电子衍射结构分析应用一招看破原子结构科学家将三维电子衍射技术用于有机化学|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

一招看破原子结构科学家将三维电子衍射技术用于有机化学

得益于一项利用电子束快速揭示原子排列的技术，诸如用于药物的有机小分子结构可在几分钟而非数周内被推断出来。

自本世纪初以来，这项被称为三维电子衍射的技术已被一些无机化学家和材料学家用于推断分子结构。

不过，有机化学家并未广泛采用该技术，虽然其影响可能是革命性的。

今年10月中旬，两篇在线发表的论文描述了将这一技术用于药物的方法。和现有技术相比，最新方法使弄清有机小分子结构变得更加快速、简单。

“我想肯定有很多人挠着头说，‘为何我们没早点这样做呢？’”利用相关技术研究诸如蛋白质等大分子的加拿大多伦多大学结构生物学家John Rubinstein表示。

寻找小分子结构的现有方法要求科学家生长用于分析的晶体。这是一个艰辛的过程，可能持续数周或者几个月。“研究中面临的真正障碍现在已经基本上被移除。”Rubinstein说。

知道原子在分子中如何排列，对于理解物质功能至关重要。

例如，致力于开发新药的化学家依靠这种结构了解药物如何在体内起作用，以及它可能如何被调整，从而同治疗靶点结合得更加紧密或者减轻副作用。

历史悠久

几十年来，一项被称为X射线结晶学的技术被用于推断这种排列。不过，它会花费好几周的时间并且不一定奏效。

首先，科学家需要“诱骗”分子结晶。随后，他们利用X射线束“轰炸”晶体。晶体的晶格结构导致X射线衍射，同时一个特殊的探测器会记录下由此获得的模式。

此后，科学家利用软件分析模式阐明分子结构。

挑战随之而来，因为X射线衍射仅对大晶体奏效，并且晶体需要数周甚至几个月才能形成。同时，一些分子很难结晶，导致通过这种方式分析它们不太可行。

一种替代方法是用电子束代替X射线。电子束可利用更小的晶体产生衍射模式。

2007年和2008年，德国美因兹市约翰尼斯古腾堡大学和瑞典斯德哥尔摩大学的科学家分别开发出自动利用电子衍射探测分子三维结构的方法。

此前，研究人员不得不费力地将二维衍射模式整合起来，以获得这种三维结构。

起初，该技术主要用于分析不像有机分子那样受到辐射严重影响的无机结构。

随后，美国加州大学洛杉矶分校结构生物学家Tamir Gonen在2013年开发出一个被称为MicroED的电子衍射版本。其可被用于诸如蛋白质等大型生物分子。

如今，在两篇最新发表的论文中，Gonen团队和另一个来自瑞士的团队证实，电子衍射还可被用于阐明较小有机分子的结构。

斯德哥尔摩大学结构化学家Xiaodong Zou表示，科学家并不是第一次做这件事情，但它是对此类分析有多快捷、简单的重要展示。

两篇论文

在日前发表于德国《应用化学国际版》的第一篇论文中，由保罗谢勒研究所晶体学家Tim Grune领导的团队报告称，其创建的样机可利用来自电子显微镜的光束和兼容探测器寻找小分子结构。

衍射模式被用于X射线结晶学的软件分析。“一切都是由此前存在的‘零件’构成。”Grune表示，“这真的只是系统的顺利集成。”

该团队利用这一设备寻找止痛药“扑热息痛”的结构。被分析的是由胶囊内部粉末形成的微小晶体。这些晶体仅有几微米长——比可用X射线衍射分析的晶体小很多。

在日前上传于预印本服务器ChemRxiv的第二篇论文中，Gonen团队采用MicroED技术破解了小分子而非蛋白质的结构。

Gonen介绍说，这种转变“微不足道”。主要的调整涉及样品准备：不像脆弱的蛋白质需要被小心翼翼地处理，在这种情形下，他要做的只是研磨药物粉末。

该团队利用MicroED的改编版本寻找包括“布洛芬”和抗癫痫药“卡马西平”在内的药物粉末结构。

这些晶体约有100纳米宽——体积是用于X射线结晶学的晶体的10亿分之一。同时，其结构可在不到30分钟的时间里被破解。

Rubinstein表示，一项已被用于其他领域的技术一直未被有机化学家广泛采用，实在是令人惊奇。“这种很好的解决办法几乎一直在人们的眼前。”Gonen将这种疏忽归咎于学科之间缺少沟通。他说，只有当他开始和化学家对话时，才意识到他们曾如此费尽心机地生长大晶体来分析小分子。“作为一名蛋白质结晶学家，我此前从未真的仔细想过小分子。”他说，“对于我们来说，小分子是我们试图消除的东西。”

