前面我們說到,，解決液體環(huán)境下進行透射電鏡TEM需要解決兩個挑戰(zhàn)（在液體環(huán)境下進行透射電鏡TEM 觀察會帶來哪些挑戰(zhàn),？ ），就可以把TEM 的應(yīng)用擴展到如電池,、電化學(xué)沉積,、納米晶生長、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(xù)進行產(chǎn)品更新和迭代，經(jīng)歷了從最初代的 Ocean 系統(tǒng)到當前的Stream 系統(tǒng)的多次改進和升級,。

接下來從 Nano-Cell,、原位樣品桿和供液系統(tǒng)三個方面對比 Ocean 系統(tǒng)和 Stream 系統(tǒng)，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(zhàn),。

 Nano-Cell 概念

Ocean 系統(tǒng)和 Stream 系統(tǒng)雖然都采用了LCEM 設(shè)計思路,，但是“Nano-Cell”的概念則是發(fā)展到了 Stream 系統(tǒng)正式提出。對于Stream 系統(tǒng),，它的芯片設(shè)計中大量運用了 MEMS 技術(shù),，采用多層式精細加工，可根據(jù)需要調(diào)整流道高度,，并施加電/熱等刺激,，其唯一流道的容積為數(shù)十納升，因此稱之為 Nano-Cell ,。在本文中,，方便起見，統(tǒng)一用 Nano-Cell 稱呼兩種系統(tǒng)的液體微室,，如非必要,，不做區(qū)分。

01.工作原理與設(shè)計思路

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

Ocean 系統(tǒng)采用了"浴盆式"浸潤設(shè)計,，這是一種與市面上大多數(shù)原位液相方案相似的思路,。反應(yīng)微室被置于一個特殊設(shè)計的小容器中，液體通過浸潤擴散的方式進入微室，但需要注意到有相當一部分液體繞過 Nano-Cell,。Ocean 系統(tǒng)的使用簡單,，適用于只需進行簡單液相實驗而無需控制液體速度、壓力和流向的用戶,，是一款入門首選,。

相較之下，Stream 系統(tǒng)采用微流控技術(shù),，是原位液相電子顯微鏡領(lǐng)域的一項重大進步,。借助 Stream 系統(tǒng)，用戶能夠全面調(diào)控樣品與液體的相互作用,。液體通過進液口流入微室,，順著唯一通道流經(jīng)樣品，最終從出液口排出,。通過調(diào)整入口壓強和出口壓強,，用戶能夠?qū)崿F(xiàn)對微室內(nèi)液體流速、壓力以及流向的精確控制,。Stream 系統(tǒng)的引入在液體精準操控方面取得了重要的進展,，相對于 Ocean 系統(tǒng)而言，其技術(shù)創(chuàng)新為更復(fù)雜的實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(tǒng)(左)和 Stream 系統(tǒng)(右)的 Nano-Cell 對比圖

從上圖可以發(fā)現(xiàn),，Ocean 系統(tǒng)的 Nano-Cell 設(shè)計更為簡單——由帶有電子透明窗口的上、下芯片組成,，盡可實現(xiàn)最基本的液體密封,、電子束透過這兩個功能。

而 Stream 系統(tǒng)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(nèi)安全地進行液體實驗。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(shè)計了各種微電路,，以便在液體環(huán)境中進行原位電化學(xué)、原位加熱實驗,。

回顧開頭的視頻 1,，我們還可以發(fā)現(xiàn)：Ocean系統(tǒng)中大部分液體是繞開 Nano-Cell 的，只有一小部分液體擴散到樣品區(qū)；而 Stream 系統(tǒng)的 Nano-Cell 中有 MEMS 設(shè)計的唯一流道,，所有進來的液體只能也必須經(jīng)過樣品區(qū),。這確保了 Stream 系統(tǒng)對液體的精細控制，并具有以下諸多優(yōu)勢：

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

02. 可向 Nano-Cell 內(nèi)吹送氣體,，沖走液體，降低散射,，改善 TEM 結(jié)果,。

03. 可調(diào)節(jié)壓強和流速，沖走/溶解反應(yīng)中產(chǎn)生的氣泡,，避免干擾實驗,。

04. 開始供液后，液體可快速抵達樣品區(qū)域（圖 3）,，及時發(fā)生反應(yīng),。

圖 3. 開始供液 37 秒（左上時間標）后，液體即進入觀察區(qū)（視頻經(jīng)加速）,。畫面亮度發(fā)生突變,，證明確實有液體進入視野。

需要注意的是,，在液相實驗中,，液體被電子束照射，會發(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破壞樣品，干擾實驗進程,。Stream 系統(tǒng) Nano-Cell 可以在上芯片加裝石墨烯（視頻 2 第 67 秒）,，吸附自由基，進而保護樣品,。這很適合用來觀察生物樣品,、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進行此類樣品的觀察,。

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.