Nature：超分辨化学显微成像

超分辨荧光显微技术通过突破光学衍射极限，极大地推动了研究者在光激发发光框架下对生物复杂性的认识。

然而，外部光激发的使用始终是决定荧光成像方法成像能力与活细胞兼容性的关键因素。

反应激发发光，如电化学发光(ECL)、化学发光(CL)和生物发光(BL)，则提供了一种化学层面上的替代方案，构成了一套化学定义明确的成像工具箱，可实现从超灵敏检测到生物相容性成像等多种成像优势。

尽管反应激发发光具有无需外部光源、灵敏度高的特点，但由于光子预算(photon budget)有限，传统基于发光反应的成像方法在时空分辨率上始终存在根本性限制。

为解决这一问题，来自浙江大学的冯建东、哈尔滨工业大学的赵唯淞等研究者开发了一种基于化学反应的超分辨成像框架——基于熵加权相关性并结合解卷积的反应激发发光超分辨成像技术(RIED)。相关论文以题为“Luminescent-reaction-enabled super-resolution imaging”于2026年08月12日发表在Nature上。

背景介绍

反应激发成像基于专门设计的发光化学体系，可根据不同应用需求进行定制(图1a)。

具体而言，ECL由电化学反应触发并加以调控，因而具有较高的表面灵敏度，这一特性天然有利于对电极附近物体的成像;CL则依赖于反应物在溶液中的扩散过程，从而能够在整个成像体积内实现均匀激发;BL利用酶促反应在活体生物中产生催化发光，为活细胞成像提供了优异的生物相容性。

尽管具备上述优势，迄今为止，基于反应的发光始终受限于光子输出较低的问题，通常需要长达数十秒的曝光时间才能积累出一幅图像，这不可避免地会掩盖其中的时空信息。

因此，与已相对成熟的超分辨荧光显微技术不同，如何利用反应激发发光实现超分辨成像仍是一项极具挑战性的难题。

从本质上看，基于反应的发光是一个高度动态的过程，其本征特征是由单个独立反应所触发的。

主要创新

为实现超分辨成像，研究者提出通过一种时空隔离策略，在图像序列中对这些基于反应的发光过程进行实验性监测，从而提取出反应驱动的光子统计特征，并结合专门设计的处理流程用于超分辨重构(图1b)。

时空记录揭示出这类发光过程所特有的性质:零光激发背景、高信噪比，以及发光反应位点与暗背景之间的高对比度涨落。

据此，研究者借鉴近年来基于涨落分析的超分辨荧光成像方法，对光子事件序列进行了时空互相关分析，并在此过程中剔除了受重叠发光体主导的像素，从而缩窄了点扩散函数(PSF)的宽度。

为进一步减少因ECL异质性所导致的图像不连续问题，研究者在相关性分析之前引入了空间熵图，用以量化局部信息含量并对相关累积量进行优化。

最后，在低光子预算条件下，研究者进一步施加解卷积处理，以提升空间分辨率与图像对比度。

为验证该处理流程的有效性，研究者首先基于模拟数据进行了测试，结果证实反应驱动的光子统计特性能够提供有效的涨落信息以实现分辨率提升，并能够真实地重构出真值(ground-truth)结构。

在此基础上，研究者进一步引入傅里叶环相关(FRC)分辨率、分辨率标度误差(RSE)以及分辨率标度皮尔逊系数(RSP)等指标，对重构效果进行逐步评估。

结果表明，RIED重构方法能够在有效提升图像分辨率的同时，仅引入有限的伪影。此外，由于RIED是专门针对基于反应的发光过程而设计的，与最初为荧光图像序列开发的传统超分辨方法相比，其重构性能表现出明显优势。

综上，研究者所优化的处理流程最终实现了反应驱动型超分辨图像的重构，相关示例如图1c所示。

图1RIED概念图。

图2 RIED在ECL中的性能。

图3 利用RIED-ECL进行表面敏感成像。

图4 启用RIED的超分辨率CL和BL成像。

图5 利用RIED-BL观察线粒体动力学。

主要结论

综上所述，本研究提出了一种基于化学的成像方法——RIED，实现了细胞内ECL、CL和BL发光的三维超分辨成像，其分辨率可媲美当前最先进的活细胞荧光超分辨显微技术，同时兼具化学激发所赋予的独特优势。

在现有的各类超分辨荧光显微技术中，普遍存在时空分辨率、激发深度、视场范围、成像时长与光毒性之间的固有权衡关系，而这一权衡对活细胞成像而言尤为关键。

一方面，超高分辨率荧光技术可实现亚纳米级的定位精度，但在成像速度或视场范围上通常受到限制，因而更适用于解析局部分子组装结构;另一方面，活细胞荧光成像方法能够在较大视场范围内实现快速、低光毒性的超分辨成像，但空间分辨率通常相对有限。

与上述荧光类方法不同，RIED依赖于反应激发机制，并得益于其本征的"零光激发背景"特性所带来的高灵敏度，从而在空间/时间分辨率之间实现了良好平衡，同时具备大视场范围与超长时程连续活细胞观测的独特优势。

展望未来，反应激发型超分辨显微技术标志着成像机制正从"光学调控的激发物理"向"反应驱动的发光化学"转变，为设计全新的成像方式开辟了空间。

由于反应激发显微技术中的图像对比度由化学反应活性所驱动，这类"化学显微技术"从本质上呈现的是分子的活性状态，而不仅仅是分子的空间位置信息。

未来若能将这一独特机制与生物体内天然存在的生化反应相耦合，有望为功能性成像分析提供更深层次的"活性视角"。

因此，研究者预期RIED的发展将进一步凸显基于化学反应的超分辨成像方法的重要意义，以一种独特的、反应驱动的方式，照亮对生物过程的探索与理解。

参考文献

Zhu, W., Zhang, C., Gui, J. et al. Luminescent-reaction-enabled super-resolution imaging. Nature (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-026-10889-7

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

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