文|《中國科學報》見習記者 江慶齡
2021年年底，施立雪順利找到了工作，即將成為復旦大學生物醫(yī)學研究院的一名青年研究員。這也意味著，她在美國哥倫比亞大學教授閔瑋課題組的博士后工作進入了倒計時。
有一天，閔瑋看到一篇論文，對于他們一直想解決的科學問題突然有了新靈感，于是找到施立雪，問她有沒有興趣試一下?！斑@是個很有趣的問題，但存在很多的爭議，也很難做，我不確定是否可以做成?！遍h瑋說道。
抱著“總得干些什么”的簡單想法，施立雪毫不猶豫地答應了下來，并趕在2022年8月回國前，做完了所有關鍵實驗。
3月19日，這項由閔瑋課題組和美國加州大學伯克利分校教授Teresa Head-Gordon課題組合作的研究成果發(fā)表于Nature。研究系統(tǒng)揭示了油滴界面水的微觀無序分子結構及其伴隨的超強靜電場效應，為界面水的物理化學特性及其在化學、生物學、材料科學等多個領域的影響提供了新認識。
Nature上線論文
科學網(wǎng)“科學可視化”團隊為這項研究設計制作的圖片 1 給爭議一個定論
“我們越習以為常的事物，越難以說清背后的機理?！遍h瑋笑道。
水就是一個典型的例子。每天需要喝八杯水、冬天可以在冰面上滑冰、干燥天氣使用加濕器就能提高室內(nèi)舒適度……水獨特的物理化學性質(zhì)，孕育了地球上多彩的生命世界，更影響著人們?nèi)粘５囊率匙⌒小?span style="display:none">GRU即熱新聞——關注每天科技社會生活新變化gihot.com
科學家們也從未停止過對水的探索，其中一大問題是界面水的特性。界面水是區(qū)別于體相水的存在，在生物、材料、環(huán)境中無處不在，如細胞膜周圍的水、荷葉上的水、做菜時鐵鍋里的水，凡是水接觸的地方，就是界面水存在的地方。
“水分子之間在體相中能夠形成氫鍵網(wǎng)絡，在界面處，這種特殊的網(wǎng)絡必然會以某種形式斷開，從而對水的性質(zhì)產(chǎn)生影響。”閔瑋解釋道，“但是一般情況下，界面水只有1～2個分子層，厚度不超過1 nm。如一杯水中，99.999%的水都屬于體相水，只有0.001%是同杯子接觸的界面水?！?span style="display:none">GRU即熱新聞——關注每天科技社會生活新變化gihot.com
界面處的水，到底是更有序還是更自由？水分子之間的化學鍵更強還是更弱？和接觸的物質(zhì)之間發(fā)生了怎樣的互動？人們對這些問題都充滿了好奇，并期待著通過探明其中奧秘，為新藥研發(fā)、水污染治理、綠色化學等提供新的思路。
而要研究如此痕量的界面水，難度可想而知。物理學家、化學家、工程師……不同領域的研究人員想盡了各種辦法，試圖通過實驗的方法解釋界面水的特殊性，但始終難以精準探測其結構。
1994 年，科學家開始使用振動和頻率生成光譜（VSFG）技術研究水油界面。VSFG原理上可以區(qū)分體相信號和界面信號，在過去30年間，被認為是研究界面水唯一可行的工具。
同時，人們也逐漸找到一個研究界面水的理想模型——油滴。盡管分子起源仍存在爭議，但學界已達成共識，懸浮于水中的油滴往往攜帶著電荷，即約-60 mV的負ζ電位。ζ電位對于乳液的長期穩(wěn)定性至關重要，并且油滴和水接觸處的界面特性明顯區(qū)別于平面油—水界面。
遺憾的是，由于種種原因，不同實驗室得到的結果常?；ハ嗝?，甚至于同一個課題組在不同時期得到的結果也不一致?！氨热缰苽錁颖緯r引入了表面活性雜質(zhì)、界面附近體相水的干擾，都可能影響結果。在缺乏非常精準的測量方法的時候，很難得到一個確定的答案。”施立雪表示。
