单个小分子的原子成像将为化学键和分子间相互作用提供新的理解。特别是对于多孔材料中的催化和吸附，显示小分子和多孔结构之间的主客体相互作用对于研究这些应用中的各种分子行为具有重要意义。电子显微镜有望实现具有原子分辨率的晶格结构的真实空间表征，这也应适用于小分子成像。尽管低剂量成像方法的最新进展表明，通过电子显微镜观察小分子在技术上是可行的，但为了对化学有更深入的了解，对其进行原子解析仍然具有挑战性。尽管低剂量电子显微镜已被证明可有效观察小分子，但它尚未帮助我们对多孔材料（如沸石）中单分子的基本物理和化学有原子理解。与酸位相互作用的小分子结构决定了沸石在催化、吸附、气体分离和能量存储中的广泛应用。
基于此，清华大学陈晓、魏飞团队报道了他们利用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。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，他们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。相关论文以” tomic imaging of zeolite-confined single molecules by electron microscopy”发表在Nature.
借助iDPC-STEM技术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，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。
图文解析
iDPC-STEM
图1. 通过主客体相互作用对小分子进行iDPC成像的策略。
图1a显示了ZSM-5和iDPC STEM成像中吡啶的原位吸附/脱附示意图。ZSM-5中的T（Si或Al）和O位将形成尺寸为5.5Å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，这些薄区域的空ZSM-5直通道可以在[010]投影中原子成像。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%吡啶和98.5%N2）中的ZSM-5通道中饱和时，大多数吡啶被纯范德华相互作用吸附和限制。对ZSM-5的单个单元中的非等效O位进行了编号，对于O1处的酸位，质子化吡啶显示出具有环状结构的近水平构型。少量近水平吡啶构型仅隐藏在垂直构型的重叠对比中。只有通过在真空中在200°C下加热样品，去除通过纯范德华相互作用吸附的吡啶，才能最终成像与酸位点结合更牢固的左吡啶的近水平构型。
iDPC-STEM
图2.吡啶在ZSM-5中吸附和脱附行为的原位成像。
iDPC STEM图像是在ZSM-5晶体的同一区域附近拍摄的。图2a显示了气体引入前第1阶段具有空通道的ZSM-5。图2b反映了在200°C和100 torr下第2阶段ZSM-5中吡啶的饱和吸附。在这个阶段，垂直吡啶的重叠对比是明显的。图2c、d是在第3阶段以3分钟的时间间隔连续拍摄的两幅图像。在吡啶脱附过程中，吡啶特征的对比度降低，并且再次观察到空通道，表明内部吡啶被去除。环结构出现在一些代表近水平吡啶构型的通道中，这些通道在第3阶段通过更强的酸碱键稳定。吡啶从液相吸附到ZSM-5通道中。在200°C下加热后，明显有更多的空通道和更多具有近水平吡啶的通道。
iDPC-STEM
图3.在ZSM-5中原子分解单个吡啶分子。
他们选择具有完美环特征的吡啶构型的高斯滤波图像来进一步分析其原子结构。用六个红点标出C或N原子在该吡啶中的投影位置。在该结构中，酸位位于O2（T1和T2之间的O原子）。他们使用实验和模拟图像的轮廓分析来解析这种吡啶结构。吡啶构型的测定提供了酸中心的最可能位置，但不能完全排除其他可能性。主要技术限制之一是无法以如此高的分辨率识别图像中吡啶中的N元素。由于iDPC STEM图像的强度大致与原子序数成正比，因此用原子序数较大的活性位点替换N原子（Z=7）可以直接将该活性位点与图像中的其他C原子（Z=6）区分开来。
iDPC-STEM
图4. 在ZSM-5中单个噻吩分子成像以识别酸位点。
为了充分说明成像方法的可扩展性和进一步应用，他们尝试可视化另一个探针分子噻吩，以研究S原子与酸中心之间的强键。图4a显示了噻吩在ZSM-5通道中的一种模拟配置。由于定向相互作用，原子序数明显大于C原子的S原子（Z=16）指向酸性位点。因此，可以通过图像对比度仅定位单个S原子来研究酸位，而不必定位所有原子。图4b显示了噻吩/ZSM-5样品的iDPC干图像。在这些iDPC STEM图像中，可以识别环形结构中的S原子并精确定位。他们试图通过高分辨率图像中单分子和原子的直接结构识别并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。但是在这样的电子剂量下，泊松噪声对超薄样品的影响不能忽略。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，但仍存在问题需要进一步详细分析。尽管如此，这项工作代表着电子显微镜的一项重要技术突破，也是通过实空间成像方法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。这些相互作用和行为可以在室温下甚至更高温度下进行原位成像在这些实验中，它们的构型确实更接近它们在催化、吸附、气体分离和储能方面的真实状态。它将极大地扩展电子显微镜的应用，使单个小分子可视化，以显示这些重要单元过程中的分子机制。
EDS？还是EELS？ 
