2021年4月21日，清华大学魏飞教授团队在Nature发文”A single-molecule van der Waals compass”，采用积分差分相位衬度扫描透射电子显微技术(iDPC-STEM)，成功实现单个对二甲苯(PX)分子在准二维ZSM-5分子筛骨架内的直接成像。2022年4月28日，魏飞教授团队再次在Science发文”In situ imaging of the sorption-induced subcell topological flexibility of a rigid zeolite framework”，再次通过iDPC-STEM成像技术实时原位观测ZSM-5分子筛的苯分子吸附-脱附过程，吸附分子的形貌变化、分子筛的形貌变化。

今日，魏飞教授团队再次于Nature发文“Atomic imaging of zeolite-confined single molecules by electron microscopy”，报道了他们利用iDPC-STEM技术在沸石限域单分子的原子级成像研究方面的重要发现。

本文在前期积分差分相位衬度扫描透射电子显微技术(iDPC-STEM)的研究基础上，直接观察原位气氛下吡啶和噻吩分子于ZSM-5中的吸附和脱附行为，实现沸石ZSM-5通道中限域单个吡啶和噻吩分子的原子级成像。将成像结果与计算结果进行比较后，可以对单吡啶分子的吸附构型进行原子级解析，并定位噻吩中的S原子，以实现分子和酸位点之间强相互作用在真实空间图像中的可视化。

第一作者：Boyuan Shen、Huiqiu Wang、Hao Xiong

通讯作者：魏飞教授、陈晓博士

通讯单位：清华大学

DOI: 10.1038/s41586-022-04876-x

亮点解析

小分子iDPC-STEM成像技术

如图1a所示，为吡啶在ZSM-5中的原位吸附/脱附示意图及iDPC-STEM成像。其中，ZSM-5中的T (Si或Al)位点和O位点形成尺寸为5.5 Å的交联直通道和正弦通道，每个通道中只能包含一个芳香环。在iDPC-STEM的基础上，薄区域的空ZSM-5直通道可以在[010]投影中实现原子级成像(图1b)。同时，样品的Si/Al比约为200，表明ZSM-5骨架中只有少量的酸(Al)位点。因此，吡啶的大多数吸附位点仅由Si和O原子构建，没有酸(Al)位点。当吡啶在原位气室(200 °C, 100 torr, 气体: 1.5%的吡啶和98.5%的N2)的ZSM-5通道中饱和时，大多数吡啶被范德华相互作用吸附和限域。图1c显示出原位吸附后ZSM-5通道中垂直吡啶的iDPC-STEM图，通道中出现的纺锤形特征反映出沿着通道的吡啶柱(3-5个吡啶)。

图1. 通过主客体相互作用实现小分子的iDPC-STEM成像技术。

吡啶在ZSM-5中吸附和脱附行为的原位成像

为进一步证明该方法的可靠性，作者将环境系统与STEM相结合，实现吡啶在ZSM-5中吸附和脱附过程的原位成像。在原位测试实验中，首先研究空ZSM-5(称为第1阶段)。随后，将1.5%吡啶和98.5% N2的气体混合物引入5 min，使得吡啶填充通道(称为第2阶段)。最后，在停止气流后，吡啶逐渐从ZSM-5中脱附(称为第3阶段)。图2a为气体引入前第1阶段具有空通道的ZSM-5；图2b为在200 °C和100 torr下第2阶段ZSM-5中吡啶的饱和吸附；图2c-d是在第3阶段以3 min的时间间隔连续拍摄的两幅图像。

图2. 吡啶在ZSM-5中吸附和脱附行为的原位成像。

在吡啶脱附的过程中，作者发现吡啶的特征对比度出现降低，并且再次观察到空ZSM-5通道，表明ZSM-5内部的吡啶被去除。在一些通道中出现的环结构代表着近水平的吡啶构型，其通过第3阶段的强酸-碱键以稳定。随后，作者选择四个通道(由图2a-d中的彩色圆圈标记)以跟踪限域吡啶构型的变化，放大后的图像如图2e所示。红圈和黄圈中的通道在早期或晚期显示出清晰的环状结构，其尺寸与芳香环中相对原子之间的理论距离(2.73–2.77 Å)一致。在图2c之前，青色通道中的吡啶被脱附；而在图2d时，蓝色通道中仍留有一些吡啶(但对比度低于开始时)。

