威斯康星大学麦迪逊分校的科学家开发出了迄今为止最灵敏的检测和分析单个分子的方法，从而解锁了一种可能更好地理解物质构成要素如何相互作用的新工具。这种新方法可能对药物发现和先进材料开发等各种研究产生影响。

这项技术成果于本月在《自然》杂志上发表，标志着在不借助荧光标记观察单个分子这一新兴领域取得了重大进展。虽然这些标记在许多应用中都很有用，但它们会改变分子，从而掩盖它们自然相互作用的方式。新的无标记方法使分子很容易被检测到，就像它们有标记一样。

“我们对此感到非常兴奋，”领导这项研究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) 表示。“在单分子水平上捕捉行为是理解复杂系统的一种非常有用的方式，如果你能构建新的工具来更好地了解这一视角，这些工具就会变得非常强大。”

虽然研究人员可以通过研究更大规模的材料和生物系统来收集有用的信息，但戈德史密斯表示，观察单个分子的行为和相互作用对于理解这些信息的背景很重要，有时还能带来新的见解。

戈德史密斯说：“当你看到国家之间如何互动时，你会发现一切都归结为个人之间的互动。如果你忽视了个人之间的互动，你甚至不会想到要理解群体之间的互动。”

戈德史密斯十多年前在斯坦福大学担任博士后研究员时，就一直在追逐单分子的魅力。在那里，他师从化学家 WE 莫纳，莫纳因开发出第一种利用光观察单分子的方法而于 2014 年获得诺贝尔化学奖。

自莫纳首次取得成功以来，世界各地的研究人员已经设计并改进了新的方法来观察这些微小的物质。

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装置。顾名思义，微腔是一个极小的空间，光可以在空间和时间中被捕获——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起来的历史在 2022 年获得了施密特未来奖的认可。

微腔由光纤电缆顶部的微型镜子构成。这些光纤镜子在微腔内快速地来回反射光线多次。

研究人员让分子滚入腔体，让光线穿过它，这样不仅可以检测到分子的存在，还可以了解分子的信息，例如它在水中移动的速度。这些信息可用于确定分子的形状或构象。

“分子水平上的构象非常重要，特别是对于思考生物分子如何相互作用而言，”戈德史密斯说。“假设你有一种蛋白质和一些小分子药物。你想看看这种蛋白质是否具有药物作用，也就是说，&luo;这种药物是否与蛋白质有某种重大相互作用?&ruo; 你可能能够看到这一点的一种方法是，它是否引入了构象变化。”

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，利用新开发的微腔技术，“我们可以制造一个黑匣子工具，在几十秒内给出答案。”