马延航组Nat. Commun.：原位三维电子衍射—原子尺度展现晶体对环境刺激的响应

第一作者和单位：凌旸（上海科技大学）、孙凸（上海科技大学）

通讯作者和单位：马延航（上海科技大学）

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-34237-1

关键词：三维电子衍射，原位透射电镜，动态结构解析

在这项工作中，我们提出了环境三维电子衍射的技术，将微纳米单晶置于包括低温、加热、气氛和液体环境等各种条件下，并在低电子剂量条件和样品杆连续倾转模式下收集三维电子衍射数据。这些原有技术的有效结合克服了过去数据收集通常在高真空模式下的限制，并被证明是研究由各种环境刺激引起的结构转变的有效方法。文中除了高真空和已报道过的低温方法外，其他环境条件包括加热、气体和液体也已经在微芯片中实现。我们以典型的柔性金属有机框架(MOF)材料MIL-53为例，来展现环境三维电子衍射技术在原子尺度解析不同环境条件下的动态结构。

电子显微镜已广泛应用于蛋白质、药物和各种功能材料的结构分析。然而，一个经常被忽视的事实是，结构可能对外界环境或处理方式敏感，这将对结构确定和结构-性能关系带来不确定性。在此，我们开发了环境三维电子衍射，并演示了在低温、加热、气体和液体等各种环境条件下对微纳米级单晶的结构解析，实现了更真实地反映物质的结构。

通过煅烧去除孔隙内的游离对苯二甲酸分子后，MIL-53可以很容易地吸附空气中的H₂O分子并形成MIL-53lt相。当样品直接置于高真空透射电镜中 (<1×10-5 Pa)，得到的相(MIL-53lt-v, a = 6.69(3) Å， b = 17.11(4) Å， c = 12.21(4) Å， α = β = γ = 90°，空间群Imma)，与报道的空孔道相MIL-53ht相似，而不是带有客体水分子的MIL-53lt相。

为了稳定孔隙内的客体水分子，我们首先在样品制备中使用了快速冷冻方法(MIL-53lt-cryo，图2a)。此条件收集的三维电子衍射数据，确定晶胞参数为a = 19.55(8) Å， b = 15.01(3) Å， c = 6.655(10) Å， α = γ = 90°，β = 103.7(2)°，空间群P21/n(表1)。结果显示，得到的相也不同于报道的MIL-53lt相。从三维重构的衍射点中取hk0平面切片 (图3a )所示，两排强衍射点之间出现了额外的衍射点，这意味晶胞参数b与报道的值(7.612 Å)相比增加了一倍，对称性也发生了变化。

为了更贴近材料的实际工况条件，我们首次将气体环境引入MOF的三维电子衍射数据采集中。静态空气(0.1 MPa)被密封在原位气池中，形成MIL-53晶体周围的气体环境(MIL-53lt-gas(air)，图2b)。值得注意的是，在高能电子束辐照(~0.2 e^-Å^-2s^-1)下，衍射斑消失得很快，这表明MIL-53晶体发生了严重的电子束辐照损伤，无法收集有效的数据。在较低电子剂量条件下(~0.045 e^-Å^-2s^-1)，损伤明显减轻，普通的探测器在此剂量下信噪比很低，我们在本实验中用了探测敏感度很高的Cheetah 1800相机。同时，每组三维电子衍射数据均在1 min内高效收集。由于原位样品杆在透射电镜内部倾斜角度有限，单个数据集的完整性通常低于40%。因此，合并多个数据集以提高完整度是必要的。我们采集并合并了10套高质量的三维电子衍射数据获得了0.80 Å的分辨率和70.8%的完整性。MIL-53lt-gas (air)的晶胞参数确定为a = 19.55(2) Å， b = 7.81(2) Å， c = 6.62(2) Å， α = γ = 90°，β = 104.5(2)° (表1)，空间群为Cc，与文献报道的MIL-53lt结构一致。