施立雪
為此，施立雪和閔瑋想了個很巧妙的方法，解決了樣品制備和測量的問題。
一方面，他們結合超聲處理，制備得到了能長時間穩(wěn)定存在的油—水乳液體系，直徑250 nm左右的油滴均勻分散在水中，從而大幅增加了界面水的占比?！坝偷巫兂晌⒌沃螅缺砻娣e大幅增加，提高了好幾個數(shù)量級。”閔瑋說道。
另一方面，基于團隊在拉曼光譜技術方面的多年積累，他們開發(fā)了高分辨率拉曼光譜結合多元曲線分解（Raman-MCR）技術。盡管無法直接識別界面信號，但較之于VSFG技術，Raman-MCR技術依然有著顯著優(yōu)勢。如VSFG技術只能用于研究平面（如水杯壁）界面，而Raman-MCR技術可應用于乳液體系；Raman-MCR技術測量得到的光譜信號可以直接與體相水進行對比，從而精確揭示界面結構的變化，并降低了樣品的制備難度。
施立雪介紹：“我們采用‘減法’的思路，同時測量了界面水的信號和體相水的光譜信號，再通過一定的計算方法，去除體相水的信號，從而獲得界面水的信息?！?span style="display:none">GRU即熱新聞——關注每天科技社會生活新變化gihot.com
兩大關鍵難點突破后，問題迎刃而解。實驗測量結果顯示，油—水界面的水分子氫鍵結構更無序，且氫鍵強度較弱，即界面處的水分子更“自由”。Head-Gordon團隊后續(xù)的分子動力學模擬結果也驗證了此結論。值得一提的是，這一結論跟教科書中的說法截然相反——過去普遍認為界面處的水分子更“乖巧”，較體相中的水排列更為有序。
自此，學術界爭論了許久的一個問題，得到了初步定論，但這項研究的發(fā)現(xiàn)，則不止于此。
2 “小”液滴的“大”突破
“我們在第一輪投稿時，一位審稿人認為這項工作很有趣，但偏技術，更適合發(fā)在專業(yè)性的期刊上，而不是Nature?！遍h瑋回憶道，“我們著重向?qū)徃迦私忉屃宋⒌位瘜W的意義和近幾年的發(fā)展，審稿人很快就同意在Nature發(fā)表了?！?span style="display:none">GRU即熱新聞——關注每天科技社會生活新變化gihot.com
說起閔瑋團隊和微滴化學的淵源，要回到幾年前。
2019年，美國斯坦福大學教授Richard Zare在PNAS發(fā)表了一篇論文，報道了水微滴中自發(fā)生成雙氧水的現(xiàn)象。這是一件聽起來非常不可思議的事情，要知道，Zare團隊并沒有在水中添加催化劑或者氧化劑。Zare推測這可能是由于微滴表面存在很強的電場，從而加速了化學反應。
此前，閔瑋團隊的一項研究中，將化學鍵作為探針，間接測量了細胞內(nèi)微環(huán)境的電場。因此，Zare聯(lián)系了閔瑋，希望用此方法驗證他的推測。
“我第一反應是覺得這是在‘瞎扯’，不相信光靠水和油滴就產(chǎn)生了雙氧水。”施立雪直言。
但很快，實驗結果證明了電場的存在。2020年，兩個團隊合作發(fā)表的論文中指出，利用受激拉曼激發(fā)熒光成像（SREF）測量得到水微滴表面的電場強度約為10 MV/cm量級。此外，越來越多的證據(jù)表明，水微滴可大幅加速化學反應速率，名為“微滴化學”的新學科，也在近5年迎來了快速發(fā)展。
