冷冻电镜技术(cryo-EM)已经成为揭示束敏生物分子和材料固有结构的重要工具。然而，高分辨率冷冻电镜分析仍然受到标本制备控制不佳的限制，迫切需要一种坚固的支撑膜材料来制备理想的样品。在这里，我们开发了双分子薄层Janus石墨烯膜，顶层功能化的石墨烯，与表面的目标分子相互作用，而底层保持完整，以加强其机械稳定性。通过我们的方案制备的超净和双分子薄层Janus膜，一方面几乎不会产生额外的噪音，另一方面减少了标本在低温电子成像时的运动，从而允许对表面官能团的原子分辨率表征。在低温电镜标本制备中使用这种Janus膜，我们能够直接成像锂枝晶，并以接近原子的分辨率重建大分子。我们的结果表明，双分子层Janus设计是高分辨率低温EM和EM成像的一种有前途的支持材料。
图1 具有不对称润湿性的超净双层Janus石墨烯膜。(a)双层Janus石墨烯膜示意图。(b)悬浮双层Janus石墨烯的代表性TEM显微图 (c)双分子层Janus石墨烯氧对构型的原子分辨率STEM图像。(d, e)典型的光学图像揭示Janus的亲水表层石墨烯网格与水接触角为51.3 (d)和疏水底层水接触角为83.8 (e)。(f)均匀的冰膜表层的双层Janus石墨烯示意图。(g)双层Janus石墨烯底层的非均匀冰珠示意图。
图2 双层Janus膜的表面结构处理。(a)由双层石墨烯薄片(黑色)和氧原子(红色)组成的分子动力学模型初始构型。(b)模拟动态过程的快照，显示双层石墨烯顶层碳氧键的形成、碳碳键的断裂和碳的损失。(c)上层晶格缺陷聚并形成纳米孔，底层保持完整。(d)高分辨率STEM和TEM图像显示了单层石墨烯晶格中的氧对(d)、含氧空位(e)和纳米孔(f)。(g i)高分辨率STEM和TEM图像显示双分子层Janus石墨烯顶层的氧对(g)、含氧空位(h)和纳米孔(i)。
图3 双层Janus膜的机械稳性能和电子束电阻。(a) AFM压痕实验示意图。(b)双层Janus和功能单层石墨烯的典型加载曲线。(c)双层Janus和功能单层石墨烯的断裂力直方图。(d)双层Janus石墨烯在电子辐照下的稳定性 (e)双层Janus石墨烯上Li树枝晶的低温透射电镜图像。(f)面板e中显示SEI与Li金属界面的绿色区域的高分辨率图像。
图4 双分子层Janus膜用于高分辨率低温电镜结构测定。(a)在石墨烯水界面吸附的生物大分子示意图(蓝色)。(b)蛋白酶体颗粒在空气-水界面(上行)和石墨烯水界面(下行)的代表性冷冻电镜切片。(c)玻璃化冰中20S蛋白酶体颗粒的空间分布。(d)双分子层Janus和单分子层石墨烯上冰膜的屈曲示意图。(e)电子束辐射下双分子层Janus和单层石墨烯上的粒子运动。(f)重建的50S核糖体的总密度 (g) 50S核糖体重建的傅立叶壳层相关(FSC)图。(h)选择与相应原子模型对接的密度区域。
相关科研成果由北大Hailin Peng，Xiaoding Wei和清华Hong-Wei Wang等人于2021年发表在ACS Nano（https://doi.org/10.1021/acsnano.1c06233）上。原文：Atomically Thin Bilayer Janus Membranes for Cryo-electron Microscopy。
彭海琳
教授，博士生导师
物理化学，材料物理化学 , 纳米材料化学与器件
北京大学化学与分子工程学院A411室/B243室
Tel: 86-10-62750365 / 62767984
Fax: 86-10-62750365
Email: hlpengATpku.edu.cn
Research Gate: https://www.researchgate.net/profile/Hailin_Peng
Research Group Website: http://www.chem.pku.edu.cn/hp
学术简历
1996.9－2000.7，吉林大学化学系，学士
2000.9－2005.7，北京大学 化学与分子工程学院，博士
2005.11－2009.6，美国 斯坦福大学 材料科学与工程系，博士后
2009.6－2014.7，北京大学化学与分子工程学院，副教授，博士生导师
2014.8至今， 北京大学化学与分子工程学院，教授，博士生导师
研究领域和兴趣：
从事纳米材料化学与能源纳米技术研究，关注能源纳米材料的控制合成、光电器件与光(电)催化转化：
1、二维材料（石墨烯、拓扑绝缘体、二维硫/氧族半导体）的控制生长、化学改性、异质结构与光电器件
2、高效光(电)催化转化中的新材料及其调控规律研究
3、纳米材料在柔性电子学、量子调控和能源领域应用基础研究
现在教授课程
纳米化学、结构化学小班课 、 《物理化学实验》
科研项目
项 目 来 源
项 目 名 称
起止年月
主持/参加
科技部重大科学研究计划青年专题项目(2014CB932500)二维原子晶体界面科学与器件基础2014.1至2018.8首席科学家
国家自然科学基金杰出青年基金(21525310)纳米材料化学与纳米器件2016.1至2020.12主持
国家自然科学基金优秀青年基金(21222303)纳米材料化学与纳米器件2013.1至2015.12主持
中组部"万人计划"青年拔尖人才准二维原子晶体的生长机制、结构控制与功能器件研究2013.1至2015.12主持
国家自然科学基金面上项目(21173004)准二维晶体的气相外延生长与器件研究2012.1至2015.12主持
国家自然科学基金面上项目(20973007)铜铟硒纳米线太阳能电池2010.1至2012.12主持 (结题)
北京市科技计划项目石墨烯宽光谱高敏光电器件研制2013.7至2014.12主持
北京市科技计划项目大面积单晶石墨烯薄膜快速制备技术研究2016.6至2018.6主持
教育部"新世纪优秀人才支持计划"准二维晶体材料与器件2012.1至2014.12主持
科技部重大科学研究计划"量子调控" (2011CB921900)以Dirac系统为代表的低维量子体系的新奇量子现象研究2011.1至2015.8参加
霍英东教育基金会第十四届高等院校青年教师基金应用研究课题高质量石墨烯及杂化材料的宏量可控制备研究2014.3至2017.2主持
获奖情况：
2017年Small 青年科学家创新奖（2017 Small Young Innovator Award, Wiley-VCH)
2015年国家杰出青年科学基金
2012年中组部首批青年拔尖人才支持计划
2012年首批国家优秀青年科学基金
2011年教育部 新世纪优秀人才支持计划
2005年中国分析测试协会科学技术奖(CAIA奖) 一等奖 （排名第二）
2005年北京大学 优秀毕业生
2005年北京大学化学学院 研究生优秀学术成果奖
2004年北京大学纳米化学研究中心 "纳米之星"奖
王宏伟 博士
教授 中心执行主任
个人履历
1992-1996清华大学生物科学与技术系 学士
1996-2001清华大学生物科学与技术系 博士
2001-2006劳伦斯伯克利国家实验室生命科学部 博士后
2006-2008劳伦斯伯克利国家实验室生命科学部 研究科学家
2009-2011耶鲁大学分子生物物理与生物化学系 助理教授
2011- 至今清华大学生命科学学院 教授
主要科研领域与方向
我们利用冷冻电子显微学研究生物大分子复合体的结构与分子机理。主要研究方向包括：更高效、更高分辨率的冷冻电镜方法学开发；细胞骨架和生物膜系统的协调机制；核酸质量控制的分子机制和调控。
