多维电子衍射揭示嘌呤碱基黄嘌呤中的多型性与平面缺陷：层状有机晶体的纳米尺度微观结构解析

《Communications Chemistry》：Polytypes and planar defects revealed in the purine base xanthine using multi-dimensional electron diffraction

本研究针对层状有机分子晶体中普遍存在的堆叠变异问题，利用三维电子衍射（3D-ED）与四维扫描透射电子显微镜（4D-STEM）技术，系统揭示了黄嘌呤晶体中多型性、孪晶与平面缺陷的共存机制。研究人员发现并解析了新型黄嘌呤多型体（Form II），证实其与已知Form I具有相同层内氢键网络但层间堆叠序列不同；通过4D-STEM直接可视化纳米尺度域界面，并结合同步辐射X射线粉末衍射（XRPD）的堆叠缺陷模型验证，表明层状有机晶体的微观结构复杂性远超传统认知。该工作为药物多晶型调控及生物矿物光学性能研究提供了关键微观结构见解。

　　

层状晶体材料因其独特的物理化学性质，在无机和有机体系中均具有重要研究价值。这类晶体中层内原子排列高度一致，而层间堆叠序列的微小变异可能导致孪晶、多型性或平面缺陷等微观结构特征。尽管这些现象在无机材料（如石墨烯、过渡金属二硫化物）中已被广泛研究，但对有机分子晶体而言，其微观结构的解析仍面临挑战——尤其是对于黄嘌呤这类具有典型嘌呤环结构的生物相关分子。先前研究虽通过X射线粉末衍射（XRPD）发现黄嘌呤体相样品存在不对称峰形与未知杂峰，暗示了平面缺陷或多相共存，但传统表征手段难以在纳米尺度直接捕捉其动态界面与缺陷分布。

为突破这一局限，剑桥大学研究团队在《Communications Chemistry》发表最新工作，综合运用三维电子衍射（3D-ED）与四维扫描透射电子显微镜（4D-STEM）两种前沿电子衍射模态，对黄嘌呤晶体的微观结构进行多维度解析。研究不仅首次揭示了黄嘌呤Form I晶体的孪晶机制（以[101]轴为旋转对称操作），还发现并解析了一种新型正交晶系多型体Form II，其空间群为P2₁2₁2₁。通过对比层间平移向量（A、B、C、D），团队证明Form II实为Form I的多型体：前者遵循ABCD四层重复堆叠序列，而后者仅为AB交替堆叠。更为关键的是，4D-STEM技术直接观测到纳米颗粒内多型体域、孪晶域与平面缺陷域的共存界面，且衍射图谱中的条纹化（streaking）现象揭示了层间刚性平移无序的普遍性。这些发现通过同步辐射XRPD的多相Rietveld精修（引入超晶格堆叠缺陷模型）得到验证，拟合优度R_wp降至1.55%，显著提升了对实验数据的解释力。

关键实验方法

研究以商业黄嘌呤粉末为样本，通过连续旋转3D-ED（300 kV冷冻电镜，累积剂量20 e^–/?²）解析单晶结构；利用4D-STEM（200 kV，束斑直径约数纳米）扫描获得四维衍射数据集，通过虚拟暗场（VDF）成像定位纳米尺度域结构；结合钻石光源I11线站的同步辐射XRPD（80 K，波长0.82408 ?）进行多相精修与堆叠缺陷建模。

孪晶机制的揭示

通过3D-ED重构黄嘌呤Form I的倒易空间，发现两套相互独立的衍射点阵，其取向关系满足180°旋转或（10?1?）镜面反映对称性，证实了以[101]轴为孪晶轴的孪晶机制。该操作在翻转分子层的同时保持了层内氢键网络，仅破坏层间范德华作用，形成多重复合孪晶。

新型多型体Form II的结构解析

在单一微米级颗粒中同时观测到Form I与正交晶系新相（Form II）。通过双晶集成与SHELXT直接法解析，确定Form II为Z=16、Z′=4的结构，其层内分子排列与Form I完全一致，但层间堆叠序列变为ABCD周期循环。衍射图谱中额外反射点的出现与系统性消光规律共同支持其更高对称性。

平面缺陷的可视化与界面分析

4D-STEM的VDF成像显示，黄嘌呤颗粒内存在平行于层状habit平面的清晰域界面，且域内呈现条纹状衬度，对应局部平移无序。衍射图谱沿层法线方向的条纹化进一步证实了堆叠缺陷的随机分布，其位移向量符合A/B/C/D四种可能取向。

体相材料的XRPD验证

通过构建20层超晶格模型引入随机堆叠缺陷，多相Rietveld精修显著改善了XRPD数据中各向异性峰宽与不对称性的拟合效果，证实电子衍射观测到的纳米尺度缺陷在体相样品中普遍存在。

研究结论强调，黄嘌呤中多型性、孪晶与平面缺陷的共存源于层间相互作用的浅能垒景观，这一机制可推广至其他嘌呤衍生物（如鸟嘌呤、次黄嘌呤）乃至更广泛的层状有机晶体体系。该工作不仅提供了首个黄嘌呤多型体的原子结构模型，更建立了电子衍射与体相衍射数据的跨尺度关联框架，为药物多晶型质量控制及生物矿物功能优化提供了微观结构基础。