激动和限制

此项技术引起了极大的兴趣，但也有一些限制。例如，一些小分子的三维结构导致了可能拥有不同化学效应的镜像分子，而利用电子衍射区分这些结构极具挑战性。

Grune表示，不同镜像结构的区分要求进一步开发分析软件。电子结晶学的一个显著应用是寻找用于药物研发的潜在候选者。

不过，Gonen表示，最新技术可能还有其他应用，比如快速识别某种物质至关重要的取证工作。

Grune对于其工作将鼓励硬件制造商创建专门用于电子结晶学的新设备非常乐观。

目前，研究人员往往依靠电子显微镜产生电子束，但它们非常昂贵，并且包括的组件比如镜头对于电子衍射并非必需。

同时，它们尚未得到优化，无法更好地同用于分析的其他设备“合作”。 Grune表示，有了专用设备，“人们只需要按个按钮，便可破解分子结构”。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1002/anie.201811318

https://doi.org/10.26434/chemrxiv.7215332.v1

《中国科学报》 (2018-11-07 第3版国际)

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透射电子显微镜（TEM）电子衍射技术在晶体结构分析中的三大应用

晶体材料由于具有有序结构而表现出许多独特的性质，成为特定的功能材料，制成器件广泛应用于微电子、自动控制、计算通讯、生物医疗等领域。功能晶体材料微观结构决定了材料的性质，所以解析材料微观结构一直以来都是科研的重点之一。

研究晶体结构通常的方法是 X-射线单晶衍射技术(SXRD, Single crystal X-ray diffraction)和 X-射线粉末衍射技术(PXRD, Powder X-ray diffraction)，科研人员应用此两项技术已经解析了数目非常庞大的晶体结构。然而 X-射线衍射技术对于解析的晶体大小有限制，即使是应用同步辐射光源也只能解析大于微米级的晶体，无法对纳米晶体的结构进行解析。

与X-射线相比，电子束因其波长较短和衍射较强，电子衍射在纳米晶体结构分析中的应用显得尤为重要，透射电镜既能高分辨成像纳米晶体，又能电子衍射分析纳米晶体材料，已经成为纳米晶体材料必不可少的一种研究手段，其中包括纳米结构生长方向的判定、对纳米晶体晶胞参数和原子排列结构进行了解析等等。

判断已知纳米结构的生长方向

在晶体结构的研究中，许多时候都要对它们的优势生长面和方向进行判断，特别是纳米线和纳米带的生长。晶体的电子衍射图在二维倒易平面上被放大，而在透射电镜上可以获得形貌，它们分别对应于倒易空间像和正空间像，正空间的一个晶面族(hkl)可用倒空间的一个倒易点 hkl 来表示，正空间的一个晶带[uvw]可用倒空间的一个倒易面(uvw)*来表示，对应关系如图 1 所示，在透射电镜中，电子束沿晶带轴的反方向入射到晶体中，受晶面族(h1k1l1)的衍射产生衍射斑(h1k1l1)，那么衍射斑与透射斑的连线垂直于晶面族(h1k1l1)，据此可判断晶体的优势生长面及生长方向。

具体方法如下：先拍形貌像并对相同部位进行电子衍射，从形貌像中寻找优势生长面并和电子衍射花样进行比较，寻找与透射斑连线在该晶面上的透射斑并对其校准，依据晶面指数转换生长方向。

如图 2 所示是判断一维纳米线的生长方向，首先对电子衍射进行标定，纳米线的优势生长面为与纳米线垂直的面，在电子衍射图上找出与此面垂直的透射斑与衍射斑的连线，确定优势生长面是(0-11)面，由于该物质是四方晶系，根据四方晶系的正倒易转换矩阵，将(0-11)面转换为生长方向[0-12]。

图 1 晶带正空间与倒空间对应关系图

图 2 某金属氧化物一维纳米线的透射电镜及电子衍射图

手动解析纳米晶体的晶体结构参数

如上所述，电子衍射图代表晶带轴倒易点阵，若允许晶体沿特定晶带轴转动，则仅能获得晶体结构的二维信息，得到一系列电子衍射花样可得若干晶带轴倒易点阵并可基于这些电子衍射花样及倾转角重建三维倒易点阵，由此可判断出未知结构所归属的晶系及其晶胞参数。

