香港大學與北京大學、清華大學等合作，針對冷凍電鏡樣品上長期存在的冰層厚度難以精準控制的問題，提出一種結構限域策略，從而提升影像品質與最終重建解析度，助力化學、醫學、生命科學等各領域的研究工作。相關研究成果已刊於《自然 － 方法》。

論文：

• https://www.nature.com/articles/s41592-026-03244-1

研究背景

冷凍電鏡技術的核心，是將生物大分子瞬間凍結在玻璃態冰（vitreous ice）中，避免形成破壞生物結構的冰晶，而這層冰的厚度存在一個最優區間，若果太厚，電子束穿透時會產生過多背景散射噪聲，令訊噪比下降，難以分辨精細結構，而若太薄，樣本分子容易被推擠至冰層表面的氣－水界面，該界面有很強的表面張力與化學活性，容易導致蛋白質變性、聚集，或造成單一「偏好取向」（preferred orientation），使後續三維重建出現方向缺失，大為影響解析度。

因此，理想的冰層厚度應略大於蛋白質分子直徑，約為數十納米。然而，在樣品製備過程中，這層冰是由液態薄膜快速冷凍而成的，若液膜本身厚度與均勻性不受控，冰層亦無法控制。這正是冷凍電鏡樣品製備的長期技術瓶頸。

此外，令問題更複雜的是，一旦液態薄膜厚度低於 100 納米左右，范德華力將驅使液體從薄區域自發遷移至鄰近較厚區域，以降低系統能量，液膜會因此而不斷變薄，或進而破裂。

研究成果

港大生物科學學院劉楠博士與北京大學、清華大學等院校的學者合作，就此難題提出一種利用范德華力的結構限域策略。

團隊以深紫外光刻膠膜，刻製均勻圓孔陣列，並將石墨烯轉移至該膜上。由於石墨烯與孔壁之間存在范德華吸附作用，懸空石墨烯會自發向孔內下垂，形成一種「石墨烯儲液池」。原子力顯微鏡（AFM）測量顯示，在 1200 納米孔徑下，下垂深度可穩定控制在 30±1 納米，且分佈高度均一。

這時，將含有生物分子的樣品溶液整體滴加於已經形成了石墨烯儲液池結構的網格上。濾紙吸除多餘液體後，液體在范德華力驅動下，自發匯聚流入儲液池，使蛋白質分子隨之嵌入這層厚度受控的薄液膜中。即使將濾紙吸除時間延長至 10-20 秒（傳統操作 5-10 倍），儲液池仍能穩定保持液膜不破裂。通過此策略，最終形成的冰層厚度約為 30 納米，與儲液池深度高度吻合。

透過調整孔徑大小，團隊可將儲液池的深度精確調控在 14-40 納米之間。理論模型亦顯示，下垂深度與孔徑、孔緣曲率半徑、石墨烯楊氏模量等參數之間存在明確的冪函數關係，因而構成一種可設計、可預測的物理過程，無需依賴經驗試錯。

該策略還可拓展至石墨烯三明治結構（樣品夾在上下兩層石墨烯之間），使封裝成功率由傳統方法的 67% 提升至 91%，且電子束照射下的粒子運動幅度亦明顯降低，有助於提升影像品質與最終重建解析度。

憑藉此精確可控的冰層製備技術，團隊成功解析多個生物大分子的近原子級三維結構，包括 RNA 分子、新冠病毒刺突蛋白、鏈霉親和素（streptavidin），解析度分別達到 2.7Å、2.9Å、2.46Å，其中的鏈霉親和素這類分子量小於 100 kDa 的蛋白在傳統方法中極易失敗。

此外，團隊於多款市售商業網格上同樣觀察到穩定的石墨烯下垂現象，顯示良好的普適性。整個製程可透過標準光刻技術規模化生產，單批次可製作超過 500 片網格。

研究團隊

論文共同第一作者是北京大學 Liming Zheng、Xiaole Zhao，清華大學 Jiling Song。共同通訊作者是香港大學劉楠，北京大學彭海琳，清華大學王宏偉。

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