近年来，聚合物自组装体、水凝胶、胶体颗粒和生物矿物等软物质材料凭借其独特的物理化学性质，成为材料科学研究的前沿领域之一，在生物医学、纳米技术、能源催化等多个领域具有广泛应用。然而，由于软物质材料的结构对于外界刺激极为敏感，传统表征方法往往难以对其进行精准表征。特别是在高分辨率下，软物质材料的微观结构和动态行为往往难以被捕捉。为了突破这一限制，冷冻电镜（Cryo-EM）逐渐成为研究软物质及其他领域微观结构的重要手段。

       复旦大学高分子科学系和聚合物分子工程全国重点实验室在软物质材料领域已有深入的研究基础。为了进一步拓宽软物质的表征手段，高分子科学系于2021年购置了JEOL CryoARM 300冷冻透射电镜，并于2023年3月正式投入使用，专门聚焦于各类软物质材料的精准原位表征。这台先进的仪器的引入，进一步增强了高分子科学系在软物质表征方面的研究能力，为科研人员提供了更加精准、高效的工具。

一、冷冻透射电镜技术：解锁软物质微观结构之眼
       JEOL CryoARM 300冷冻透射电镜采用了冷场发射电子枪、直接电子探测相机、12位自动进样器和Omega能量过滤器等先进技术，能够在近乎不损伤样品的情况下，保留软物质在溶液或生理环境中的本征结构。该设备不仅能提供高分辨率的单颗粒分析图像，还能通过冷冻电子断层扫描（CryoET）技术，进一步揭示样品的三维结构信息。

       与传统电镜技术相比，冷冻电镜技术的最大优势在于能够通过对样品进行快速玻璃化冷冻，有效冻结样品的水合状态，从而对其真实结构进行准原位表征。此外，Cryo-EM所使用的极低温度有助于降低电子束对样品的损伤，并可以通过低辐照剂量成像技术进一步减少辐照损伤，因此尤其适用于易受辐射影响的生物大分子和软物质材料。冷场发射电子枪生成的高质量电子束和直接电子探测相机的高灵敏度，进一步提高了成像质量，使得研究人员能够使用极低的电子辐照剂量获得清晰、细致的图像数据。同时，Omega能量过滤器能够进一步优化图像质量，减少非弹性散射的干扰，为获取高分辨率图像提供保障。这些技术的结合，使得该设备在软物质领域的应用前景广阔，特别是在研究生物大分子、纳米材料和聚合物自组装结构方面，具有巨大的潜力。

复旦大学高分子科学系冷冻电镜实验室设施一览

二、研究成果：取得了大量突破性进展

       随着冷冻电镜的投入使用，复旦大学高分子科学系在软物质材料表征方面的技术水平得到了显著提升，为科研人员提供了一个强有力的工具，推动了相关领域的突破性进展。高分子科学系的青年研究员徐一飞老师负责该设备的管理和技术支持工作。他表示：“这台JEOL冷冻电镜的实测空间分辨率可达0.18 nm，时间分辨率可达到0.67毫秒，非常适合表征聚合物自组装体、水凝胶、胶体颗粒、生物矿物等高分子软物质材料，也能对一些不耐电子辐照的无机材料（如锂电池SEI膜）提供优异的成像效果。”同时徐一飞老师也提到，由于软物质材料的物性相较于结构生物学样品要复杂许多，其冷冻电镜的制样、成像和数据分析方面还存在大量有待攻克的问题。针对这些问题，徐一飞老师课题组近年来系统性地开展了软物质材料的冷冻电镜表征方法学研究，显著提升了冷冻电镜样品质量和成像效果，为相关重要原创性科研成果的产生奠定了坚实的基础。

       在过去的一年中，冷冻电镜实验室已支持复旦大学高分子科学系和聚合物分子工程全国重点实验室发表三篇Nature、 Science正刊、两篇Nature大子刊，以及十多篇其他顶级期刊文章。主要成果如下：

1. 2024年2月8日：Nature, A rechargeable calcium–oxygen battery that operates at room temperature（室温下运行的可充电钙-氧电池），采用低辐照剂量冷冻电镜对钙-氧电池的SEI界面进行了高分辨观测，揭示了其中的晶体分布情况。通讯作者：复旦大学 彭慧胜、王永刚、王兵杰等 （冷冻电镜数据收集与分析由徐一飞完成）

钙-氧电池SEI界面的冷冻电镜图像

2. 2025年2月13日：Nature，External Li supply reshapes Li-deficiency and lifetime limit of batteries（外部供锂技术突破电池的缺锂困境和寿命界限），采用低辐照剂量冷冻电镜对补Li前后的LiFePO4进行了高分辨观测，揭示了其结构变化。通讯作者：复旦大学 高悦、彭慧胜 （冷冻电镜数据收集与分析由徐一飞、胡晓月完成）        

补Li前后 LiFePO4 结构变化的冷冻电镜图像

3. 2025年2月14日：Science,  Ultrastable supported oxygen evolution electrocatalyst formed by ripening-induced embedding（熟化诱导嵌入式超稳负载型电催化剂），采用冷冻电镜和CryoET对嵌入式Ir/Ce催化剂的形成过程进行了原位过程，揭示了熟化诱导嵌入的形成机理。通讯作者：复旦大学 张波、徐一飞、段赛、徐昕 （冷冻电镜数据收集与分析由徐一飞完成）

   

嵌入式催化剂形成过程的冷冻电镜和CryoET图像

4. 2025年1月6日：Nature Chemistry, Uniform single-crystal mesoporous metal–organic frameworks（均匀的单晶介孔金属-有机框架）。采用高分辨低辐照剂量冷冻电镜和CryoET对介孔金属-有机框架材料进行了表征，阐明了材料的晶体结构和内部的介孔结构。 通讯作者:复旦大学 李晓民 （冷冻电镜数据收集与分析由徐一飞完成）

   

   介孔金属-有机框架材料的高分辨冷冻电镜照片和CryoET三维重构

5. 2025年1月16日：Nature Synthesis，Helical protein nanotubules assembled from sacrificial supramolecular polymers，（牺牲超分子聚合物介导的螺旋蛋白微管）。采用单颗粒技术对人工蛋白质螺旋管结构进行了解析，分辨率达到3.13Å，充分证明了小分子配体在成管过程中的决定性贡献。通讯作者:复旦大学 李龙、陈国颂（数据收集与结构解析由叶林飞、李龙完成）

   

   使用冷冻电镜对螺旋蛋白微管结构进行的单颗粒分析

三、展望未来：在软物质材料领域的广阔前景

       随着软物质材料科学研究的不断深入，软物质结构的精准原位表征将逐渐成为相关研究的“标配”，而冷冻电镜势必将在此过程中发挥更加巨大的作用。受益于软物质材料丰富多样的物理化学性质和广阔的应用前景，冷冻电镜很有可能从结构生物学研究的“独门暗器”，逐渐变为软物质材料以及其它各类材料研究中的“必备绝学”。复旦大学高分子科学系和聚合物全国重点实验室将在未来的工作中进一步推进软物质材料的冷冻电镜表征方法研究，同时广泛开展相关合作交流，从而推动软物质科学的前沿发展，服务国家在新材料领域的重大发展战略。

合作联系方式：

徐一飞老师：xyf@fudan.edu.cn

胡晓月老师: huxy@fudan.edu.cn