特定晶带轴一般选择最密排的点，有可能对应晶体的单胞参数，另外，在旋转晶体时是通过透射电镜的双倾台在两个相互垂直的方向上进行旋转，使晶体从一个晶带轴到另外一个晶带轴，最终的旋转角由两个方向的转角合成。

例如，利用该方法测定了实验室合成氧化锌纳米线晶体结构，先获得了正带轴上一幅电子衍射花样而没有倾转，再转动晶体而密排点不动，依次转到另外三个正带轴如图 3 所示，并通过 X， Y 倾转的角度合成出空间旋转角；如图 4 所示，以密排点阵为横坐标，分别旋转相应的角度做线，然后分别量出密排点阵与相邻点阵之间的倒易距离，据此距离在对应的线上画出对应的倒易点阵点，根据对称性画出其他点阵点，即重构出了氧化锌的三维倒易点阵；由倒易点阵的六次对称性可判断此纳米线为六方晶系，通过进一步计算得到其晶胞参数为 a=3Å, b=3Å,c=5Å, α=90º, β=90º,γ=120º。

图 3 氧化锌纳米线不同晶带轴的电子衍射花

图 4 氧化锌纳米线三维倒易空间的重构

这种方法需人工倾转试样，两方向相互配合转至正带轴上，转动时试样要回位，故要求操作者具有充分的工作经验，而需要耗费一段时间，对有机晶体等不耐电子束辐照的试样难以获得足够数量的正带轴电子衍射花样。此外，受人工获得衍射花样有限和存在电子衍射多重散射等动力学效应、作用，原子排列结构不能解析，一定要象X-射线单晶衍射仪一样能在采集大量衍射数据和合成自动标定的情况下，实现试样的自动倾转和原子结构排列信息的获取。

自动解析未知纳米晶体的原子结构

近年来，以瑞典斯德哥尔摩大学教授邹晓东为代表的科学家开发出一种自动采集电子衍射花样和分析纳米材料原子排列情况的方法，这几种方法均削弱了电子衍射的动力学效应，使电子衍射能够象X-射线单晶衍射那样解析晶体中原子排列结构。

这些方法主要包括旋进电子衍射(PED， Procession electron diffraction)及电子衍射三维重构(ADT, Automated diffraction tomograpHy; RED, Rotation electron diffraction)，已解析出沸石、金属有机骨架(MOFs, Metal-organic frameworks )、共价有机骨架(COFs, Covalent-organic frameworks )等多种纳米材料的原子排列结构。旋进电子衍射 PED 是采用类似 X-射线衍射中的旋进技术，只是试样不偏不倚，而把电子束以小角度偏斜，沿着和透射电镜光轴共轴的锥面对试样表面进行扫描，其间利用软件对每张电子衍射花样进行自动采集，并对其进行合并分析，这能够极大地降低多重散射，从而能够极大地降低动力学效应，使空间群的识别变得比较容易，通过衍射强度分析来揭示纳米材料原子排列结构。

已用这种方法解析了沸石如 MCM-22， SSZ-48， ITQ-40 等的晶体结构，如图 5 为 SSZ-48 三个晶带轴的电子衍射及由此得出的结构模型。现在，已有商业化的控制电子束旋进的硬件及配套的采集、分析衍射图的软件。

图 5 SSZ-48 三个晶带轴的电子衍射及结构模型

图 6 由 RED 重构的 ZIF-7 三维倒易空间点阵及经过精修后的结构模型

PED 技术通常是沿着晶体的某个晶带轴旋进，要求转正晶体的带轴，而电子衍射的三维重构技术 ADT 和 RED 是使样品进行大角度范围的倾转(通常﹣30º到 +30º )，无需转正晶体的带轴，可沿任意带轴进行数据采集，因此比 PED 技术更有优势。比如由邹晓东教授团队开发的 RED 技术是在控制测角台即样品旋转的同时，控制电子束的偏转，通常样品每转 2º－3º，电子束同时倾转 0.1º－0.4º，这样避免了动力学效应，应用软件在不到一个小时之内可采集上千张电子衍射图，之后再进行谱图融合、单胞确定、指数标定、强度提取等数据处理，之后可应用与 X-射线单晶解析相同的方法进行结构解析及精修，如图 6 为应用 RED 技术解析的一种 MOFs (ZIF-7)的结构。

由此可见，应用RED这种技术可将透射电镜发展成为能够解析纳米晶体未知结构的电子衍射仪，预计将在纳米晶体结构研究方面发挥非常重要作用。当然现在电子衍射解析晶体结构的主要问题之一就是电子束破坏试样，而破坏可以用低温等来削弱。