本文來自微信公衆号：X-MOLNews
“養單晶”是一個讓化學材料領域不少小夥伴都黯然神傷的話題。有多少人，論文資料就差一個單晶結構，卻被挑剔的審稿人貶的一無是處？有多少人，養單晶篩條件篩到發量銳減，卻被手裡細、碎、雜的微晶弄的懷疑人生？
這一切的根源其實都在于目前結構解析的“金标準”——單晶X-射線衍射（XRD）——對于樣品的高要求：尺寸大、缺陷少、足夠穩定且對輻射不敏感的單晶。這對于一些化合物來說，幾乎是不可能完成的任務。就比如近幾年被熱捧的無機有機雜化材料，往往隻能得到細碎的微晶，對稱性低還對輻射敏感，完全沒法上XRD。
近日，美國康涅狄格大學J. Nathan Hohman以及勞倫斯伯克利國家實驗室的Nicholas K. Sauter、Aaron S. Brewster等研究者報道了一種新方法——小分子串行飛秒X射線晶體學（small-molecule serial femtosecond X-ray crystallography, smSFX），結合高通量、飛秒脈沖的X射線自由電子雷射器（XFEL）以及新型資料處理算法，可獲得微晶金屬-有機材料的高分辨率結構。該方法不要求材料能耐受輻射，幾乎不需要制樣過程，還能在室溫和大氣壓條件下進行，理論上适用于所有微晶的結構解析。相關論文發表于Nature 雜志。
XFEL裝置的一部分。圖檔來源：University of Connecticut [1]
粉末衍射技術常被用于微晶結構研究，但由于樣品實際上是混雜在一起無數微晶，混雜物一起衍射，隻能得到混雜的電子密度資料，難以進行高分辨率解析。而串行飛秒晶體學（serial femtosecond crystallography, SFX）方法則不同，借助XFEL的高通量和飛秒脈沖，可實作“破壞前衍射（diffract before destruction）”，在單個亞微米晶體的單次幀中獲得衍射資料，也即所謂的“每個晶體打一次（single shot per crystal）”。舉個不太恰當的例子，粉末衍射好比是炮火覆寫射擊，一次打一大群，但效果如何難以評價；而SFX好比是定點打擊的精确武器，一次打一個，打一個收一次資料，一個一個順着來。總體看來，SFX具有不小的優勢，例如，單個微晶的資料收集持續時間隻在飛秒尺度，避免了輻射對微晶的破壞；資料收集可在室溫室壓下進行，無需冷凍無需真空；整個樣品的資料收集僅需幾分鐘，省時間省錢。
本文smSFX方法及三個研究對象的形貌。圖檔來源：Nature
但是，此前SFX用于化學領域晶體結構解析并非沒有挑戰，問題通常集中在晶胞測定和衍射圖譜标定上。傳統單晶XRD過程中，晶體在測角儀上旋轉，晶體取向矩陣可知；而在SFX過程中，懸浮液中每個晶體都是随機取向的，是以必須為每一幀單獨确定取向矩陣（下圖c）。在大分子SFX中，大晶胞每幀産生數十次反射，具有明顯的周期性，可以用傅裡葉方法進行标定。但與小分子SFX就不一樣了，小分子無機有機雜化材料每幀隻有 3-10 次反射，這種稀疏性需要使用不依賴于周期性的标定算法。本文作者團隊在這一問題上取得了重要的進展，在先進算法的幫助下（相關代碼及說明均已經公開）[2]，從XFEL資料合成高分辨率粉末衍射圖譜以确定晶胞，通過圖論方法對稀疏衍射圖譜進行标定生成資料集，再使用單晶衍射資料的标準工具來解析和精修即可獲得微晶樣品的高分辨率晶體結構。
由XFEL資料合成的粉末衍射圖譜。圖檔來源：Nature
本文研究的樣品是三種微晶金屬-有機雜化硫族化合物材料mithrene (AgSePh)、thiorene (AgSPh) 和 tethrene (AgTePh)。基于smSFX法，三種材料的結構均成功獲得。Mithrene 結構分辨率在1.2 Å，且與之前報道的單晶結構相一緻。
Mithrene 結構測定結果及此前報道的單晶結構（d）。圖檔來源：Nature
至于此前從未報道過晶體結構的thiorene 和 tethrene，基于smSFX法也獲得了1.35 Å 的高分辨率結構。進一步分析表明，thiorene材料所表現出的其他兩種材料不同的光電子性質，與其不同的Ag-Ag鍵合網絡有關。
三種材料晶體結構及Ag-Ag網絡。圖檔來源：Nature
以上結果表明，在接近環境溫度和壓力下，smSFX有望成為确定輻射敏感微晶材料結構的通用技術。而晶體學技術的進展，也有望幫助科學家從頭設計更好的材料。
PS：翻翻之前養不出單晶的實驗，看看還能不能用smSFX挽救一下？
Chemical crystallography by serial femtosecond X-ray diffraction
Elyse A. Schriber, Daniel W. Paley, Robert Bolotovsky, Daniel J. Rosenberg, Raymond G. Sierra, Andrew Aquila, Derek Mendez, Frédéric Poitevin, Johannes P. Blaschke, Asmit Bhowmick, Ryan P. Kelly, Mark Hunter, Brandon Hayes, Derek C. Popple, Matthew Yeung, Carina Pareja-Rivera, Stella Lisova, Kensuke Tono, Michihiro Sugahara, Shigeki Owada, Tevye Kuykendall, Kaiyuan Yao, P. James Schuck, Diego Solis-Ibarra, Nicholas K. Sauter, Aaron S. Brewster & J. Nathan Hohman Show fewer authors
Nature, 2022, 601, 360–365, DOI: 10.1038/s41586-021-04218-3
參考資料：
1. New X-Ray Technique Sees the Crystal in the Powder
https://today.uconn.edu/2022/01/new-x-ray-technique-sees-the-crystal-in-the-powder/
2. Code and instructions for diffraction data processing
https://github.com/cctbx/cctbx_project/tree/master/xfel/small_cell