上海科技大学，Nature Chemistry！

研究背景

晶体材料中的手性是一种基础特征，对其性质（如对映选择性合成、催化和光学）有着显著影响。因此，确定手性晶体的绝对结构对于理解和控制这些手性依赖的特性至关重要。

关键问题

然而，手性晶体粉末的分析主要存在以下问题：

1、现有技术实现单个晶体的定量分析存在难题

现有技术（如单晶X射线衍射和先进电子衍射）虽然能够确定单个晶体的手性，但对于量化晶体粉末中的整体对映异构体过量（e.e.） 缺乏稳定、完全定量的方法。

2、现有的晶体手性确定方法存在效率和高通量限制

现有的晶体手性确定方法往往依赖于复杂的结构精修和大量的人工干预，这使得分析局限于非常少量的晶体（通常少于20 个），无法实现高通量分析，难以获取具有统计学意义的大数据集。

新思路

有鉴于此，上海科技大学马延航等人提出了一种基于三维电子衍射的方法对手性纳米晶体进行定量分析。作者开发了一种双重倾斜扫描方案，用于在实空间和倒易空间收集断层数据，确定绝对结构并估计晶体体积。结合来自数百个纳米晶体的自动化串行数据收集，该策略允许高通量手性测定，以及整体镜像体的过量。该方法在手性无机纳米晶中的成功应用揭示了手性配体在两种镜像体的结构的偏向性中的作用。作者进一步证明了该方法对手性药物辛可宁的稳定性，为研究非对映体纯的手性有机材料提供了一种变革性的方法。

技术方案：

1、提出了一种新的手性确定方法

本文开发发新方法，通过模拟动态3D ED数据与实验反射强度对比，快速确定碲纳米晶手性，拟合因子为0.1655，正确分配概率达99.93%。

2、开发了串行3D ED数据采集方法

作者开发串行3D ED数据采集方法，用双倾斜扫描策略快速采集数据。统计分析Te粉末样品，结合晶体尺寸测量，确定其对映异构体比例为50.3%右手性：49.7%左手性，与CD结果一致。

3、探究了手性配体在无机手性合成中的作用

研究发现，手性配体青霉胺在无机手性合成中影响Te晶体的手性。d-青霉胺促进右手性Te，l-青霉胺促进左手性Te，外消旋青霉胺产生外消旋混合物。

4、展示了将方法成功扩展到手性药物晶体的分析

作者证实了该方法成功用于手性药物晶体分析，以疟疾药物辛可宁为例，在低剂量电子束条件下，通过动态模拟确定其为纯 (+)-辛可宁，证明了方法的稳健性和普适性。

技术优势：

1、首次实现了高通量、定量 e.e. 测定

本文首次开发了结合晶体体积（通过双倾斜扫描的实时空间成像）和绝对结构测定的高通量3D ED策略。这克服了以往3D ED仅能区分外消旋和对映异构体纯样品但无法完全定量的局限性，为分析复杂手性混合物提供了可靠的框架。

2、实现了基于模拟的快速手性确定

本文提出了一种基于动态模拟并利用z-score参数进行量化可靠性评估的方法，实现了无需复杂结构精修即可快速、可靠地确定单个晶体的手性，将数据收集和手性确定的整个过程缩短至数分钟内。

技术细节

单个纳米晶的手性确定

本文提出了一种新的手性确定方法，通过直接模拟实验条件下的动态 3D ED 数据集并与实验综合反射强度比较，避免了复杂的结构精修和大量人工干预，实现了快速可靠的手性确定。以碲（Te）纳米晶为例，模拟发现左右手对映异构体在反射强度上有明显差异。实验中，通过比较实验数据和模拟的动态衍射强度，成功确定了单个Te晶体的左手性，最佳拟合因子R₁值为0.1655。采用z -score 方法定量评估分配可靠性，获得 3.2σ 的z -score，对应 99.93% 的正确手性分配概率。

图  手性晶体的高通量手性测定工作流程

晶体粉末中对映异构体过量确定

为了准确确定晶体粉末的对映异构体过量（e.e.），作者开发了串行3D ED数据采集方法。首先通过网格图谱识别合适晶体，然后依次移动载物台进行分析。为提高采集效率和完整性，采用双倾斜扫描策略：第一次在成像模式下记录晶体位置变化，第二次在衍射模式下根据漂移轨迹调整电子束位置，实现数百个3D ED数据集的快速自动化采集。对Te粉末样品（68个数据集）统计分析显示，左右手Te晶体的z-score 呈现不同分布。由于仅依赖晶体计数不足以准确反映相组成，结合了晶体尺寸测量（从倾斜系列TEM图像中获得）。最终基于晶体体积计算，确定该Te样品是对映异构体比例为50.3%右手性：49.7%左手性的外消旋混合物，与圆二色谱（CD）结果一致。

图  一种手性碲化物的手性测定及验证

用于对映选择性合成的高通量手性分析

为了探究手性配体在无机手性合成中的作用，作者使用不同比例的手性配体青霉胺（d-，l-，外消旋形式）合成了一系列Te样品.。高通量手性分析结果表明，所有样品中均存在左右手对映异构体，但对映异构体过量（e.e.）与配体的手性强烈相关。外消旋青霉胺产生了外消旋混合物（e.e. = 0.01），而纯d-青霉胺促进了右手性Te（e.e. = 0.76），纯 l-青霉胺则促进了左手性 Te（e.e. = 0.80）。进一步的对映异构体尺寸分布分析揭示，d-青霉胺是通过增强成核作用并加速生长速率来促使右手性Te过量的，这导致了右手性晶体数量更多且尺寸更大。这些发现提供了原子级实验证据，支持了手性配体影响无机材料对映异构体组成的机制。

图  碲粉晶体的对映体组成分析

图  手性配体对Te晶体e.e.的影响

应用于手性药物晶体

该方法还成功扩展到手性药物晶体的分析。以用于治疗疟疾的生物碱辛可宁 (Cinchonine) 为例，为了保护对电子束敏感的药物晶体，实验采用了低剂量电子束条件。尽管数据完整性为58.9%，但通过动态模拟发现，对于所有分析的晶体，(+)-辛可宁模型的R1值始终低于其对映异构体。这有力地证实了该样品完全是(+)-辛可宁，这证明了该方法对于精确测定手性药物晶体绝对构型和e.e.的稳健性和普适性。

图  辛可宁的对映体组成分析

展望

总之，本研究提出了一种稳健方法用于手性晶体粉末的定性和定量分析，基于模拟结合3D艾德数据确定晶体手性，无需完整晶体结构细化。通过实空间成像和倒易空间衍射确定晶体尺寸和绝对结构，应用于Te粉末和辛可宁晶体，实现了精确相鉴定和对映体分析。研究发现手性配体选择性促进一种对映体成核和生长导致对映体过量，为手性材料合成和设计提供了新途径。

参考文献：

Hu, J., Dong, Z., Chu, C. et al. Quantification of enantiomorphs in chiral crystalline powders through three-dimensional electron diffraction. Nat. Chem. (2025). 

https://doi.org/10.1038/s41557-025-01950-5