作者：孙千 本文转载自公众号：老千和他的朋友们。原文地址：https://mp.weixin.qq.com/s/8kMaNeyRedZpHXfhG6RFcw
氢原子只有一个质子和一个电子，看似简单，却决定着许多化学和生物过程的走向。但也正因为它的电子太少，即使用大晶体做 X 射线衍射实验，也很难直接观测到它。如果样品是多晶材料 —— 也就是由无数微米级小晶粒组成的材料，单个体积不到 100 立方微米 —— 只能用粉末衍射法，这时要探测氢原子就几乎不可能，除非把所有氢换成重氢（氘）做特殊处理。
Palatinus 团队报道了一项突破：他们用三维电子衍射数据（Electron diffraction，Tomography ，EDT）和旋进电子衍射（Precession Electron Diffraction，PED），结合一种能处理多次散射效应的结构精修算法，直接在亚微米级的小晶体里找到了氢原子的位置。用这种旋进电子衍射断层技术（Precession Electron Diffraction Tomography，PEDT）方法，从百万分之一立方微米的小晶体上得到的结构细节，精度能和传统 X 射线衍射用一立方毫米大晶体得到的结果相当。
这篇论文的最大突破是首次将动力学精修与 PEDT 结合，实现了单纳米晶体中氢原子的直接定位
X 射线衍射中，原子散射 X 射线的能力和原子序数成正比。氢是最轻的元素，散射能力最弱，所以通常只能根据和它相连的重原子位置，间接推算氢在哪里，没法直接测定。但许多多晶材料的性能，恰恰由氢原子的位置决定：比如药物分子的溶解性靠氢键，石油化工里固体酸催化剂的反应活性位点，也由氢离子的位置决定。
两种衍射的区别
电子和物质的相互作用，比 X 射线强得多。
X 射线穿过晶体时，通常只发生一次散射，这个过程叫运动学（kinematical）散射，计算衍射强度的方法相对简单。但电子穿过晶体时，会和原子发生多次散射，这个过程叫动力学（dynamical）散射，要准确计算衍射强度就非常难。晶体越厚，多次散射越明显，做电子衍射的理想厚度是 50 纳米以下；晶体取向也有影响，要尽量避开同时产生大量强衍射的角度。
过去十多年，电子显微镜的控制软件进步，能连续旋转晶体、收集完整的三维电子衍射数据，这项技术才真正用于结构分析。在此之前，电子衍射只能拍二维的衍射图案，主要用来算晶胞大小、判断对称性，很少真的用来解完整的晶体结构。电子和物质作用强，好处是能看极小的晶体，坏处就是散射过程太复杂。
1994 年有人发明了旋进电子衍射技术（PED），用来减少动力学散射的影响：让电子束先偏离中心轴，再绕着光轴慢慢旋进，这样同一时间只有少数几个衍射被激发，多次散射的概率就大幅降低了。但这项技术又过了十年才有商用的电镜附件。后来人们把旋进电子衍射和晶体旋转结合起来，收集三维数据，已经解出了很多新的晶体结构。
目前的三维电子衍射数据，运动学特征足够解出基本的原子骨架，但做不了高精度的精修 —— 也就是没法确定每个原子的精确位置。之前用动力学理论做精修，都只能处理二维的取向衍射图。直到 2015 年，Palatinus 团队提出了能处理三维旋进电子衍射数据的算法，在多种结构上验证成功。
这次他们把算法进一步优化，不仅能精修结构，精度还高到能分辨氢原子的位置。他们用两种材料做了验证：一种是对电子束很敏感的有机材料 C₈H₉NO₂，另一种是部分无序的无机材料 Co₁.₂₂Al₂P₄O₂₀H₁₁.₅₆，都成功找到了氢原子。
在对电子束敏感的有机药物II 型对乙酰氨基酚中，定位了所有氢原子，差值势图中氢原子的峰高达到 3.73σ-5.82σ（显著高于噪声水平 3.14σ）。
在无机骨架材料磷酸铝钴（CAP）中，甚至检测到了部分占据（50%、74% 占有率）和无序分布的氢原子，这是传统 X 射线衍射都无法做到的
能直接 “看到” 氢原子，意味着亚微米级晶体里原子排列的其他细微细节也能分辨。这项进展让小晶体电子衍射的结构分析精度，又向大晶体 X 射线衍射迈进了一大步。以后不管是学术研究还是工业应用，各种多晶材料的结构都能用这个方法更准确地解析。过去五十年，X 射线衍射让我们看清了无数材料的结构和性能的关系；接下来，电子衍射也会带来同样丰富的新发现。
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技术 |
核心局限 |
PEDT 的解决方式 |
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单晶 X 射线衍射（SCXRD） |
需要尺寸≥10μm 的大单晶，无法分析纳米晶 |
仅需尺寸≥100nm 的单纳米晶体，甚至更小 |
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粉末 X 射线 / 中子衍射 |
衍射峰严重重叠，多相样品难以解析，无法区分无序结构 |
单颗粒分析，无峰重叠问题，可检测局域无序 |
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传统电子衍射 |
采用运动学衍射理论精修，忽略多次散射，结构精度低，无法检测氢原子 |
结合动力学精修，准确计算电子多次散射的强度，精度达到 SCXRD 水平 |
PEDT主要应用场景
PEDT 特别适合传统衍射技术无法分析的材料体系：
- 药物分子：多数药物只能得到纳米晶，且对电子束敏感
- 多孔材料（沸石、MOFs）：晶体尺寸小，且氢原子 / 水分子直接影响催化和吸附性能
- 催化剂：活性位点通常在纳米尺度，结构与性能直接相关
- 高分子、蛋白质等生物大分子：对电子束敏感，难以形成大单晶
- 矿物、陶瓷等无机材料：天然或合成产物多为微纳晶
参考文献
Lynne B. McCusker ,Electron diffraction and the hydrogen atom.Science355,136-136(2017).
L. Palatinus et al. ,Hydrogen positions in single nanocrystals revealed by electron diffraction.Science355,166-169(2017).
