化学造镜，读透细胞！浙大超分辨化学显微镜登《自然》

来源：滚动播报

（来源：上观新闻）

光，既是人类感知宏观世界不可或缺的媒介，也是我们认识微观世界的重要介质。那有没有一种可能——即便没有外部的光用来照明，人们也能看清微观的生物世界？

北京时间8月12日晚，浙江大学冯建东教授团队与哈尔滨工业大学赵唯淞教授团队在国际顶级期刊《自然》发表题为“基于化学反应发光的超分辨成像方法”的研究论文。该工作彻底摆脱了经典显微镜对“光激发”的依赖，转而利用化学反应产生的光信号，开发出一套全新的、无需外部光源的超分辨成像方法，为光学显微成像领域推开了一扇新的大门。

什么是光学显微？

你还记得中学生物课上那片薄薄的洋葱内表皮吗？在载玻片上滴一滴清水，展平薄膜，盖上盖玻片，再用碘液轻轻染色……当显微镜底部的光源点亮时，一束光透过样品，你的眼前浮现出一排排整齐排列的长方形洋葱表皮细胞——你初次用显微镜探索微观世界的经典一幕便完成了。那时的你是否会想：如果我有一台更高级的显微镜，是不是就能看到更细微、更清晰的微观世界？

然而，1873年，德国物理学家恩斯特·阿贝就给出了答案——不行。传统光学显微镜的分辨率永远无法超过光波长的一半，也就是约200纳米。小于这个尺度的细节，会因光的衍射效应模糊成一团，细胞内的生物分子、精细结构都无从分辨。直到突破阿贝衍射极限的超分辨荧光显微镜被发明并摘得2014年诺贝尔化学奖，人们才将光学显微带入了纳米时代。

而当我们跳出光学显微这个细分领域，站在更大的显微分析仪器的视角来看，则会发现一个更加普遍的科学逻辑——几乎所有的现代显微与分析仪器，都遵循着“光输入——相互作用——光输出”的检测范式。荧光显微镜输入激光激发荧光分子发光，电子显微镜输入高能电子束解析精细结构，红外光谱仪输入红外光识别化学键……百年来，正是依靠这套“外源光（含电磁波）输入作用”的探测逻辑，科学家们得以一步步解码肉眼不可见的微观世界。

然而，外源输入的除了照亮微观世界的“光”，很多时候还会伴随着破坏性，不可避免地对样品本身带来影响。对于活细胞来说，这种影响则尤为显著。比如，高分辨成像领域的“神兵利器”——电镜，很难做活细胞观测，因为没有细胞能在高能电子束下存活下来。而可以做活细胞成像的超分辨荧光显微镜，却存在光漂白、光毒性的先天局限，其所用到的高能激光，在点亮纳米尺度细节的同时，也在强干扰细胞的正常生理状态，导致人们始终无法通过这种方式完成活细胞的长时程观测。

超分辨荧光显微镜所用的高能激发激光

换言之，过去在活细胞成像领域，“看得清”和“看得久”可以说是鱼和熊掌不可得兼。要打破这一困局，或许需要从根本上改写成像机制，跳出“外源光成像”的固有框架。

那么，如果不从外部输入激发光，如何才能看得清呢？答案似乎呼之欲出，自然是向内求索——化学反应甚至生命体本身就能够发光。

冯建东团队的探索，正是从这里破局。

从开创成像新概念到证明新范式

然而，科学探索从来都是知易行难，向内求索之路并不容易。

化学反应发光非常微弱很难进行高分辨显微成像。为了能通过细胞发出的微弱的光看清楚细胞的结构，团队经历了一场漫长的科研马拉松。

2018年冯建东回国后，开始从无到有一步步搭建自己的实验室。2021年，团队首次证明了“用电化学发光反应实现单分子超分辨成像”的可行性。该成果被国际同行在《Nature》专文评价为“开创了基于化学途径的超分辨显微镜全新成像概念”。然而，新方法虽然具有开创性意义，但电化学发光场景有限。

