当化学家能够直接“看到”孔道内的单个分子并进行精确计数，对吸附、扩散和反应机制的理解将进入全新维度。近日，苏州大学申博渊、宋斌与华东理工大学戴升研究团队开发了一种基于低剂量积分差分相位衬度扫描透射电子显微镜（iDPC-STEM）的实空间定量分子分析方法，实现了在ZSM-5分子筛中对吸附分子的单分子分辨率识别与精确计数。
这项研究的起源在于解决分子科学领域的一个长期挑战：如何在分子水平上对限域环境中的分子行为进行单分子空间分辨的定量分析。过去几十年中，光谱技术已被广泛用于识别分子种类和量化组成，为各种物理、化学和生物过程提供了宝贵见解。然而，这些方法无法空间分辨分子行为，而伴随光谱的成像技术只能提供微米尺度上体系的平均信息。事实上，分子特性和行为在给定系统中表现出显著的空间异质性，特别是在吸附和催化等过程中，传统方法往往无法捕捉反映这些不同局部特征的微观机制。因此，开发一种新颖高效的空间分辨定量分子分析方法变得重要，这可能从根本上加深我们对分子行为和微观世界基本原理的理解。
研究团队采用的低剂量iDPC-STEM技术，能够在Å（埃）尺度下直接可视化ZSM-5孔道中的分子结构。通过实验成像、图像模拟与热重分析（TGA）技术构建了峰值强度与分子数量的定量标定曲线，实现了对单孔道内吸附分子的精确计数，并成功区分苯、呋喃、吡啶、对二甲苯等小分子及其与分子筛的相互作用强度。此外，吡啶吸附行为与ZSM-5分子筛中铝含量（酸性位点）高度相关，而苯的吸附无此依赖性，直接验证了碱性分子与酸性位点的特异性相互作用机制。更进一步，通过实时成像技术揭示了苯分子在电子束下快速扩散并均匀分布的特性，而对二甲苯因甲基位阻在正弦孔道中扩散受限，甚至在单孔道中观测到其辐射分解动力学过程。
图1. 通过实空间成像对ZSM-5吸附分子识别
这种基于iDPC-STEM的定量分子分析方法具有广泛普适性，适用于多种沸石体系与分子行为研究。未来结合大数据分析与原位技术，可进一步拓展至动态过程监测，为多相催化、吸附分离和分子传输等领域提供前所未有的见解。该方法还可应用于更复杂的主客体相互作用，甚至拓展至生物大分子体系，为结构化学和生物学研究开辟新途径。
图2. ZSM-5中苯的定量成像和分析
这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上，文章的第一作者是苏州大学博士研究生封加乐和华东理工大学博士生李文波。
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Real-Space Quantitative Molecular Analysis at Single-Molecule Resolution
Jiale Feng, Wenbo Li, Mengmeng Ma, Jiayi Zhang, Tongyu He, Tao Cheng, Sheng Dai, Bin Song, Boyuan Shen
J. Am. Chem. Soc. 2025, 147, 33571–33580, DOI: 10.1021/jacs.5c08253
导师介绍
申博渊
https://www.x-mol.com/university/faculty/390904
宋斌
https://www.x-mol.com/university/faculty/390946
戴升
https://www.x-mol.com/groups/Dai_sheng
