Nature | 冯建东/赵唯淞合作开发超分辨化学显微术，实现无光毒性、超长时程的活细胞连续追踪

在生命科学研究中，荧光超分辨显微术打破了传统光学衍射极限，为动态追踪细胞器相互作用与分子复合物装配等生命过程提供了纳米级视角。然而，该技术高度依赖于高功率激发光，其引发的光漂白与光毒性等激光效应极易损伤细胞，成为实现长时程、高时空分辨率活细胞观测的本征瓶颈。化学发光无需外源光激发，通过反应物分子间的化学反应直接生成激发态发光，从源头上免除了光毒性干扰，是突破这一困境的理想替代方案【1】。但传统化学发光面临低光子发射极大地制约了生物成像时空分辨率【2-3】。此外，由于不需要光激发，经典依赖光调制的超分辨方法难以直接应用，如何实现反应发光超分辨成为挑战。荧光涨落超分辨方法为计算超分辨提供了一种选择【4-5】，但面对低光子产率的化学反应体系，光子利用率与超分辨效果仍十分有限。因此，如何利用微弱的化学发光信号打破衍射极限，实现低光毒性、长时程的超分辨成像，是当前生物成像领域亟待攻克的核心难题。

2026年8月12日，浙江大学冯建东团队与哈尔滨工业大学赵唯淞团队合作在Nature上在线发表论文“Luminescent-reaction-enabled super-resolution imaging”。他们提出一种基于化学反应发光的超分辨成像方法（Reaction enabled super-resolution Imaging via Entropy-weighted correlation combined with Deconvolution—RIED），首先针对不同的生物应用场景，分别在电化学发光（ECL）、化学发光（CL）和生物发光（BL）三种机制下，构建了高效率的细胞特异性标记与发光体系。为最大化捕获并利用化学发光信号，团队创新性地引入了“时空孤立采样”策略，高效收集、解析在时间和空间上呈现高波动特征的反应发光信号，并构建熵加权相关累积量结合解卷积的图像重建方法。据此发展了通用型反应发光超分辨成像框架RIED。该技术将化学反应发光的空间分辨率提升至100 nm，并凭借其高时间分辨率成功实现了三维（3D）超分辨成像与高通量成像。更重要的是，由于彻底摒弃了激发光，RIED展现出优异的生物相容性与高定量灵敏度，不仅实现了细胞界面蛋白的无背景、高信噪比检出，更完成了长达41小时的活细胞线粒体连续动态追踪。这一成果打破了传统荧光超分辨技术的生理时程限制，为在纳米尺度下长时程探索生命动态过程提供了全新的强有力工具。

突破：首次在化学反应发光体系实现三维、大视野的超分辨生物成像

传统化学反应发光由于信号微弱，通常不得不通过延长曝光时间来换取光子通量，这不仅牺牲了时间分辨率，更让成像始终停留在衍射受限的模糊阶段。通过设计高效率反应发光体系，构建熵加权相关累积量结合解卷积的超分辨重建框架，研究团队首次实现对细胞微管精细网络结构的反应发光成像，并将空间分辨率突破至97 nm。除此以外，在时间分辨率上也实现了飞跃，仅需2 s即可精准还原单层微管的精细空间分布。基于这一高时空分辨率的突破，RIED进一步展现出强大的多维成像能力，通过结合z轴精密扫描，首次实现了ECL, CL发光模态下多细胞器的三维空间结构重构，z轴分辨率达221 nm；同时，极高的时间分辨率大幅提升了成像通量，仅需18 s便可完成0.53 ×0.53 mm²超大视野的快速扫描。

图1. RIED超分辨成像示意图及性能表征。比例尺：5 µm。

应用1：界面灵敏的细胞蛋白精准定量

在实现化学反应发光超分辨成像的基础上，研究团队进一步拓展了RIED技术在复杂生物场景中的应用潜力。针对细胞-基质界面蛋白的定量难题，研究团队将RIED-ECL与同样基于涨落重构原理的传统荧光超分辨技术（SACD）【4-5】进行了深度对比。结果表明，由于RIED-ECL彻底摆脱了外源激发光的背景噪声干扰，且发光反应严格限定在电极界面的微米尺度内，该方法对界面低浓度蛋白的检测展现出极高的信噪比与界面特异性。其检出限相比传统荧光超分辨降低了8倍，显著提升了对极低丰度界面蛋白的定量精准度。这一优势使得RIED-ECL在疾病早期微量生物标志物的超灵敏检出与细胞粘附微环境的精细解析中展现出应用前景。