我们对比了冷冻相MIL-53lt-cryo和气体相MIL-53lt-gas (air)，如图3所示。对于冷冻相，每个晶胞在通道中含有8个客体水分子。孔道内两个相邻氧原子(H₂O)位置之间的距离分别为3.198(7)Å或3.498(7)Å。而每个氧原子位点与框架中最接近的两个氧原子的距离分别为2.842(8)Å或2.857(8)Å(图3c)，说明可能存在氢键。在同一层中，垂直于[100]方向的两个最近的水分子柱沿着[001]方向相互交错(如1a-1b，或2a-2b)(图3d)。同时，[AlO₆]八面体的朝向也发生了轻微的变化。与冷冻相MIL-53l-cryo相比，在气体相MIL-53lt-gas(air)的三维衍射截面中，我们没有观察到多余的几排衍射点(图3b)。气体相的结果表明，一个单晶胞包含4个客体水分子，通道内部两个相邻氧原子位点(H₂O)之间的距离为3.33(1)Å，每个氧原子位点与框架中最接近的两个氧原子之间的距离为2.94(6)Å，这也表明可能存在氢键作用。此外，与MIL-53lt-cryo相比，MIL-53lt-gas(air)中的H₂O分子在各通道中均有规律分布，且[AlO₆]八面体沿[010]方向排列一致。这些结果表明，骨架和孔道的构型与骨架与水分子之间的主客体相互作用密切相关。

接着，我们用原位液体杆，收集到了MIL-53lt晶体的三维衍射数据。由于液层的存在带来糟糕的图像背景，我们并没有直接解出MIL-53lt-liquid (H₂O)的结构，而是用了课题组之前报道过的direct-space strategy得到了液相结构大概的电势分布。进一步，我们在液层的存在下用三维电子衍射直接解析了LTA的结构。

去除MIL-53as-made相孔道中游离的对苯二甲酸分子需要高温处理。透射电镜原位加热杆允许在电镜中加热样品(常温到1200℃)，加之电镜本身的高真空环境，形成了性能优异的“真空烘箱”。在我们的加热三维电子衍射实验中，温度从298 K以5 K/min的速率上升到603 K，并在603 K下保持2小时。在603 K收集了三维电子衍射数据(<1×10-5 Pa) (MIL-53as-ht-v)。三维电子衍射数据的分辨率达到0.81 Å，完整性达到99.7%。晶胞参数确定为a = 6.61(3) Å， b = 17.25(3) Å， c = 12.81(1) Å， α = β = γ = 90°。孔道中没有残余电势，表明客体对苯二甲酸分子被完全去除。待温度恢复到298 K后，再次采集三维电子衍射数据，所得相MIL-53as-ht-vrt (rt:高温，表1)。值得注意的是，与同样在高真空和室温条件下收集的MIL-53lt-v相比，经过热处理的MIL-53as-ht-vrt的三维电子衍射数据表现出尖锐的衍射斑点，没有弥散条纹。在此，我们猜测MIL-53lt-v的三维电子数据中观察到轻微的弥散条纹，可能是由于客体分子未完全去除而导致的结构紊乱。因此，在收集数据前，完全的活化处理对于准确解析多孔材料空孔道相结构非常必要。此外，我们还利用原位气体杆收集了高温气氛三维电子衍射数据。高温(603 K)、空气(0.1 MPa)条件的数据结果，得到类似于MIL-53as-ht-v的空孔道相(MIL-53lt-ht-gas)。

总结下来，利用透射电镜原位气体杆，我们可以用过控制气氛（0-0.1 Mpa）和温度(常温-1000℃)，动态追踪物质在吸脱附过程或者气相反应中的结构变化。原位加热杆(常温到1200℃)直接暴露在电镜的高真空环境中，充当“真空烘箱”，易于准确得到物质的活化相结构，对于理解物质的吸附起点结构有着重要的指导意义。冷冻杆能快速固定常温吸附的客体相，低温有助于提高样品在数据收集中的稳定性。此外，如何方便地控制液层厚度，以提高液体条件下数据的信噪比，是我们接下来要解决的问题。

Fig. 1 | Representation of environmental 3D electron diffraction and its application.(a) The crystals are placed into various environmental conditions, such as heating, cryogenic cooling (after plunge-freezing sample preparation), gas atmosphere and liquid environments, and 3D electron diffraction data are collected. (b) The application of environmental 3D electron diffraction in studying the flexible MOF microcrystals, MIL-53.

