化学成像是以目标物的成分、结构单元及其相互作用过程中的变化作为研究对象，探究检测与示踪的新原理、新方法与新技术，建立物质识别和信息提取的可视化研究平台，实现目标物定性、定量、定位的科学。通过光谱、质谱、色谱、电化学等分析检测手段与数字图像处理技术的结合，化学成像既可提供化学分析概念的成分与含量的定位信息，又能够提供形态学概念的图像信息，使得目标物特征信息的表达更加直观。作为化学测量学领域的重要研究方向之一，化学成像可对各类化学、生理、物理学过程进行实时的可视化分析，在生命科学、医学、能源、环境等学科应用广泛，是众多领域原始创新的重要基础，并为新器件、新装置和新仪器的创制提供重要科学支撑。

该领域近 10 年的重要及热点研究问题如下。

单分子成像以实现单个分子的超高精度观测和追踪为目的，研究分子的行为特征，测定特定时刻分子的结构与分布，揭示单分子动力学过程。单分子成像可避免宏观实验的平均效应，实时监测分子的结构变化和分子间反应过程。目前，许多前沿研究领域正朝着更为微观的层次发展，在纳米甚至亚纳米尺度上识别分子的化学信息并实现单分子成像，对于探索微观世界，特别是生物分子高分辨成像、催化反应微观机制、纳米器件微观构造等方面，具有十分重要的科学意义。

单颗粒成像是在单个颗粒层面分析目标物的物理、化学特性及生物学效应，对诸多化学、生理、物理学过程的揭示具有重要指导意义。与分子具有相对确定的化学组成和结构不同，颗粒目标物的结构和功能往往表现出显著的个体差异性。如何同时克服传统测量方法在空间分辨率和灵敏度上的不足，是单颗粒成像领域面临的关键科学问题之一。单颗粒成像可用于病毒、囊泡、气溶胶、微塑料、微纳气泡、催化剂等颗粒物的微观特征研究， 在生命、环境和能源等领域具有较大的应用潜力。

细胞是生命活动的基本单元，研究细胞的结构和功能、细胞间的相互作用对于理解生命的奥秘、探索疾病的机制与治疗手段具有重要意义。受细胞外微环境与细胞内组成差异的共同作用，细胞在新陈代谢、信息传递、物质运输等生命活动中表现出较大的差异。单细胞成像技术在细胞及亚细胞层次上提供生物差异性信息，探索细胞的生理状态和生命过程，揭示细胞功能和发病机制，在细胞生物学、肿瘤医学、免疫治疗、药物筛选、疾病诊断等方面展现出巨大的应用前景。

活体成像是以重大疾病的早期诊断与预警为导向，运用成像技术在体、原位、实时获取生物信息，实现活体层面上的长期纵向研究，在人类健康与精准医疗方面有着重大需求。活体成像为病变的诊断与定位提供一种无创的实时监测平台，既能够显示疾病所在位置和解剖学结构，又可以反映出病变组织的代谢和生化特征，对疾病发生发展规律探索、药理药动学分析、安全性与疗效评估等具有重要意义。随着化学成像与生命科学、生物医学等学科的交叉和发展，活体成像已成为当今国际重要的科学领域和前沿研究阵地。

表界面成像是从微观层面测量界面现象的一种重要手段，可实现表界面中单分子、亚分子、原子等目标物的高时空分辨成像。Science 杂志 2021 年发布“125个科学问题”，将“如何在微观层面测量界面现象”列为化学科学的 9 大问题之一。催化与表界面化学学科“十四五”发展规划将“创制新仪器，发展超高时空分辨的新的表面表征技术和方法”列为发展目标之一。表界面成像是研究表面化学、胶体与界面化学、催化化学和电化学中的表界面基础科学问题的关键技术，是化学成像领域的前沿热点与重点。

多模态跨尺度成像是指融合荧光、超声、核磁、核素等不同成像模式的优势，以达到同时获取高时空分辨率、高灵敏度、高特异性和高对比度的成像目的，实现跨时空尺度的结构与功能成像。《国家重大科技基础设施建设“十三五”规划》优先布局了“多模态跨尺度生物医学成像设施”的建设。多模态跨尺度成像有望为生物医学等领域提供可视化描绘与精确测量的革命性新技术，将推动人类更加深入全面地认识生命与疾病信息。

化学成像新原理与新仪器是推动化学成像领域创新发展的根本基础和关键挑战。超分辨率荧光显微镜和冷冻电镜研究分别获得了 2014 年和 2017 年的诺贝尔化学奖，这些新原理与新仪器突破传统化学成像的极限，为生物分子、细胞和组织的实时定位定量成像研究提供了重要工具。发展基于荧光、拉曼、质谱、光声和 X 射线等成像手段的化学成像新原理和新仪器，将为化学、生物医学、环境科学和公共安全等领域提供更加直观和丰富的化学测量分析信息，推动交叉学科创新研究和应用研究。

