冷冻透射电子显微镜（cryo-TEM）在化学材料领域的应用——综述推荐

总结：本文以中国科学院化学研究所冷冻电镜平台的研究成果为基础，介绍了冷冻透射电子显微镜（cryo-TEM）技术的发展背景、核心优势，以及其在化学材料领域的六大典型应用（不耐电子束损伤材料高分辨表征、三维电子衍射解析微纳晶体结构、液相样品精细结构分析、EELS成分与电子结构研究、电子断层三维重构、单颗粒重构解析蛋白结构），并结合具体案例（如MOFs/COFs材料表征、锂电池SEI层分析、GDY@PtCu催化剂三维结构重构）阐述技术落地路径。

读者可系统学习到Cryo-TEM针对不同类型材料（电子束敏感材料、液相样品、复合材料）的表征策略与参数优化方法，了解Cryo-TEM技术在材料结构-性能关联研究中的核心价值及未来发展方向（如iDPC-STEM、快速冷冻制样），为化学材料领域的高分辨表征实验与机理研究提供实用参考。

冷冻透射电子显微镜技术在化学材料领域的应用

背景介绍

冷冻透射电子显微镜（cryo-TEM），是用于透射电镜的超低温冷冻制样及传输技术，可实现直接观察液体、半液体及对电子束敏感的样品，如生物、高分子材料等。冷冻电镜技术自二十世纪七十年代提出，经过四十余年发展已逐渐成熟，冷冻电镜技术的发展特别是近年来的突破，为结构生物学研究提供了更有力而丰富的手段，对于药物筛选和创新研发的作用也日益受到重视。2017年，雅克·杜波切、约阿希姆·弗兰克和理查德·亨德森三位科学巨匠共同获得诺贝尔化学奖，这也再次将冷冻电镜在微观领域的突破推向发展的风口浪尖。除了生命领域，cryo-TEM技术在化学、材料、能源等研究领域的应用也解决了一系列挑战性的问题。金属有机框架、共价有机框架、沸石、有机晶体等新兴材料极易被电子束辐照损伤产生缺陷或结构完全改变，常规电子显微镜难以表征其本征结构，cryo-TEM技术通过结合低温冷冻、低剂量及直接电子探测相机等解决了上述难题，为此类材料的高分辨结构及成分研究提供了可能。

近日，中国科学院化学研究所分析测试中心电镜室在《分析测试技术与仪器》期刊发表了题为“冷冻透射电子显微镜技术在化学材料领域的应用”的综述，总结了中国科学院化学研究所冷冻电镜平台的特色功能，以及基于该平台开展的在化学领域分子材料研究中的典型应用工作，如图1所示，包括不耐电子束损伤材料的高分辨结构表征、三维电子衍射技术解析微纳晶体结构、液相样品的精细结构表征、电子能量损失谱分析、电子断层三维重构、单颗粒重构技术解析蛋白结构，并结合新技术展望了冷冻电镜技术在化学领域未来的应用前景。

图1　中国科学院化学研究所应用cryo-TEM技术在分子科学领域开展的应用方向

内容介绍

1. 不耐电子束损伤材料的高分辨结构表征

介绍了cryo-TEM技术在化学材料领域中对不耐电子束损伤材料的高分辨结构表征的应用。通过低温保护、低剂量电子束照射和直接电子相机技术，cryo-TEM有效减少了电子束对材料的辐照损伤，成功获取了金属-有机框架材料（MOFs）、共价有机框架材料（COFs）、氢键有机框架材料（HOFs）、电池材料等电子束敏感材料的高分辨图像，揭示了这些材料的内部结构和化学性质。

2. 三维电子衍射技术解析微纳晶体结构

介绍了三维电子衍射技术在解析微纳晶体结构中的应用，特别是针对电子束敏感的有机微纳晶体材料，如MOFs、COFs和药物小分子晶体等。通过改进制样方法、应用冷冻条件和优化辐照电子剂量等措施，成功解析了多种电子束敏感材料的原子级精细结构。此外，以Co-THBQ纳米颗粒为例，展示了利用cryo-TEM技术，收集三维电子衍射数据并解析其晶体结构过程。

3. 液相样品的精细结构表征

介绍了cryo-TEM在液相样品精细结构表征中的应用。通过快速冷冻固定技术，cryo-TEM能够保持样品的原始状态，减少电子束损伤，并成功应用于多种有机溶剂和水相化学体系的微观结构研究。具体案例包括聚合物太阳能电池材料在溶液中的预聚集行为和纳米颗粒的微观结构分析，展示了cryo-TEM在化学材料领域的重要价值。

4. 电子能量损失谱分析

介绍了cryo-TEM结合电子能量损失谱（EELS）在化学材料领域的应用。EELS技术能够分析材料的化学成分、价态和电子结构，特别适用于轻元素如C、N、O和Li的分析。在锂离子电池研究中，该技术能精确确定金属离子在阳极固态电解质界面（SEI）中的分布，有助于理解SEI的结构与性质及其对电池性能的影响。此外，EELS还被用于分析电池材料、新型碳材料和环境催化剂等，为这些材料优异性能的机理研究提供了重要数据支持。

5. 电子断层三维重构

介绍了cryo-TEM技术在电子断层三维重构中的应用。通过样品倾转和系列角度图像收集，结合三维重构算法，成功获得了多种复合材料的高分辨三维结构，如石墨炔纳米管@铂铜（GDY@PtCu）催化剂颗粒体系。这些研究为材料设计和性能调控提供了不可或缺的数据支撑。

6. 单颗粒重构技术解析蛋白结构

介绍了cryo-TEM中单颗粒重构技术（SPA）在解析蛋白质结构中的应用。通过快速冷冻技术固定蛋白样品，对大量蛋白颗粒进行成像并分类叠加，最终重构出蛋白质的三维高分辨结构。以铁蛋白为例，展示了其cryo-TEM图像、三维重构图及重构结果的傅里叶壳层相关曲线，结构分辨率达到0.325 nm。此外，还介绍了课题组自主设计研发的自动加注液氮装置，该装置实现长时间自动数据采集。

总结与展望