Note: * means the two initial samples prepared for TEM observations. The dashed line indicates a step carried out outside the TEM.

Fig. 2 | TEM images, environmental 3D ED data and determined structures from single crystals (MIL-53) under different conditions. The 3D ED data are projected along the (a-c) [010] and (d, e) [001] directions. Each projection is from a single 3D ED dataset without data merging. (a) MIL-53lt-cryo: the low temperature phase prepared by plunge-freezing and cryogenic transfer protocols. (b) MIL-53lt-gas (air): MIL-53lt in the static air (0.1 MPa). (c) MIL-53lt-liquid (H₂O): MIL-53lt covered with liquid water. (d) MIL-53as-v: the as-synthesized phase MIL-53as under high vacuum state. (e) MIL-53as-ht-v: the phase after calcination of MIL-53as at 603 K and high vacuum for 2 hours. Particles marked with blue dashed lines were used for collecting 3D ED data. White circles in diffraction data represent the resolution of 1 Å. Source data are provided as a Source Data file.

Fig. 3 | Comparison of two structures obtained from crystals under different environments. (a, b) The slices at hk0 plane cut from reconstructed reciprocal lattice of data of (a) MIL-53lt-cryo and (b) MIL-53lt-gas (air). Compared with (b), extra reflections can be clearly observed in (a) as shown in the dashed boxes, indicating the structural change after the cryogenic sample preparation. For a better display, reflection intensities are 0.8 power of original values. (c) Overlap of two structures of MIL-53lt-cryo (blue) and MIL-53lt-gas (air) (pink). The inset shows possible hydrogen bonds between oxygen sites (guest H₂O molecules) and bridging oxygen atoms in the framework, distances of which are 2.86 Å or 2.84 Å for MIL-53lt-cryo and 2.94 Å for MIL-53lt-gas (air). The frameworks and sites of H₂O in the channels are slightly different. a_p indicates the projected direction of the a-axis. (d, e) The different arrangements of guest H₂O

Table 1 Sample preparation procedures, space group and unit cell parameters of different phases of MIL-53 obtained from environmental 3DED data

心得与展望

原位透射电子显微镜的研究近年来日益火爆，优秀的成果不断涌现。绝大多数工作都是基于实空间成像（HRTEM，STEM），而此项工作建立在倒易空间，从电子衍射层面解释晶体结构的动态变化。由于原位透射电镜液体或气体芯片封装的尺寸限制（1um，5um等），且观察区域较普通碳膜小，样品需要尺寸合适、不易聚集和结晶良好等。多孔材料大多为对电子束敏感的一类材料，气体或液体环境的引入增加了样品在电子束下损伤的风险，因此电子衍射数据的收集需要在极低电子剂量下高效完成。综合看来，此项工作克服了种种困难，初步实现了多环境状态下的结构判定，对理解气体吸附晶体学有着重要的意义。我们团队将继续深入开发，提升技术的完整度和普适性。

相关研究成果：

Wu, S. et al. In Situ Three-Dimensional Electron Diffraction for Probing Structural Transformations of Single Nanocrystals. Chemistry of Materials 34, 8119–8126 (2022).

马延航 上海科技大学物质科学与技术学院长聘副教授（tenured），国家优秀青年科学基金获得者。2011年毕业于上海交通大学，获得应用化学学士学位，2016年毕业于瑞典斯德哥尔摩大学，获博士学位。2016年7月加入上海科技大学，任PI，博士生导师。共发表文章70余篇，其中以通讯作者、第一作者或共同第一作者在Science, Nature Materials, Nature Communications, Journal of the American Chemical Society, Angew Chem Int Ed等期刊发表文章30余篇，申请专利2项。担任JACS等期刊的审稿人。主持或参与国家自然科学基金面上和重点项目等。