又经过五年的深入探索，团队在原有研究基础上持续攻关，推出了一套通用的化学反应发光超分辨成像框架，将成像模态从单一的电化学发光拓展至化学发光、生物发光三类反应体系，首次实现了活细胞多种细胞器的三维、高时空分辨成像，空间分辨率达100纳米，可与当前主流活细胞荧光超分辨技术相媲美。审稿人评价这个工作“证明了一个新的范式：基于（生物）化学的超分辨显微镜”。

RIED显微镜观察细胞骨架

更具突破性的是，这套新方法不仅解决了“看得清”的问题，同时也解决了荧光显微镜所面临的底层制约逻辑：高分辨率的获得需要强激光激发，而激光会杀死细胞。新方法得益于无外部激光激发的天然优势，活细胞成像不用再面临光漂白、光毒性等风险，其连续成像时长较同等条件下的荧光显微技术提升了上百倍。团队通过这个新方法首次完整追踪了单个线粒体跨细胞转移的动力学过程。

“使用传统的荧光显微镜，激光照到细胞上，最长十几分钟荧光分子就漂白了，功率加大还会对细胞活性造成不可逆的损伤。而我们的连续观测可长达41个小时，细胞状态依然很好，成像画面依然清晰。”论文第一作者、化学系博士后朱文鑫介绍，“观测时长的量变会引发活细胞成像的质变，我们相信这项技术未来还会有更广阔的应用空间。”

SIM-RIED的成像效果对比

用化学造镜，观化学之微

“能够‘看清’化学反应中这么微弱的光，得益于多学科交叉的合作研究。”论文共同第一作者、化学系博士生张弛介绍，“比如我原本是学习化学生物学专业的，开展这项研究要求我必须学会同光学显微、计算成像的伙伴进行合作。”

从实验室的布局也能看出冯建东团队浓厚的跨学科特色。推门而入后，首先映入眼帘的是实验台上排列陈设的化学生物试剂与设备，它们似乎都显示着这是一间常规的化学生物实验室。

而仅仅相隔一条走廊对门的实验室，则画风突转。超净实验室中一字排开冯建东自主设计、研制的多套大型光学系统——激光器、光路组件、微波射频装置、光学显微镜依次排列，冷色调的激光在实验台上闪动……

冯建东课题组的化学生物实验室、光学实验室一角

“化学反应发出的光虽然微弱，但其背景是完全黑暗的，就像萤火虫的光虽然微弱，但我们在黑夜中可以很容易看见它一样。”冯建东解释道。

片言可以明百意，微光可以蕴千机。实际上，化学反应发光虽然强度低，原本制约了成像分辨率，但其过程却伴随着丰富的信息，比如发光信号的涨落、衰减变化等。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，高效收集在时间和空间上均呈现高波动特征的反应光子信号。这些化学过程信息被完整记录下来后，反过来可以提升成像分辨率。

冯建东团队与哈尔滨工业大学赵唯淞教授团队合作，赵唯淞教授与博士生桂家辉为成像分辨率的突破提供了化学发光定制化的算法支撑。这次跨学科的成功合作，让化学、光学、生物学和计算科学彼此赋能，最终催生了这项颠覆性的显微技术。

“我给这项技术取名‘RIED’（Reaction-enabled super-resolution Imaging via Entropy-weighted correlation combined with Deconvolution，结合熵加权关联与反卷积的反应驱动超分辨成像），发音同英文单词‘READ’（阅读）。我希望它可以帮助我们更好地读懂微观的生命过程。”冯建东说。

回国近9年，他始终在化学测量、量子物理、光学成像、生命科学交叉领域的基础研究无人区寻找突破。博观而约取，厚积而薄发，这种“极综合交叉”的研究方式，为他跳出传统光激发显微成像框架提供了关键支撑。

“传统意义上我们理解显微镜，都会认为这是一个光学或者物理的事情，而我想用化学的方法来制造显微镜。”冯建东提道。经过长期的思考与探索，冯建东提出了自己的研究理念——用化学造镜，观化学之微，这也是对这项新技术最精准的概括。

文字记者：岳思聪

摄影记者：霆光

视频摄制：杜驰

今日编辑：浙江大学融媒体中心学生记者团 潘宇凌