“很多化學反應都需要在催化劑的幫助下才能進行，尤其是在工業(yè)生產(chǎn)中。而這些催化劑往往都是有毒的貴金屬，如果把水滴縮小就能讓化學反應發(fā)生，無疑將對綠色化學產(chǎn)生重要影響?！遍h瑋說道，“然而，盡管人們已經(jīng)觀察到了很多類似的現(xiàn)象，卻始終不知道其中的機理，我們推測可能和界面水的特性有關?！?span style="display:none">GRU即熱新聞——關注每天科技社會生活新變化gihot.com
閔瑋
閔瑋團隊在測量界面水特性的同時，計算出油滴界面存在40—90 MV/cm的極端靜電場，該強度甚至接近生物酶活性位點的典型電場強度。該電場可使反應活化自由能降低約4.8 kcal/mol，相當于在室溫下將反應速率提升3000倍以上。進一步地，他們結合理論計算驗證了強電場的存在。
“電場本質(zhì)上和電子的得失相關，比如氧化反應就是失去電子。如果恰恰有一個分子在電場周圍，就可能被電場影響而發(fā)生氧化還原反應?！遍h瑋介紹，這為近年來備受關注的水微滴化學提供了關鍵理論支撐，也解釋了接觸電催化中無需催化劑的氧化還原反應特性。
同時，團隊也提出油滴表面的電荷分布是電場產(chǎn)生的核心機制?！拔覀儾聹y，油滴帶電的機理可能與摩擦起電有關。”閔瑋補充道，“水一接觸油滴就發(fā)生了‘摩擦’，表面的氫鍵結構就被破壞了，從而吸引相當數(shù)量的帶負電的羥基在該處聚集，最終產(chǎn)生了非常強的電場?！?span style="display:none">GRU即熱新聞——關注每天科技社會生活新變化gihot.com
值得一提的是，閔瑋團隊和合作者近期的一項研究很好地驗證了此假設。他們嘗試以物理化學的視角理解阿茲海默癥的關鍵生物標志物——淀粉樣蛋白的沉積過程，發(fā)現(xiàn)蛋白聚集體和水界面產(chǎn)生了一個很強的電場，進而發(fā)生了氧化反應形成OH自由基，最終造成細胞毒性。
“未來我們將進一步采用定量的方法，探明界面上不同分子、離子的分布，同時嘗試將微滴化學用于生物、催化等其他研究中。”閔瑋告訴《中國科學報》。
3 趕飛機前一秒，還在做實驗
在采訪過程中，閔瑋和施立雪都多次用了“沒想到”這個詞。在開啟這項研究時，師徒二人都沒有想過會得到什么結論、能發(fā)在什么雜志，單純是源于好奇心。
而一個比較現(xiàn)實的問題是，施立雪已經(jīng)找好了工作，不久后就將離開實驗室。
“立雪她對界面水比較了解，另外也是考慮到她已經(jīng)找好工作了，沒做成的話對后續(xù)的發(fā)展也不會有太大影響。”閔瑋坦言，“反過來講，這項研究對她也沒有什么好處。我想她應該也沒有考慮個人的得失，只是想知道這個研究的結果。”
“我并不算一個特別有規(guī)劃的人，比較喜歡想到什么干什么，這個問題也確實很重要，我就按自己的節(jié)奏開始做了。”施立雪說道。
就這樣，他們從科學問題出發(fā)，開始了同時間賽跑。
“我?guī)缀醢阉锌佣疾攘艘槐??！笔┝⒀┗貞浀?，“我們?021年年底的時候開始看文獻和設計實驗，2022年年初的3個月做了一輪實驗，得到的結果五花八門，每次數(shù)據(jù)都沒辦法重復?！?span style="display:none">GRU即熱新聞——關注每天科技社會生活新變化gihot.com
通過不斷地看文獻和實驗嘗試，施立雪意識到裝溶液的玻璃小瓶可能對實驗結果有著重要影響。一般而言，為了徹底清除表面的有機物等所有雜質(zhì)，清洗這種玻璃瓶需要用到由雙氧水和濃硫酸混合而成的piranha溶液。與此同時，高氧化性、高酸性環(huán)境，可能使玻璃瓶與溶液反應，生成硅酸鹽等離子化合物，干擾溶液制備。
