闪电冻结水分子而不结冰:迪博歇与冷冻电镜液态乙烷骤冷枪
1984 年 3月1日 · 液态乙烷骤冷坩埚(Liquid Ethane Cup)、微栅碳支持网(Quantifoil Grid)与气动落体夹
你知道吗?
只要你跑得比水分子排列成六角晶格的速度更快,就能在百万分之一秒内将暴乱的液体冻结成永恒的固体玻璃;时间的指针在此停滞,蛋白质构象被原样封印在了深空寒夜。
在透射电镜的极端超高真空与几十万伏高能电子轰击下,水会瞬间沸腾蒸发,细胞被撕裂压扁;而如果拿常规液氮直接冷冻水溶液,水会从容结晶形成六角形结晶冰(Crystalline ice),体积剧烈膨胀刺碎一切蛋白质构象,冰晶晶格产生的强烈布拉格衍射更会彻底毁掉电镜底片。
这个看似不可逾越的物理死结,被瑞士生物物理学家雅克·迪博歇(Jacques Dubochet)用极其硬核的流体力学与热力学打破。迪博歇发现,液氮沸点极低(-196°C),但在室温样品浸入瞬间会剧烈沸腾在载网表面形成一层隔热蒸汽膜(莱顿弗罗斯特效应),实际降温速率极慢。
1981至1984年间,迪博歇团队设计了一套传奇装置:将冷冻载网用气动镊子以闪电般速度弹射刺入用液氮预冷至-160°C的液态乙烷(Liquid Ethane)中!液态乙烷比热容高且不产生气膜阻热,能实现超过每秒十万摄氏度的地狱级冷却速率。
在冰晶晶核尚未来得及排列的百万分之一秒内,水分子运动被绝对冻结在原地,形成了完全均一、无体积膨胀、透明无衍射斑点的“无定形玻璃态冰(Vitreous Ice)”。