图2. RIED-ECL的界面蛋白高灵敏定量应用。比例尺：a, 5 µm；b, 1 µm。

应用2：长时程活细胞连续动态追踪

生物发光（BL）作为一种内源性的天然发光机制，具备低毒性与高生物相容性，是实现无扰动、原位观察细胞生理活动的理想工具。研究团队基于RIED-BL，成功打破了荧光成像在活细胞长时程观察中的时间壁垒，实现了长达41小时的连续超分辨活细胞成像。不仅精准捕获了单细胞内线粒体网络在超长时程下的群体物理特征（如尺寸、数量及运动速度），更首次原位直接观测到细胞间线粒体转移的完整动态过程。这一突破性应用克服了传统荧光超分辨在长时程观察中的光毒性限制，为深入揭示线粒体跨细胞通讯及相关的细胞代谢与疾病机制提供了直接、高时空分辨率的科学工具。

图3. RIED-BL用于活细胞线粒体的长时程连续动态追踪。由于避免了光漂白与光毒性，RIED-BL相较于活细胞荧光超分辨SIM的连续成像时间提升了上百倍，允许连续观察细胞间的线粒体转移过程。比例尺：a, 3 µm（主图），1 µm（子图）；d，2 µm。

RIED从底层逻辑上突破了现有超分辨成像的激发方式，从而巧妙规避了现有荧光超分辨技术在“高时空分辨率、成像深度与光毒性”之间的权衡困境。作为一种通用的化学反应发光成像新框架，RIED具备极高的拓展性与通用性，兼容电化学发光、化学发光及生物发光等多种反应体系，为无光激发的超分辨成像开辟了全新路径。使用者完全可以根据具体的生物学问题与应用场景，按需定制专属的化学发光探针与反应体系。

生命成像的发展轨迹，已经历了从“看得见”到“看得清”的发展演变。而这一兼具“看得清”与“看的久”的全新成像策略，打破了光毒性对长时程生命过程探索的枷锁，相信随着该技术的推广与深化应用，将为解析生命动态过程、揭示疾病发生机理提供更为强有力的底层观测工具。

浙江大学化学系冯建东教授和哈尔滨工业大学仪器学院赵唯淞教授为本文的共同通讯作者。浙江大学化学系博士后朱文鑫、浙江大学化学系博士生张弛、哈尔滨工业大学仪器学院博士生桂家辉为本文的共同第一作者。

https://www.nature.com/articles/s41586-026-10889-7

浙江大学冯建东课题组长期从事单分子测量、超分辨成像与量子传感研究，先后创建了二硫化钼纳米孔、超分辨化学发光成像、量子化学显微镜三个工具，相关成果发表于《Nature》《Nature Catalysis》《Nature Materials》《Nature Nanotechnology》等国际权威学术期刊。冯建东教授担任化学、光学工程双博导，依托浙江大学化学系、光电学院、基础交叉院招收博士生。所创立的浙江大学物理生物学实验室建立了国际顶尖的光电-化学-量子-生物精密测量研究平台，目前招聘物理、化学、光学、电子工程、材料、生命等相关专业博士后。同时招聘单分子操控测量、超高时空分辨测量、超分辨显微镜、量子传感、AI for Science等研究方向优秀青年学者（浙江大学百人计划研究员、专职研究员）加盟。欢迎优秀青年学者投递简历，一起探索单分子测量与先进光学成像新技术。

实验室网站https://www.feng-lab.com。

赵唯淞是哈尔滨工业大学仪器学院的长聘教授/博导。课题组长期从事生物医学显微成像技术与生物图像分析的相关研究，成果发表于《Nature》《Nature Biotechnology》《Nature Photonics》《Nature Methods》等国际权威学术期刊，并入选2021、2023、2024(提名)中国光学领域十大社会影响力事件，2022(提名)、2024中国光学十大进展等。他还是Nature旗下《npj Imaging》期刊副主编（亚洲区1人）；并受到国自然优青、青年、国家重点研发计划、中国科协青托工程等项目支持；入选黑龙江省高层次人才、中国仪器仪表学会青年科技奖、全国优博、金国藩青年学子奖。课题组资金充沛，与国内外多家顶级科研院所均有合作，目前面向计算机视觉、图像处理、超声成像及相关方向招收优秀青年学者2名，担任助理研究员(年薪25W)或副研究员(年薪35W)。欢迎优秀青年学者投递简历，一起探索下一代生物医学成像与分析新技术。

课题组中文网站：http://homepage.hit.edu.cn/weisongzhao/

课题组英文网站：https://weisongzhao.github.io/home/

参考文献

1. Dong, J. et al. Direct imaging of single-molecule electrochemical reactions in solution. Nature 596, 244–249 (2021).

2. Valenti, G. et al. Single cell electrochemiluminescence imaging: from the proof-of-concept to disposable device-based analysis. J. Am. Chem. Soc. 139, 16830–16837 (2017).

3. Suzuki, K. et al. Five colour variants of bright luminescent protein for real-time multicolour bioimaging. Nat. Commun. 7, 13718 (2016).

4. Zhao, W. et al. Sparse deconvolution improves the resolution of live-cell super-resolution fluorescence microscopy. Nat. Biotechnol. 40, 606–617 (2022).

5. Zhao, W. et al. Enhanced detection of fluorescence fluctuations for high-throughput super-resolution imaging. Nat. Photonics 17, 806–813 (2023).

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