金属有机框架（MOF）或多孔配位聚合物（PCP）代表了由金属和有机连接体之间的配位键构成的一系列多孔材料。MOF的无机和有机构筑单元的选择范围很广，还可使用网状化学来设计孔结构和功能，在催化、气体捕获、分离、能量存储和转换以及生物医学等各种应用中具有巨大潜力，是一个发展很快且备受关注的研究方向。值得注意的是，MOF的性质主要取决于其原子结构，了解MOF的晶体结构对于了解其物理和化学性质并确定其潜在应用具有重要意义。然而，受反应动力学和热力学的限制，通常难以生长足够大（5 × 5 × 5 μm3）和高质量的MOF晶体，以满足通过X射线衍射（SCXRD）进行单晶分析的需要。虽然粉末X射线衍射（PXRD）也被用于微小晶体的结构测定，包括使用直接法解析结构，以及Rietveld法精修结构，但结构分析往往很困难，对于那些具有大晶胞的MOF晶体尤其如此。此外，PXRD提供的是数百万个晶体的平均信息，这就使得解释来自包含多个相或结构变化的样品的数据变得极具挑战性。结构分析中的这些挑战已成为MOF材料发展的主要瓶颈。
近日，瑞典斯德哥尔摩大学的Zhehao Huang（黄哲昊）研究员、Xiaodong Zou（邹晓冬）教授及Hongyi Xu（徐弘毅）研究员发表论文，详细阐述了如何使用三维电子衍射（3D ED）确定纳米尺寸MOF晶体的结构。文中总结了一个详细的3D ED工作流程，用于MOF纳米晶体的结构分析，该流程包括样品制备、数据采集、数据处理和结构确定。在收集3D ED数据之前，可以通过PXRD筛选目标样品的结晶度。样品制备旨在获得用于单晶数据收集的分散良好的颗粒，同时保持MOF样品的完整性。3D ED的核心过程依赖于从纳米晶体中收集电子衍射数据。文中描述了推荐的显微镜设置和数据采集条件的详细信息，以优化数据质量。最后一步是使用3D ED数据获得目标纳米晶体的可靠结构模型。为此，本文使用可免费访问与使用的软件包，并且描述了基于3D ED数据的数据处理、结构解析和结构精修的关键参数。本指南整合了电子显微镜学家和晶体学家的基本知识，并为研究人员通过该方法研究纳米晶体（包括但不限于MOF）提供指导。相关工作近期在Nature Protocols 在线发表，第一作者为Taimin Yang（阳泰民），同时斯德哥尔摩大学的Tom Willhammar 研究员也参与了该课题。
电子与物质的相互作用比X射线强得多，因此可以用于对纳米晶体进行结构分析。基于这一原理，早在上世纪七十年代就有科学家利用透射电子显微镜（TEM）基于单晶电子衍射进行结构分析。然而，早期的工作中必须精确沿着正带轴手动收集电子衍射图案。收集和处理电子衍射数据的专业知识以及电子多重散射的出现，阻碍了该方法的广泛应用。后来的科学家开发了三维电子衍射（3D ED）来克服这一挑战。Kolb等开发了第一个被称为自动衍射断层扫描（ADT）的3D ED方法，该方法可由逐步测角仪旋转的单晶获取一系列电子衍射图。这后来与由硬件控制的电子束旋进相结合，实现倒易空间的精细采样。不久之后，Hovmöller等人开发了旋晶电子衍射（RED），利用软件控制的光束倾斜来获得精细采样。这些发展不仅显著简化和加快了数据收集过程，而且还可从任意方向的晶体中收集数据来减少动态效应，给结构分析带来了较大优势。虽然3D ED已成功应用于沸石和金属间化合物等无机材料的结构分析，但很少用于MOF的研究，这可能是因为MOF中的弱配位键更容易受到电子束损伤。新近发展的具有连续旋转设置的3D ED已经克服了这个缺点，这有些类似于单晶X射线衍射（SCXRD）中使用的旋转方法。本文提出的使用3D ED确定纳米尺寸MOF晶体结构的方法，具体步骤包括：样品制备（图1）、数据采集（图2-3）、数据处理（图4-5）、结构解析（图6-7）。
图4. 运用REDp的3D ED数据处理以及三维衍射晶格的可视化
图6. 运用SHELXT解析3D ED晶体结构的示例输入文件
图7. 运用SHELXL精修3D ED 晶体结构的示例输入文件文中描述的3D ED工作流程可以帮助建立可靠和全面的方法来获取原子级别的结构信息。除了确定MOF的框架结构外（确定结构骨架中原子位置），该流程还可以扩展到精细结构的研究，例如混合金属的位置、孔道中吸附的客体分子构型与排列以及分子在晶体结构中的振动。随着透射电镜的广泛应用，作者相信3D ED将为确定和分析纳米（亚微米）尺寸晶体的晶体结构提供关键基础，并可以加速新材料和化合物的发现。为了研究这些结构细节，例如混合金属的位置、客体分子和分子振动，首选具有高分辨率的数据。考虑到MOF的高电子束灵敏度，优化数据收集条件非常重要，包括光束强度、旋转速度、旋转范围和曝光时间。为了研究MOF中的客体物种，需要特别注意通过TEM中高真空对孔道中客体分子的影响，而在低温下冷却或急速冷冻样品通常可以减少甚至避免这种影响。3D ED方法并不限于MOF，对各种类型的纳米（亚微米）尺寸晶体材料的结构解析都有效，通过良好的样品制备和良好的数据质量可以获得大量结构信息。例如，3D ED已被广泛用于共价有机框架（COF）的结构研究中。此外，通过3D ED还确定了许多新型沸石的结构，揭示了它们的结构细节，例如有机结构导向剂（OSDA）的位置、硅铝原子的排列、磷铝原子的排列以及分子筛骨架中铝原子的配位数。此外，3D ED技术的性质使其成为有机化合物晶体（如药物化合物）的理想结构解析工具，这些有机晶体通常难以生长成大晶体。重要的精细结构信息也可以通过3D ED获得，例如氢原子位置和有机晶体的绝对构型（手性中心）。对于那些在脱水或除溶剂时构型会发生变化的化合物，可以使用冷冻电镜样品处理方法使样品结构避免受到电镜中真空环境的破坏。Single-Crystal Structure Determination of Nanosized Metal-Organic Frameworks by Three-Dimensional Electron DiffractionTaimin Yang, Tom Willhammar, Hongyi Xu*, Xiaodong Zou*, and Zhehao Huang*Nat. Protoc., 2022, DOI: 10.1038/s41596-022-00720-8https://www.zhehaohuang.com/https://www.x-mol.com/university/faculty/257829https://www.su.se/english/profiles/xzouhttps://www.x-mol.com/university/faculty/235951https://www.su.se/profiles/hxu