明確了問題之后，玻璃瓶的問題就很快解決了。結合以往的文獻報道，施立雪對清洗條件進行了適度改進，最終確保了雜質(zhì)被清除的同時沒有引入新的干擾因素。
類似的大大小小的挑戰(zhàn)還有很多，但施立雪接受度很高?！斑@個實驗就像是從失敗中‘采樣’，每一次失敗都能找到一點新的思路，慢慢摸索出了合適的實驗條件。發(fā)現(xiàn)并解決問題本身，就給了我很強的滿足感，這和發(fā)不發(fā)論文沒有關系?！?span style="display:none">GRU即熱新聞——關注每天科技社會生活新變化gihot.com
但隨著問題被一一解決，留給施立雪的時間也不多了?！爱敃r美國的疫情十分嚴重，我也不知道自己什么時候能走，就買了好多航班，哪班能飛就坐哪班?！?span style="display:none">GRU即熱新聞——關注每天科技社會生活新變化gihot.com
那段時間里，施立雪最擔心的事情就是，來不及收集足夠多的數(shù)據(jù)——無論是她回國后重新搭建體系做實驗，還是由閔瑋團隊的成員接手，都需要一定的時間磨合。為此，施立雪加班加點地配備樣品、測數(shù)據(jù)，趕飛機前一秒還在做實驗。
幸運的是，在最后兩周左右，施立雪采集到了足夠多的可用數(shù)據(jù)，甚至于審稿過程中需要補的實驗數(shù)據(jù)都提前積累了一部分，后續(xù)則更多的是數(shù)據(jù)處理和分析的工作。
戲劇性的是，在論文被接收后，施立雪再一次遇到了“趕時間”的情況。團隊收到論文被正式接收的消息時，已經(jīng)臨近春節(jié)了，他們需要盡快準備封面圖。施立雪了解到“科學網(wǎng)”的論文可視化服務，就聯(lián)系相關負責人進行了合作，在春節(jié)前及時完成了封面設計。
“我也期待我自己團隊后續(xù)的工作，能夠下次繼續(xù)合作?！笔┝⒀┱f道。
而在這項工作進入尾聲的同時，施立雪也已經(jīng)開啟了新生活。2022年11月，施立雪正式加入復旦大學生物醫(yī)學研究院，兩年多來，她一邊從頭搭建實驗室，一邊像當初做實驗一樣，從實踐中摸索適合實驗室的管理模式。
目前，施立雪課題組的主要研究方向為下一代生物成像技術的開發(fā)及其生物醫(yī)學方面應用的拓展，即用物理化學的思維開發(fā)適合生物醫(yī)學使用的技術。
施立雪期待，未來和醫(yī)院開展更多深度合作，將實驗室的技術進一步應用于臨床樣品，為開發(fā)新一代的病理學研究手段提供新思路，并助力疾病的早期診斷。
相關論文信息：
https://doi.org/10.1038/s41586-025-08702-y
本文鏈接：http://m.enbeike.cn/news-8-2846-0.html一項計劃之外的研究，讓他們用好奇心“改寫”教科書
聲明：本網(wǎng)頁內(nèi)容由互聯(lián)網(wǎng)博主自發(fā)貢獻，不代表本站觀點，本站不承擔任何法律責任。天上不會到餡餅，請大家謹防詐騙！若有侵權等問題請及時與本網(wǎng)聯(lián)系，我們將在第一時間刪除處理。
點擊右上角
微信好友
朋友圈
點擊瀏覽器下方“
”分享微信好友Safari瀏覽器請點擊“
”按鈕
點擊右上角
QQ
點擊瀏覽器下方“”分享QQ好友Safari瀏覽器請點擊“”按鈕
