洗过的玻璃杯壁挂不住水膜，冷冻电镜制样也卡在这件事上；我国科学家用一排石墨烯“小水塘”管住了冰层厚度，15至40纳米可调

刚洗过的玻璃杯，内壁那层水膜挂不住，很快就缩成一颗颗水珠。冷冻电镜制样卡了近半个世纪的难题，根子上是同一件事。william威廉中文官网彭海琳教授团队与清华大学生命科学学院王宏伟教授团队、香港大学生物科学学院刘楠教授团队合作，用光刻在载网上做出孔阵列，让石墨烯塌下形成一个个“储液池”，把冰层厚度从靠手感试错变成一道能算准的工序。相关成果日前发表于国际学术期刊《自然·方法》。

“要把生物大分子看清楚，得先把它冻进一层薄冰里再送进电镜。冰层厚一点，背景噪声就压过信号；薄一点，分子又露在外面变了性。厚度哪怕只差几十纳米，分辨率就上不去。”彭海琳说，难点就在于亚100纳米厚的液膜本身不稳，液体会自发地从较薄的地方往较厚的地方跑，膜一破就缩成液滴，厚度自然无从控制，重复性也就谈不上。

团队的办法，是在薄膜上挖一排“小水塘”。彭海琳表示，水既然爱往深处跑，那就顺着它的脾气，先把坑挖好。团队用国产深紫外光刻胶做出孔边缘光滑的孔阵列，再把石墨烯铺到多孔支撑膜上。范德华力拉着石墨烯贴住孔壁往下陷，一个“石墨烯储液池”就成了。塘口挖多大、塘底陷多深，都能算得出来：孔径在600到2000纳米之间时，池深可在10到40纳米之间调节。这套工艺还能做到4英寸规模，单批制备500多个自制载网。

池子挖好，水就自己往里跑。即便用滤纸把载网夹吸10秒甚至20秒，液膜仍然稳得住，冻出来的冰层稳定在约30纳米。调池子大小，就能得到15纳米、20纳米、30纳米、40纳米四种厚度，整个载网区域厚薄一致。”王宏伟指出，他们把这套办法用到更难的“石墨烯/冰层/石墨烯三明治”上：封装成功率超过90%，传统做法约67%；传统三明治的冰层厚达52±18纳米且各处不均，新结构约30纳米，厚度分布很窄。石墨烯从1层加到3层，池子变浅，限域冰还能压到约19纳米。

“冰层匀了，分子就看得清了。”王宏伟说，团队据此重建出多种生物大分子的三维结构，II型内含子RNA和链霉亲和素分别达到2.7埃和2.5埃（1埃等于0.1纳米）；颗粒多吸附在石墨烯与水的界面上，远离气液界面，变性、聚集和优势取向的老问题都轻了。

彭海琳表示，这套“小水塘”的用处不止于冷冻电镜。冰层厚度从靠经验试错，变成了可设计、可制造的限域结构。“它解决的不只是制样瓶颈：薄液膜为什么稳不住，以往只能绕开，如今从热力学上找到了顺势而为的办法；限域液体中的物理、化学和生物过程，也多了一个能稳定复现的研究平台；纳米图案表面的流体行为，对光刻、刻蚀、清洗等半导体工艺同样有参考价值。喷雾制样、时间分辨冷冻电镜，都能借这层厚度确定的液膜再往前走一步。”