威斯康星大学麦迪逊分校的科学家们开发了一种新的、高灵敏度的方法，可以在不使用荧光标记的情况下检测和分析单个分子，这可能会改变药物发现和材料科学的研究。

威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员已经开发出了迄今为止最灵敏的检测和分析单个分子的方法 —— 解锁了一种新的工具，它有可能更好地理解物质的组成部分如何相互作用。这种新方法可能会对药物发现和先进材料的开发等各种追求产生影响。

发表在《自然》杂志上的一篇论文详细介绍了这项技术成就，它标志着在不借助荧光标记观察单个分子的新兴领域取得了重大进展。虽然这些标签在许多应用中都很有用，但它们改变分子的方式可能会使分子之间的自然相互作用变得模糊。而这种新的无标签方法使得分子很容易被检测到，就好像它们有标签一样。

“我们对此非常兴奋，”领导这项工作的威斯康星大学麦迪逊分校化学教授兰德尔·戈德史密斯（Randall Goldsmith）说。“捕捉单分子层面的行为是理解复杂系统的一种令人惊讶的信息方式，如果你能建立新的工具来更好地访问这个视角，这些工具将会非常强大。”

虽然，研究人员可以从更大规模的研究材料和生物系统中收集有用的信息，但戈德史密斯说，观察单个分子的行为和相互作用对于将这些信息背景化很重要，有时会导致新的见解。

戈德史密斯解释道：“当你看到国与国之间的互动时，你会发现这一切都归结为个人之间的互动。如果忽视个人之间的互动，你甚至不会想到理解群体之间是如何互动的。”

单分子观察的重要性

十多年前，戈德史密斯在斯坦福大学做博士后研究时，就一直在追逐单分子的吸引力。在那里，他在化学家w·e·莫尔纳（W.E. Moerner）手下工作。莫尔纳因发明了第一种利用光观察单个分子的方法，于2014年获得了诺贝尔化学奖。

自从莫尔纳最初的成功以来，世界各地的研究人员设计并改进了观察这些微小物质的新方法。

威斯康星大学麦迪逊分校团队开发的方法依赖于一种称为光学微谐振器（或微腔）的设备。顾名思义，微腔是一个极其微小的空间，光可以在空间和时间上被困住 —— 至少几纳秒 —— 在那里它可以与分子相互作用。微腔更常见于物理或电气工程实验室，而不是化学实验室。戈德史密斯将不同科学领域的概念结合在一起的历史，在2022年获得了施密特期货公司（Schmidt Futures）的博学奖。

微腔是由安装在光纤电缆上的小镜子构成的。这些光纤反射镜将光在微腔内快速地来回反射多次。

潜在应用和未来发展

研究人员让分子进入空腔，让光穿过它，不仅可以探测到分子的存在，还可以了解到它的信息，比如它在水中的移动速度。这些信息可以用来确定分子的形状或构象。

戈德史密斯说：“分子水平上的构象非常重要，特别是考虑生物分子如何相互作用时。假设你有一种蛋白质，你有一些小分子药物。你想看看蛋白质是否可药物，也就是说，药物是否与蛋白质有某种主要的相互作用？一种可能的方法是它是否引起了构象变化。”

还有其他方法可以做到这一点，但它们需要大量的样品材料和耗时的分析。戈德史密斯说，有了新开发的微腔技术，“我们有可能建立一个黑匣子工具，在几十秒内给出答案。”

研究团队已经为这个设备申请了专利。戈德史密斯说，这种设备和方法将在未来几年内得到改进。与此同时，他说他和他的合作者已经在考虑它的多种用途。

“我们对光谱学的许多其他应用感到兴奋，”他说。“我们希望能以此为跳板，探索其他了解分子的方法。”