电致化学发光（electrogenerated chemiluminescence，ECL）源于电化学反应电子传递过程中将电能转化为辐射能的过程。发光分子在电极表面经过氧化还原过程生成激发态，进而退激产生发光。电致化学发光显微镜（ECLM），结合电化学激发和光学读出的方式，具有低背景、无光热效应、高通量和可控性好等优点，可有效地弥补单颗粒、单细胞电化学分析中的不足，成为单颗粒电化学性能研究中一种创新性的技术手段。这种测量技术在能源领域及生命分析领域，具有卓越的应用前景。然而，作为一种光学成像技术，ECLM 受到衍射极限的影响，无法得到更精细的结构信息。因此，发展超分辨电致化学发光显微镜（Super-resolution ECLM），打破传统衍射极限，对于单颗粒和单细胞分析成像具有重要意义。
近日，南京大学徐静娟团队和上海大学赵微团队联合报道了一种基于发光径向涨落的超分辨成像 (SRRF) 技术与电致化学发光技术的超分辨ECLM（图1），用于研究单颗粒表面电化学活性的分布情况。通过ECL事件发生的随机性验证及强度涨落的测量，论述了SRRF技术在ECL成像中的适用性。在实验中，连续采集宽场ECL图像，并求解ECL信号涨落的径向梯度变化实现超分辨成像，分辨率达到100 nm。将这种方法应用于单个零维、一维和二维纳米贵金属材料的电化学成像，可获得其更精细的电催化活性信息。此外，相较于单分子荧光成像，ECL-SRRF是一种直接的、所见即所得式的成像方式，时间分辨率可以达到秒级。ECL-SRRF的建立为此类技术更好地应用于能源材料和生命科学领域研究提供了理论参考和实践依据。
基于发光径向涨落的超分辨成像技术通过分析一系列图像以重建结构，它需要特定的条件。首先，发光分子的电子在不同能态之间跃迁，光强度随时间发生涨落现象。其次，这种径向波动是随机发生的。与荧光类似，ECL是受激辐射过程，涉及发光体激发态和基态之间的转换。此外，光子的产生是相互独立且随机事件。通过统计单个像素（pixel）上产生的光子数，发现其产生遵循泊松（Poisson）分布，从而验证了ECL发光分子与电极的碰撞是随机发生的。研究人员通过理论模拟验证了在真实ECL发射的波动情况下，SRRF函数对于电致化学发光成像的适用性。选取80 nm金纳米球催化Ru(bpy)32+/TPrA产生ECL作为模型，通过施加电位脉冲，连续采集50张原始宽场ECL成像照片，然后输入超分辨SRRF算法中，通过求解径向梯度分布的方法能够有效定位出发光中心区域的位置, 提升成像的空间分辨率至100 nm左右。与宽场成像结果相比，ECL-SRRF图像的空间分辨率和精度显著提高，可获得百纳米尺度一维和二维纳米材料表面电化学活性分布（图2），从而判断晶格结构和表面缺陷与其电催化性能的本征关系。
图2. 一维和二维纳米金材料ECL-SRRF成像与电催化活性空间分布分析
超分辨电致化学发光成像突破了光学衍射极限，图像的空间分辨率和精度显著提高。其所需重建帧数较少，时间分辨率更高。这种电化学成像方法在催化、生物成像及单体分析领域显示出巨大的应用潜力。
这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上。
Super-Resolution Electrogenerated Chemiluminescence Microscopy for Single-Nanocatalyst Imaging
Ming-Ming Chen, Cong-Hui Xu, Wei Zhao, Hong-Yuan Chen and Jing-Juan Xu
J. Am. Chem. Soc., 2021, DOI: 10.1021/jacs.1c07827
赵微，上海大学环境与化学工程学院副研究员。2008年于南京大学取得博士学位，师从导师陈洪渊院士。2008年至2011年在德国Ulm大学表面化学与催化研究所工作，合作导师为德国著名表面化学与催化专家R. J. Behm教授。2011年6月至2015年6月就职于安捷伦科技（上海）有限公司，2015年9月至2021年1月就职于南京大学化学化工学院，2021年3月起就职于上海大学。
研究领域是单颗粒、单分子、单细胞成像与测量研究。在相关领域发表SCI论文60余篇，包括以通讯作者和第一作者发表的JACS、Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Nano、Chem. Sci等。获授权发明专利3项。曾获得中德科学中心、德国洪堡基金会资助。主持国家自然科学基金面上项目和青年项目等多项基金。
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