前面我們說(shuō)到，解決液體環(huán)境下進(jìn)行透射電鏡TEM需要解決兩個(gè)挑戰（在液體環(huán)境下進(jìn)行透射電鏡TEM 觀(guān)察會(huì )帶來(lái)哪些挑戰？ ），就可以把TEM 的應用擴展到如電池、電化學(xué)沉積、納米晶生長(cháng)、生物材料等諸多領(lǐng)域。

典型的解決方案就是液體微室電子顯微術(shù)，而DENSsolutions借助 MEMS 技術(shù)持續進(jìn)行產(chǎn)品更新和迭代，經(jīng)歷了從最初代的 Ocean 系統到當前的Stream 系統的多次改進(jìn)和升級。

接下來(lái)從 Nano-Cell、原位樣品桿和供液系統三個(gè)方面對比 Ocean 系統和 Stream 系統，以深入了解 DENSsolutions 是如何有效解決液相透射電子顯微鏡（TEM）領(lǐng)域的挑戰。

 Nano-Cell 概念

Ocean 系統和 Stream 系統雖然都采用了LCEM 設計思路，但是“Nano-Cell"的概念則是發(fā)展到了 Stream 系統正式提出。對于Stream 系統，它的芯片設計中大量運用了 MEMS 技術(shù)，采用多層式精細加工，可根據需要調整流道高度，并施加電/熱等刺激，其專(zhuān)屬流道的容積為數十納升，因此稱(chēng)之為 Nano-Cell 。在本文中，方便起見(jiàn)，統一用 Nano-Cell 稱(chēng)呼兩種系統的液體微室，如非必要，不做區分。

01.工作原理與設計思路

Ocean 系統與 Stream 系統均采用 LCEM思路，然而在實(shí)現方法上存在顯著(zhù)差異，從而決定了它們在液體精準控制方面的能力差異。

Ocean 系統采用了"浴盆式"浸潤設計，這是一種與市面上大多數原位液相方案相似的思路。反應微室被置于一個(gè)特殊設計的小容器中，液體通過(guò)浸潤擴散的方式進(jìn)入微室，但需要注意到有相當一部分液體繞過(guò) Nano-Cell。Ocean 系統的使用簡(jiǎn)單，適用于只需進(jìn)行簡(jiǎn)單液相實(shí)驗而無(wú)需控制液體速度、壓力和流向的用戶(hù)，是一款入門(mén)首shou選。

相較之下，Stream 系統采用微流控技術(shù)，是原位液相電子顯微鏡領(lǐng)域的一項重大進(jìn)步。借助 Stream 系統，用戶(hù)能夠全面調控樣品與液體的相互作用。液體通過(guò)進(jìn)液口流入微室，順著(zhù)專(zhuān)屬通道流經(jīng)樣品，最終從出液口排出。通過(guò)調整入口壓強和出口壓強，用戶(hù)能夠實(shí)現對微室內液體流速、壓力以及流向的精確控制。Stream 系統的引入在液體精準操控方面取得了重要的進(jìn)展，相對于 Ocean 系統而言，其技術(shù)創(chuàng )新為更復雜的實(shí)驗需求提供了高度可控的解決方案。

02.Nano-Cell 芯片

圖 2. Ocean 系統(左)和 Stream 系統(右)的 Nano-Cell 對比圖

從上圖可以發(fā)現，Ocean 系統的 Nano-Cell 設計更為簡(jiǎn)單——由帶有電子透明窗口的上、下芯片組成，盡可實(shí)現最基本的液體密封、電子束透過(guò)這兩個(gè)功能。

而 Stream 系統的 Nano-Cell 則更為細致和精密。它由上芯片、下芯片、氟橡膠 O 圈形成密封微室，從而確保在 TEM 內安全地進(jìn)行液體實(shí)驗。當然，上、下芯片都有電子透明窗口。此外，在下芯片上還使用 MEMS 技術(shù)設計了各種微電路，以便在液體環(huán)境中進(jìn)行原位電化學(xué)、原位加熱實(shí)驗。

回顧開(kāi)頭的視頻 1，我們還可以發(fā)現：Ocean系統中大部分液體是繞開(kāi) Nano-Cell 的，只有一小部分液體擴散到樣品區；而 Stream 系統的 Nano-Cell 中有 MEMS 設計的專(zhuān)屬流道，所有進(jìn)來(lái)的液體只能也必須經(jīng)過(guò)樣品區。這確保了 Stream 系統對液體的精細控制，并具有以下諸多優(yōu)勢：

01. 可控制進(jìn)/出液口的壓強，減小液層厚度，降低散射，改善TEM結果。

02. 可向 Nano-Cell 內吹送氣體，沖走液體，降低散射，改善 TEM 結果。

03. 可調節壓強和流速，沖走/溶解反應中產(chǎn)生的氣泡，避免干擾實(shí)驗。

04. 開(kāi)始供液后，液體可快速抵達樣品區域（圖 3），及時(shí)發(fā)生反應。

圖 3. 開(kāi)始供液 37 秒（左上時(shí)間標）后，液體即進(jìn)入觀(guān)察區（視頻經(jīng)加速）。畫(huà)面亮度發(fā)生突變，證明確實(shí)有液體進(jìn)入視野。

需要注意的是，在液相實(shí)驗中，液體被電子束照射，會(huì )發(fā)生輻照分解，產(chǎn)生大量自由基（視頻 2 第 48 秒）。而這些活性自由基會(huì )破壞樣品，干擾實(shí)驗進(jìn)程。Stream 系統 Nano-Cell 可以在上芯片加裝石墨烯（視頻 2 第 67 秒），吸附自由基，進(jìn)而保護樣品。這很適合用來(lái)觀(guān)察生物樣品、電子束敏感材料、軟物質(zhì)等脆弱樣品。正因為此，使用石墨烯芯片后，也可以用更高的電子束劑量來(lái)進(jìn)行此類(lèi)樣品的觀(guān)察。

參考資料

(1) Ross, F. M. (2015). "Opportunities and challenges in liquid cell electron microscopy." Science 350(6267): aaa9886.

(2) Rehn, S. M. and M. R. Jones (2018). "New strategies for probing energy systems with in situ liquid-phase transmission electron microscopy." ACS Energy Letters 3(6): 1269-1278.