近年来，在研究人员的不懈努力下，我国化学成像领域研究取得了若干可圈可点的成就，获得了一批令国际同行瞩目的重要研究成果。

在单分子成像方面，中国科学技术大学侯建国院士团队在国际上首次开发了亚纳米分辨的单分子拉曼成像技术，发展了多种扫描探针显微成像联用技术，在单化学键精度上实现了单分子多重特异性的综合表征；浙江大学冯建东研究员团队发明了单分子电致化学发光显微镜技术，实现了溶液体系单分子反应的直接成像。在单颗粒成像方面，南京大学王伟教授团队利用自主研制的表面等离激元共振显微镜实现了单个纳米颗粒化学反应的测量与成像。在单细胞成像方面，清华大学张新荣/ 张奇伟教授团队采用高空间分辨质谱成像结合大数据算法，实现了单细胞的空间代谢异质性分析；上海交通大学樊春海院士团队利用同步辐射技术发展了 X 射线显微成像遗传编码探针，实现了对单细胞内特定蛋白质的内源标记和原位纳米分辨成像。在活体成像方面，复旦大学张凡教授团队发展了多种近红外二区光学成像技术，用于活体深层组织的生物成像。在表界面成像方面，厦门大学田中群院士/李剑锋教授团队发明了壳层隔绝纳米粒子增强拉曼光谱技术，实现了铂单晶表面氧还原反应过程的原位动态跟踪；北京大学王恩哥院士 / 江颖教授团队研发了系列超高分辨扫描探针显微成像和谱学技术，在国际上首次获得了亚分子级分辨的水分子图像，以及水合钠离子的原子级分辨图像。在多模态跨尺度成像方面，中国科学院徐涛院士/ 徐平勇研究员团队发展了一种新型光镜 - 电镜关联成像技术，实现了线粒体和核膜的超分辨成像。在化学成像新原理与新仪器方面，南京大学陈洪渊院士 / 江德臣教授团队开发了全新单细胞时空分辨分子动态分析系统，实现了单个细胞器中蛋白化学活性的测量；福州大学杨黄浩教授团队开发了基于纳米闪烁体的低剂量、高分辨 X 射线平板成像技术，发展了 X 射线发光扩展成像新原理，研制出了柔性高分辨 X 射线发光成像新仪器。

过去10 年，化学成像显示出前所未有的快速发展趋势，在生物、医学、能源、环境、材料等众多学科领域中得到了广泛且深入的应用。化学成像技术研究极大地推动了前沿基础研究和科技进步。化学成像的无损性、高时空分辨性、多模态跨尺度分析、动态实时监测等优势，在探索复杂微观生命过程、超快分子反应机制等方面展现了巨大的应用前景。

荧光、拉曼、质谱、超声、磁共振和 X 射线等化学成像新理论、新方法和新仪器的发展日新月异，使得化学成像技术在生命科学、生物医学、能源催化、环境保护中扮演着越来越重要的角色。高分辨、高灵敏成像技术有力推动了分子、颗粒、细胞等不同尺度目标物的结构与功能成像，对化学反应、生理病理、物理学等过程的研究具有重要意义。同时，化学成像技术，尤其是多模态跨尺度活体成像和分子成像技术，在活体水平的应用方面，为癌症、心血管和神经退行性疾病等的早期诊断、药物研发和精准治疗提供更加全面、准确的多维度信息。

化学成像研究进一步带动了成像探针与仪器设备的发展。在新型成像探针方面，我国科学研究水平位于国际前列，开发了一系列稀土掺杂材料、量子点、磁性材料、聚集诱导发光材料、金属纳米材料和 DNA 分子机器等成像探针，大大提高了成像分析的灵敏度、特异性和时空分辨率，为化学成像提供强有力的保障。在中国科学院第二十次院士大会上，习近平总书记强调在“科学试验用仪器设备、化学制剂等方面关键核心技术上全力攻坚，加快突破一批药品、医疗器械、医用设备、疫苗等领域关键核心技术”。当前化学成像所依赖的高精尖科研仪器设备、原材料和关键核心部件多数掌握在美国、日本、德国等国家手中，加快建立化学成像的新原理和新方法，发展具有自主知识产权的高端科研仪器并实现国产化，是引领我国化学成像研究从“并行”“紧跟”转向“引领”的重要支撑。

党的十九大确立了我国到2035年跻身创新型国家前列的战略目标，党的十九届五中全会提出了坚持创新在我国现代化建设全局中的核心地位，把科技自立自强作为国家发展的战略支撑。在这样关键的历史机遇与挑战背景下，我国应紧紧抓住化学成像领域发展机遇，加快营造创新科研环境并深化布局相关项目、人才、基地和平台等，创新发展化学成像领域的新理论、新方法和新技术，高效推进关键技术和核心仪器走向国产化和实际应用，为化学成像技术的研发和应用开辟更广阔的新天地。