蛋白质相互作用是生命过程中不可或缺的关键分子事件。表面等离激元共振（SPR）技术能够实时、无标记地监测蛋白质相互作用，并定量解析其结合动力学参数。2020年，陶农建和王少鹏团队开发了等离激元散射显微成像方法，相关成果以张鹏飞研究员作为第一作者发表于 Nat. Methods, 2020, 17, 1010，将SPR成像的检测灵敏度提升至单分子水平，为天然蛋白质分析提供了强有力的新工具。然而，天然蛋白质的单分子信号极为微弱，该方法的有效检测高度依赖蛋白质散射信号与参考光之间的近场增强干涉。这一干涉效应虽有助于提升信噪比，却也显著降低了图像衬度；更为关键的是，参考光本身并非恒定，而是持续处于动态变化中。常规背景扣除策略难以稳定、持续地消除参考光波动带来的干扰，导致现有技术仅能捕获蛋白质单分子结合或解离瞬间的“快照”，无法对单个蛋白质分子的相互作用动态轨迹进行连续追踪。
在国家自然科学基金、北京市自然科学基金、中国科学院和北京分子科学国家研究中心的支持下，中国科学院化学研究所活体分析化学实验室张鹏飞课题组基于前期工作，持续深入探索了等离激元散射显微成像装置中光源、光学元件、传感芯片、微流控、表面修饰、相机、减震平台等各类构成要素对成像性能的影响机制，进而构建了全要素定量评价模型，实现了系统构建的全流程自主可控（Anal. Chem., 2025, 97, 3404; Anal. Chem., 2026, 98, 8635）。利用标准工业级部件与国产定制件，课题组从零开始完成了装置搭建，并自主发展了多重减震策略，在中关村高层实验室中获得了亚纳米级的背景震动环境，由此实现了无标记蛋白质单分子的高质量等离激元散射显微成像，并构建了高质量数据库。
基于高质量数据库，张鹏飞课题组进一步融合人工智能技术，自主部署了多显卡人工智能服务器和实验室局域网，实现了多主机数据互联与并行分层计算。在此基础上，利用循环神经网络对无标记蛋白质单分子和参考光背景的时空动态变化特征进行了精准评价与区分，实现了多个蛋白质单分子互作事件的准确并行区分，并通过智能演化策略对参考光背景予以精准扣除，从而实现了无标记蛋白质单分子事件的持续动态成像，并对其动态性质进行了定量评价（图1）。利用这一定量动态成像方法，可对蛋白质单分子互作事件的性质进行准确区分，在单分子层次上实现了特异性结合事件与包括非特异性共价结合在内的各类非特异性吸附事件的精准定量区分（图2），为低丰度蛋白免疫检测、复杂生物流体中的特异性识别和蛋白结合机制研究提供了新的技术路径。
图1. 等离激元散射成像下蛋白质单分子与背景时空动态特征的智能区分。图片来源：J. Am. Chem. Soc.
图2. 单分子层次上特异性结合与非特异性吸附的精准定量区分。图片来源：J. Am. Chem. Soc.
相关研究成果发表于Journal of the American Chemical Society，文章第一作者是中国科学院化学研究所博士生张静波，通讯作者是中国科学院化学研究所张鹏飞研究员。
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Label-Free Imaging of Single Proteins and Binding Dynamics via Deep Learning-Enhanced Plasmonic Scattering Microscopy
Jingbo Zhang, Jiying Xu, Yi Chen, Pengfei Zhang*
J. Am. Chem. Soc., 2026, 148, 23042–23052, DOI: 10.1021/jacs.6c04749
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