Un nouveau type de microscopie chimique à haute résolution


Un nouveau type de microscopie chimique à haute résolution

(à gauche) Images au microscope électronique à balayage pour ITO à motifs avec un faisceau d’ions focalisé (FIB). (à droite) Images ECL à molécule unique super-résolues pour le même ITO à motif FIB. Crédit photo : Université du Zhejiang

Les expériences conventionnelles en chimie et en biologie étudient le comportement des deux, mais c’est un défi scientifique permanent pour les scientifiques d’observer, de manipuler et de mesurer les réactions chimiques de molécules individuelles.

En réponse à ce défi, le professeur Feng Jiandong du Département de chimie de l’Université du Zhejiang s’est consacré au développement de techniques et d’instruments interdisciplinaires à molécule unique pour l’observation des réactions chimiques à molécule unique en solution. Feng et ses collègues ont récemment développé une nouvelle technique pour imager directement les réactions électrochimiques d’une seule molécule en solution avec une résolution spatiale ultra-élevée. Cette technique a des applications importantes en imagerie chimique et en imagerie biologique, telles que : B. l’imagerie de microstructures et de cellules avec une résolution nanométrique. Le résultat de la recherche sera utilisé comme article de couverture du numéro du 11 août de. publié la nature.

Par rapport à l’imagerie par fluorescence, l’imagerie par électrochimiluminescence (ECL) ne nécessite aucune lumière d’excitation, il y a donc un bruit de fond minimal. L’ECL est un outil important dans l’immunodiagnostic in vitro, qui nécessite une sensibilité ultra-élevée pour résoudre les signaux faibles. Il existe actuellement deux défis majeurs dans le domaine de l’ECL. Premièrement, pour les dosages de molécules uniques, il est d’une importance cruciale que les signaux ECL puissent être mesurés et cartographiés au niveau faible ou même au niveau de la molécule unique. Deuxièmement, il est d’une importance énorme pour l’imagerie chimique et biologique si la ECL à super résolution – une imagerie spatiotemporelle ultra-élevée qui dépasse la limite de diffraction optique – peut être développée.

Depuis trois ans, Feng et son équipe travaillent sur ces deux problèmes majeurs. Ils ont développé un système d’imagerie optique à large combiné et un système d’enregistrement électrochimique, et ont construit une configuration de contrôle, de mesure et d’imagerie ECL efficace. Ils ont réalisé la première imagerie à grand champ de réactions ECL à molécule unique et ainsi réalisé la première imagerie ECL à haute résolution. Sans aucune excitation lumineuse, cette microscopie ECL à molécule unique peut réaliser une imagerie à super résolution à molécule unique, qui a un grand potentiel pour des applications dans les mesures chimiques et l’imagerie biologique.

Pourquoi est-il difficile de capturer spatialement les signaux d’une seule molécule pendant le processus ECL ? Ceci est principalement attribué au fait que les réactions à molécule unique sont difficiles à contrôler, suivre et détecter. « Les réactions chimiques de molécules individuelles s’accompagnent de changements de signaux optiques, électriques et magnétiques extrêmement faibles, et le processus des réactions chimiques et l’emplacement où une réaction chimique se produit sont stochastiques », a déclaré Feng.

Un nouveau type de microscopie chimique à haute résolution

Image ECL super-résolution d’une seule vivante. Crédit photo : Université du Zhejiang

À cette fin, Feng et ses collègues ont construit un système de détection sensible capable de détecter les signaux de luminescence générés après des réactions à molécule unique. « La cartographie des réactions individuelles nécessite l’isolement spatial et temporel des événements de réaction individuels », explique Feng. « Ceci est obtenu dans notre cas grâce à l’utilisation de solutions diluées et à une exposition rapide de l’appareil photo », a déclaré Dong Jinrun, doctorant. Candidat de l’équipe de recherche.

La microscopie est un outil crucial dans la science des matériaux et les sciences de la vie. La microscopie optique conventionnelle fonctionne dans des centaines de nanomètres et au-delà, tandis que la microscopie électronique à haute résolution et la microscopie à sonde à balayage peuvent révéler des objets jusqu’à l’ atomique. « À cette échelle, il existe encore un nombre très limité de technologies pour l’observation in situ, dynamique et de solution sur des échelles de longueur allant de quelques nanomètres à des centaines de nanomètres », a déclaré Feng. « Cela a beaucoup à voir avec une résolution d’imagerie optique inadéquate en raison de la limite de diffraction optique.

Inspirés par la microscopie à fluorescence à haute résolution, ils ont utilisé la reconstruction optique de réactions moléculaires spatiales localisées pour l’imagerie. Ceci est comparable à la façon dont on peut distinguer deux étoiles voisines par leur comportement « scintillant » la nuit. « La localisation spatiale des sites de luminescence et la superposition d’informations sur chaque trame de sites de réaction moléculaire isolés forment une » constellation « de sites de réaction chimique. »

Pour confirmer la faisabilité de cette méthode d’imagerie et la précision de l’algorithme de localisation, l’équipe a préparé un échantillon d’une électrode dénudée en tant que modèle d’imagerie connu et a effectué une imagerie comparative. Les résultats de l’imagerie ECL à molécule unique concordent bien avec les résultats de l’imagerie par microscopie électronique en termes de structure et ont confirmé la faisabilité de cette méthode d’imagerie. L’imagerie ECL à molécule unique a augmenté la résolution spatiale de la microscopie ECL conventionnelle à 24 nanomètres sans précédent.

Feng Jiandong et ses collègues ont ensuite appliqué l’imagerie ECL à molécule unique à l’imagerie cellulaire. Aucun étiquetage direct n’était requis pour l’imagerie cellulaire ECL, qui peut être adaptée aux cellules, car le processus d’étiquetage traditionnel peut affecter l’état des cellules. Ils ont également réalisé une imagerie ECL à molécule unique sur les adhérences cellulaires et observé leur dynamique au fil du temps. En comparant les résultats corrélés de l’imagerie ECL et de l’imagerie par fluorescence haute résolution, ils ont constaté que l’imagerie ECL avait une résolution spatiale élevée comparable à la microscopie à fluorescence à super résolution, tout en évitant l’utilisation de lasers et de marqueurs cellulaires.

« Les résultats des auteurs ouvrent la voie à un concept en imagerie : une approche chimique de la microscopie à super-résolution », écrivent le Pr Frédéric Kanoufi de l’Université de Paris et le Pr Neso Sojic de l’Université de Bordeaux dans un accompagnement commenter dans la nature Nouvelles et vues du magazine. « Cela pourrait également conduire au développement de nouvelles stratégies d’analyse biologique et d’imagerie cellulaire qui complètent les techniques établies de microscopie à molécule unique basées sur la fluorescence. »


La microscopie vibrationnelle devient une super-résolution


Plus d’information:
Jinrun Dong et al., Cartographie directe des réactions électrochimiques à molécule unique en solution, la nature (2021). DOI : 10.1038 / s41586-021-03715-9

Fourni par l’Université du Zhejiang

Citation: A New Kind of Super-Resolution Chemical Microscopy (2021, 18 août), consulté le 22 août 2021 à partir de https://phys.org/news/2021-08-super-resolution-chemical-microscopy.html

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