1. 痛點問題

諾貝爾獎獲得者Jacques Dubochet等人于1984年發明了冷凍樣品制備的濾紙夾置法，至今仍然是冷凍電鏡樣品制備的主要手段。在這種傳統的制樣方法中，研究人員難以精確控制樣品冰層厚度和大分子顆粒分布，導致冷凍樣品的均一性和可重復性較差。研究表明，用濾紙夾置法制備樣品時生物大分子會吸附在超薄的液體層的氣液界面上，導致生物大分子的顆粒結構損傷、變性或產生優勢取向，降低了高分辨率冷凍電鏡結構分析的效率和成功率。如何獲取可重復的高質量的生物大分子冷凍樣品仍然是冷凍電鏡技術應用中的一個卡脖子問題。

2. 解決方案

本項成果采用非變性質譜中廣泛使用的電噴霧電離（ESI）技術，設計并搭建了一種新型冷凍樣品制備裝置 ESI-cryoPrep，成功實現了無需濾紙夾吸的冷凍樣品制備，并獲得了多種生物大分子近原子分辨率的三維結構。研究表明，ESI-cryoPrep可以有效地將生物大分子顆粒完整嵌入無定形態薄層冰中，避免其吸附在空氣-水、固體-水界面上，并對該裝置制備生物大分子冷凍樣品過程中的界面模型進行了機理闡釋。

ESI-cryoPrep以“軟”電離技術ESI為基礎，通過向蛋白溶液施加高電壓形成大量帶電的蛋白液滴，可以有效地減少蛋白的變性與碎裂。在電場的驅動下，帶電液滴飛向電鏡載網的過程中伴隨著去溶劑化的進行；液滴表面的電荷密度激增至瑞利極限導致庫侖裂變形成帶電的次級液滴；這一過程循環往復直至液滴最終沉積在電鏡載網上；收集到帶電液滴的電鏡載網被插入液氮冷卻的液態乙烷中即可實現對液滴的快速冷凍。該過程完全省卻了濾紙的夾吸，避免了濾紙材料對液體和生物大分子的影響。因為液滴表面的小分子離子形成了雙電層效應，生物大分子與液體的界面被隔絕開，從而避免了生物大分子吸附到氣液或固液界面上，更好地保持了生物大分子的天然結構。

實驗室測試儀器（左）及

第一代全自動商業儀器模型（右）