ZSM-5中单个吡啶分子的原子级解析

如图3a所示，作者选择具有完美环特征吡啶构型的高斯滤波图像以进一步分析其原子结构，并用六个红点标出C或N原子在该吡啶中的投影位置(图3b)。为证实这种吡啶结构，作者计算出在十个不同O原子上设置酸位点时单个吡啶分子的可能构型。研究发现，计算出的结构接近实验观察到的结果，对应的模拟iDPC-STEM图如图3c-d所示。在该结构中，酸位点位于O2 (T1和T2之间的O原子)。基于吡啶中的原子坐标的计算测定，作者得出模型(其x轴、y轴和坐标原点(x = 0, y = 0)如图3b-c所示)。与实验结果相比，模型中的原子坐标在2个像素内仅显示出轻微误差(图3e)。图3f中的最小二乘拟合提供了所有模型中六个原子的位置误差，其中当酸位点设置为O2时误差最小。

图3. ZSM-5中单个吡啶分子的原子级解析。

在ZSM-5中的单个噻吩分子成像以识别酸位点

如图4a所示，为噻吩在ZSM-5通道中的一种模拟构型。在所有这些模型中，得益于定向相互作用，原子序数明显大于C原子的S原子(Z = 16)指向酸位点。因此，可以通过图像对比度仅定位单个S原子以研究酸位点，而不必定位所有原子。图4b为噻吩/ZSM-5样品的iDPC-STEM图，并选择两个由红色和蓝色框标记的通道作为示例，以分析噻吩和酸位点之间的相互作用(如图4c-d所示)。在这些iDPC-STEM图中，可以轻易地识别环形结构中的S原子，因为它们的强度更高。如图4e的强度分布所示，S原子的峰值与C原子的峰值相比形成明显的强度差异，因此可以在这些图中精确定位。根据图4f中S位置的计算误差，作者选择两种可能的噻吩构型(酸位点在O19和O8)，其最接近图4c-d的实验观察结果，相应的模型和模拟iDPC-STEM图如图4g-h所示。

图4. 在ZSM-5中的单个噻吩分子成像以识别酸位点。

结论与展望

在该研究中，作者采用完整的原位实验和单个静态图像的详细分析以证明iDPC-STEM用于原子级单分子成像的有效性。通过高分辨率图像中单分子和原子的直接结构识别，作者试图直观地了解小分子在多孔沸石中的吸附行为和主客体相互作用。正如作者在文中强调的那样，在所有通道中观察限域分子的构型以获得基于大量数据的统计结果仍然还有很长的路要走，因为泊松噪声对超薄样品的影响是不能忽略的。虽然定位噻吩中S原子的方法可以在一定程度上降低对图像信噪比的要求，但仍存在着问题需要进一步详细分析。因此，必须进一步考虑如何平衡电子剂量和信噪比，或者开发一条新的途径来解决两者之间的矛盾。

尽管如此，该研究仍代表着电子显微镜领域的一项重要技术突破，也是通过实空间成像策略研究多孔材料中主客体相互作用和单分子行为的坚实一步。值得注意的是，在原位实验中，这些相互作用和行为可以在室温甚至更高的温度下成像，其构型更接近在催化、吸附、气体分离和能量存储应用中的真实状态。该研究将极大地拓展电子显微镜的应用，使单个小分子可视化，以显示其在上述重要应用过程中的分子机制。

文献来源

Boyuan Shen, Huiqiu Wang, Hao Xiong, Xiao Chen, Eric G. T. Bosch, Ivan Lazić, Weizhong Qian, Fei Wei. Atomic imaging of zeolite-confined single molecules by electron microscopy. Nature. 2022. DOI: 10.1038/s41586-022-04876-x.

文献链接：https://doi.org/10.1038/s41586-022-04876-x