研究亮點：
報導了一種冷凍電鏡(cryoEM)方法——微電子衍射(MicroED)技術用於對有機小分子進行簡便、準確的結構測定。
分子結構測定技術的發展及挑戰
分子結構的測定在化學的發展歷程中一直以來都佔有極其重要的地位。好奇心驅動著化學家們不斷追求更精確的分子結構測定方法。在過去的一百多年裡，化學家們已經開發出多種測定分子結構的技術手段，比如旋光、紫外、紅外、圓二色譜和質譜等，極大的促進了合成化學的發展。但這些技術對更精確的分子結構確定仍然無能為力。直到五十年前，核磁技術的開發與應用為有機化學家們帶來了曙光，可以說，核磁技術顛覆了人們對於分子結構的認知，不論在傳統的合成化學領域還是現代化學中更為複雜的天然產物化學中都發揮出了舉足輕重的作用。
隨著倫琴發現了X射線以及勞埃發現了X射線衍射現象，人們認識微觀世界的手段被極大豐富，在發展了近百年的今天，其重要性依舊，在化學、分子生物學、藥學、物理學以及材料學等領域發揮了重要作用。單晶X-射線衍射技術的優點在於其可以提供極為精確的結構信息，包括晶胞參數、精系、空間群、原子的三維分布、成鍵、電子分布、分子構型和構象以及絕對構型等一系列信息，準確直觀，具有極強的權威性。
然而，單晶X-射線衍射技術的使用前提是需要合適的高質量單晶，而要想獲得符合要求的單晶，不僅需要大量的實驗技巧，而且往往伴隨著一定的運氣。因此，儘管該技術提供的結構信息目前來說是遠遠超越其它表徵手段的，但是如何對一些難以形成單晶的分子進行快速準確的結構測定仍然是亟待解決的難題。
成果簡介
有鑑於此，加州大學洛杉磯分校Hosea M. Nelson、Jose A. Rodriguez、Tamir Gonen以及加州理工學院Brian M. Stoltz等人報導了一種微電子衍射技術(MicroED)(一種冷凍電鏡方法)用於有機分子的結構確定。
該方法理論上僅需要極少量(10-15 g)樣品，制樣和測試過程方便，且對樣品要求不高，甚至經過矽膠柱提純的樣品都可以直接用於測試。最重要的是該手段可以獲得高於1 的原子級解析度，可以精確的確定各原子的位置以及鍵長鍵角等信息。該技術有望進一步促進合成化學、天然產物化學以及藥物化學等領域的發展。
要點1：微電子衍射技術實驗流程
以天然的類固醇類化合物黃體酮的分子結構測定為例，如圖1所示，將粉末狀的黃體酮樣品直接從樣品瓶中取出置於玻璃片上，再用另一片玻璃片摩擦使樣品均勻分散，再轉移至多洞的碳銅網上，將其冷卻至液氮溫度，在200 KV的加速電壓下，用低溫顯微鏡進行觀察發現有幾千個樣品顆粒可供選擇測試。通常來說，絕大部分的樣品顆粒均可以獲得解析度高於1 的衍射數據。
通過不斷的旋轉樣品臺，可以收集到140度的衍射數據。一般來說，樣品臺的旋轉速度為0.6度每秒，因此收集一套完整數據的時間約為3分鐘左右。再通過XDS軟體即可對數據進行解析。總的來說，從樣品製備到數據收集完成，僅需30分鐘左右。
要點2：各類樣品中的結構解析
同時，該技術也被用來測定更多更複雜天然產物分子的分子結構，如圖2A所示，均獲得了較好的解析度，從而表明了該技術在確定分子結構上的普適性。進一步，對於一些僅能通過矽膠色譜分離的分子來說，是否可以通過該技術來測定其分子結構呢?答案是可以的。如圖2A中的樣品10 和11，它們均是通過柱色譜分離後旋幹獲得的粉末，利用該技術均可以獲得較好的解析度，甚至還可以獲得明確的氫原子位置信息(圖2C)。
在確定物質分子結構的過程中，最為困難的是對樣品的提純。無論是早期的分子結構確定技術還是現代的X-射線單晶衍射技術，均需要樣品具有極好的相純度。而在微電子衍射技術中，不僅對樣品的純度並沒有很高的要求，甚至可以在一次操作中確定混合物中的各組分的精確結構。如圖3所示，將樣品4,6,8,9混合制樣，對樣品分別收集數據，即可獲得四套獨立的數據，從而解析獲得四套獨立的分子結構。
圖. 異相混合物樣品中各組分結構的確定。
小結與展望
微電子衍射技術(MicroED)最早是用來獲得蛋白質樣品原子級解析度的技術手段，現在被證明可以用於小分子以及複雜天然產物分子的結構測定。被測樣品僅需在極低密度的電子束(通常小於0.01 e-/2/s)照射下即可獲得較為理想的衍射數據，時間快，對樣品的損傷很小，具有極好的應用前景。未來有望進一步拓展並用於多維複雜分子如多孔有機聚合物(POPs)，共價有機框架(COFs)以及金屬-有機框架(MOFs)等的結構測定。