问题概述：

结合单分子科学技术和化学反应动力学的前沿研究领域，针对单分子检测的核心科学问题和技术难点，发展单分子化学反应动力学研究的突破性新技术，实现单分子水平上化学反应或单个事件动态过程的可视化。发展超高时空分辨率的单分子行为检测和成像系统，可以从定性研究转向定量研究、从静态研究转向动态研究、从单一学科研究转向跨学科交叉研究，具有单分子灵敏度和超快时间分辨率，可揭示分子结构与功能之间的内在关联性，探索新现象，开辟新方向。这些研究的实现，将会产生国际引领性的成果，将为揭示物质转化基本规律和生命现象本质机理提供可能。

重要意义：

在基础科学研究方面，建立一个在分子水平上研究化学反应历程/组装基元间相互作用的可靠方法有利于揭示反应机理和组装基元间的弱键相互作用的本质和协同规律，在此基础上实现对物质相互转化和自组装过程的有效调控，是一个非常重要而富有挑战性的方向，是世界各国相互竞争的制高点。比如，了解化学反应动力学过程对优化反应条件，抑制副产物具有积极意义。然而，相比于化学热力学的精确与定量，化学动力学更加复杂，而且仍然有许多未知领域亟待探索。以最简单的SN2亲核取代反应为例，传统的理论简单地认为，该反应需经过一个五配位的过渡态。而最新的研究显示，底物进行碰撞之前需要经过旋转的过程，而对于不同溶剂化的底物反应路径完全不同。对于SN2这类基元化学反应，其动力学过程尚不完全清楚，更加复杂的化学反应乃至生物物理过程，其复杂程度可想而知。著名期刊《Science》曾以“Not So Simple”为题发表社论，提醒科学界对化学动力学的重视。

考虑到化学动力学的复杂性，我们亟需发展新的可靠方法/技术对化学动力学进行研究。常规的动力学研究方法主要针对系综进行研究，得到的结果是系综平均的，静态的。系综平均结果掩盖了一些个体的重要信息，许多分子水平的现象无法进行研究。从单分子/单个事件的角度观测化学反应是研究化学反应动力学的另一重要思路。与宏观层面的研究相比，单分子技术可以做到信号与分子状态的严格同步，从而直接观察到反应中间体与反应途径，避免了系综带来的平均效应。单分子动态监测可以同时得到时域下的静态结果与动态结果，因此它能够在复杂行为中发掘出在传统系综实验里得不到的大量微观个体信息，解决在物理、化学和生命科学领域中无法解决的重要科学问题。

随着近场光学显微镜、共聚焦荧光显微镜等光学仪器的发展，基于光学手段的单分子动态监测首先得以实现。至今，光学法已发展出荧光相关光谱，能量共振转移光谱与零模波导等技术。依靠这些技术，科学家们实现了动力学常数计算，未知中间体观测与单分子DNA测序等工作。光学法为单分子检测理论打下坚实基础并解决了一些实际问题。然而，光学法固有的局限性也带来了技术发展的瓶颈。首先，大多数分子没有荧光活性，因此需要荧光标记。荧光标记的引入增加了实验的复杂性，荧光团的脱落或光漂白问题也会直接导致目标分子的光学失活，而荧光基团本身也有可能改变目标分子的活性。其次，光学法的时间分辨范围较窄。荧光相关光谱与能量共振转移光谱时间分辨率分别是100ns-100us与10ms-10s，而缺失的100us-10ms带宽正是化学反应与生化反应的关键时间尺度。针对这些挑战，随着纳米科学技术的不断深入完善，新兴的单分子电子学得到发展并取得长足的进步，利用分子电子学的思路实现单分子电学检测是未来亟待发展的方向之一。分子电子学旨在研究电子通过分子的输运性质，并通过分子结构的设计构建具有功能的电子器件。将目标功能单元设计成分子导线是分子电子学“功能化”的基本思路：分子几何结构、电子结构的变化会带来导电性变化，利用分子导电性的差异可以区分分子的状态，达到翻译并放大单分子信号、研究化学动力学的目的。与光学方法相比，电学方法具有免标记、无光漂白问题、高时间分辨率、高灵敏度与方便集成的优势。由此可见，单分子光学成像和单分子电学检测各具特色，优势互补，两者的结合无疑为复杂的化学反应与生命过程机理研究提供更可靠保障。

近十年来，传感器发展的趋势是从体相检测到单分子检测，从定性研究到定量研究，从静态检测到含时动态检测，从光学检测到电学检测，因此在单分子水平上整合光学成像和电学测量，建设超高时空分辨率的光电联用影像设施，能够实现在单分子灵敏度和超高时间分辨率下通过光学和电学双模式精准描绘化学反应和生命活动中单个事件的时空过程。综上所述，单分子科学技术与化学反应动力学的结合可以实现单分子化学反应动态过程的可视化，有望成为未来物质科学和生命科学在单分子水平上研究的主流方法和技术之一，具有明显的时代性与科学意义。