目前，人们对生命现象的观察和研究已经深入到单细胞、单颗粒和单分子的微-纳尺度的水平，如何在这样一个尺度范围内获取精准的生物化学信息，是分析化学各个研究领域面临的严峻挑战。37000cm威尼斯化学化工学院陈洪渊院士/徐静娟教授课题组围绕他们应时提出的所谓 “三单一成像”，即：单细胞、单颗粒、单分子分析和高时、空分辨的成像，做出了一系列开创性工作。2018年2月，课题组利用超灵敏电化学发光成像，实现了在纳米尺度上多种贵金属结构的高通量表面电化学行为的成像，消除了大尺度带来群体行为的平均化问题，从而能应用于识别单个颗粒之间行为特性的差别。相关工作发表于Angewandte Chemie International Edition (2018, 57, 4010 –4014)。该论文的第一作者为化学化工学院博士生朱孟娇，通讯作者为赵微副研究员和徐静娟教授。

图1. 单颗粒电化学发光成像

在此基础上，课题组开展了在单细胞内的单分子成像与测量，利用局域表面等离子体共振耦合探针，首次将所研究DNA/RNA体系的链取代过程从简单的溶液体系推进到真实的细胞环境中。采用纳米金“卫星”等离子体，通过链取代产生的卫星离去事件结合数理统计方法， 建立了反映真实生理环境下链取代的动力学模型，揭示了DNA/DNA与RNA/DNA取代动力学过程的差异。在单个活细胞中，只需要数个探针就可以获取反应动力学参数，并得到单细胞内核酸分子表达量的准确数据。该体系DNA分子间动力学模型的建立， 对于推动DNA技术的发展以及DNA探针的在体应用具有重要的指导意义。相关论文发表在 ACS Nano (2018, 12, 3341−3350)上。化学化工学院博士生李美星与徐琮辉副研究员为论文共同第一作者，赵微副研究员和徐静娟教授为论文共同通讯作者。

图2. 单分子链取代反应的暗场光学成像

最近，课题组采用尖端直径仅为30nm的石英毛细管，进一步提升单细胞分析的时空分辨能力，建立起一种可在亚细胞水平上实时监测单细胞氧化还原代谢的电分析方法。在石英纳米孔道内精确自组装G-四链体DNA酶，通过分析离子电流的变化，监测单细胞内氧化还原代谢产生的活性氧；结合微操作定位系统，这种超微纳米毛细管可在单细胞内精准定位，实现了亚细胞水平的分析。该方法成功揭示了单细胞在氧化应激反应中以及药物刺激作用下有氧代谢水平的变化。该研究工作发表在Angewandte Chemie International Edition (2018, 10.1002/anie.201808537)上。化学化工学院博士生宋娟与徐琮辉副研究员为论文共同第一作者，赵微副研究员和徐静娟教授为论文共同通讯作者。

图3. 单细胞氧化应激过程的时空分辨监测

这些工作得到国家自然科学基金委重大科研仪器研制项目（21327902）、重点项目（21535003）和科技部重点研发计划纳米专项（2016YFA0201200）的资助。

（化学化工学院 科学技术处）