分辨率与当前主流活细胞荧光超分辨技术相当，连续成像时长则较同等条件下的荧光显微技术提升了上百倍。可以说，这不再是一组静态的快照，而是一部关于生命微观过程的纪录片。

　　搜集了41小时的细胞活动数据后，该团队成员又花费一个月时间，利用自研的算法模型对数据进行处理、分析，让科学家首次完整追踪了单个线粒体跨细胞转移的动力学过程。

　　“用化学造镜，观化学之微。”这是冯建东的研究理念，他把团队创新的这套技术取名“RIED”，发音同英文单词“READ”（阅读），希望能帮助人们更好地读懂微观生命过程。

　　业内专家对此评价：“证明了一个新的范式：基于（生物）化学的超分辨显微镜。”

　　找到更广阔的应用空间

　　透过越来越前沿的显微设备，科学家们得以实时追踪样本的生命周期，看到了一个个极其丰富而充满动态的世界。

　　电致化学发光观察到的细胞骨架图。受访者供图

　　超高分辨率荧光显微技术自21世纪初投入实际应用，已经彰显了巨大力量。比如，人们能够看到脑部神经细胞间的突触是如何形成的、甲型流感病毒是如何入侵体内并进行复制的，还能为理解药物作用机制和疾病治疗提供可视化工具。

　　眼下，在实验技术不断完善的同时，冯建东也开始带着成员推动成果加速转化落地。

　　医疗领域就是重要场景之一。比如，电致化学发光反应严格限定在电极界面的微米尺度内，其检出限（指产生一个能可靠地被检出的分析信号所需要的某元素的最小浓度或含量）相比传统荧光超分辨降低到原来的八分之一，显著提升了对极低含量界面蛋白的定量精准度。这一优势，使得电致化学发光反应可更早检出病灶。

　　再看生物发光，长达41小时的连续超分辨活细胞成像，不仅精准捕捉了细胞内线粒体的尺寸、数量、运动速度等物理特征，还区分出了两种转移模式：直接运动，轨迹近似直线，速度均匀；间接运动，经历“初始移动—短暂停滞—定向运动”的多阶段过程，轨迹不规则。

　　这些新方法，为理解细胞间通讯、组织修复、肿瘤微环境调控等过程，提供更加精准、高效、无损的科学工具。

　　此外，团队自研的发光控制、测量和成像系统，也将为化学和生物成像领域提供新的视野。

　　“接下去我们将继续提升观测时长，提高成像和空间分辨率，相信这项技术未来会有更广阔的应用空间。”冯建东说。