DENS TEM 原位液相系統(tǒng)新舊對比：對液體壓強(qiáng)、流速、厚度的精細(xì)控制

引言
借助透射電子顯微鏡(TEM)可以獲得原子尺度的結(jié)構(gòu)、成分信息。然而，傳統(tǒng) TEM 技術(shù)受到了一些限制，其中之一是只能用來觀察超薄固體樣品，而無法應(yīng)用于液體環(huán)境的研究。主要原因是在液體環(huán)境下進(jìn)行 TEM 觀察會帶來兩個挑戰(zhàn)：

其一，液體環(huán)境下必須確保嚴(yán)密的密封，以防止液體泄漏進(jìn)入 TEM 系統(tǒng)。一旦液體泄漏，TEM 內(nèi)部的真空環(huán)境將受到嚴(yán)重破壞，導(dǎo)致設(shè)備故障。

其二，液體中的大量分子會散射電子束，電子束照射液體會產(chǎn)生大量自由基，這些都會影響圖像質(zhì)量和數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性。

此外，在液體環(huán)境下，研究者還需要解決如何實(shí)現(xiàn)靜態(tài)和流動條件之間的切換、流速的精確控制、壓強(qiáng)的調(diào)節(jié)以及液層厚度的控制等實(shí)際問題。這些問題都需要在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和進(jìn)行中謹(jǐn)慎考慮，以確保有效且可靠的液體 TEM 研究。

只有通過有效的方法解決上述問題，才有可能把 TEM 的應(yīng)用擴(kuò)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。一種典型的解決方案就是液體微室電子顯微術(shù)¹(Liquid Cell Electron Microscopy, LCEM)。該方案的核心是使用上下兩層真空密封的電子透明薄膜(如圖 1 深藍(lán)色)隔離出一個微室，用以密封流經(jīng)液體，同時(shí)又可以確保電子束的透過性。
 

圖 1. LCEM 的工作示意圖和應(yīng)用領(lǐng)域
 

DENSsolutions  TEM 原位液相系統(tǒng)
作為一家總部位于荷蘭的企業(yè)，DENSsolutions 秉持著開放式創(chuàng)新理念，借助 MEMS 技術(shù)并持續(xù)進(jìn)行產(chǎn)品更新和迭代，致力于為科研工作者提供先進(jìn)的原位解決方案。公司的液相方案遵循 LCEM 設(shè)計(jì)思路，經(jīng)歷了從最初代的 Ocean 系統(tǒng)到當(dāng)前的Stream 系統(tǒng)的多次改進(jìn)和升級。

在本文中，我們將從 Nano-Cell、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(jì)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(jì)中大量運(yùn)用了 MEMS 技術(shù)，采用多層式精細(xì)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(jì)思路
Working Principle and Design

首先，一起來看個視頻，直觀了解下 Ocean、Stream 這兩種系統(tǒng)的工作原理和設(shè)計(jì)思路。
 

視頻 1.  Ocean 系統(tǒng)和 Stream 系統(tǒng)對比

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

Ocean 系統(tǒng)采用了"浴盆式"浸潤設(shè)計(jì)，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(jì)的小容器中，液體通過浸潤擴(kuò)散的方式進(jìn)入微室，但需要注意到有相當(dāng)一部分液體繞過 Nano-Cell。Ocean 系統(tǒng)的使用簡單，適用于只需進(jìn)行簡單液相實(shí)驗(yàn)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(xiàng)重大進(jìn)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(jìn)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(qiáng)和出口壓強(qiáng)，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(zhǔn)操控方面取得了重要的進(jìn)展，相對于 Ocean 系統(tǒng)而言，其技術(shù)創(chuàng)新為更復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)需求提供了高度可控的解決方案。
 

02 Nano-Cell 芯片
IN SITU HEATING & BIASING

 

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(jì)更為簡單——由帶有電子透明窗口的上、下芯片組成，盡可實(shí)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(xì)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(jìn)行液體實(shí)驗(yàn)。當(dāng)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(jì)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(yàn)。

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(kuò)散到樣品區(qū)；而 Stream 系統(tǒng)的 Nano-Cell 中有 MEMS 設(shè)計(jì)的唯一流道，所有進(jìn)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(xì)控制，并具有以下諸多優(yōu)勢：
01. 可控制進(jìn)/出液口的壓強(qiáng)，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(qiáng)和流速，沖走/溶解反應(yīng)中產(chǎn)生的氣泡，避免干擾實(shí)驗(yàn)。
04. 開始供液后，液體可快速抵達(dá)樣品區(qū)域（圖 3），及時(shí)發(fā)生反應(yīng)。
 

圖 3. 開始供液 37 秒（左上時(shí)間標(biāo)）后，液體即進(jìn)入觀察區(qū)（視頻經(jīng)加速）。畫面亮度發(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(yàn)中，液體被電子束照射，會發(fā)生輻照分解²，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(shí)驗(yàn)進(jìn)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(jìn)而保護(hù)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?yàn)榇�，使用石墨烯芯片后，也可以用更高的電子束劑量來進(jìn)行此類樣品的觀察。

視頻 2：Stream 系統(tǒng)的 Nano-Cell 上芯片可配置石墨烯，保護(hù)樣品

03 DENS 原位 TEM 樣品桿
TEM IN SITU SAMPLE HOLDER

Ocean 系統(tǒng)
Nano-Cell 放入樣品桿前端后，蓋上金屬壓蓋，并以特定扭矩固定左右兩端螺絲（圖 4）。采用兩側(cè)固定、特定扭矩的方式有利于確保 Nano-Cell 的安全密封。
 

圖 4. Ocean 系統(tǒng)樣品桿前端模塊化設(shè)計(jì)示意圖

我們可以看到從早期的 Ocean 系統(tǒng)開始，樣品桿前已經(jīng)采用靈活的模塊化設(shè)計(jì)，可拆卸、可清洗、可更換。當(dāng)使用了太多次的腐蝕性液體或是未來要升級時(shí)，直接換掉前端即可。

Stream 系統(tǒng)

圖 5. Stream 系統(tǒng)樣品桿前端和管路采用模塊化設(shè)計(jì)

對于 Stream 系統(tǒng)來說，除了樣品桿前端，負(fù)責(zé)進(jìn)出液體的管路也是可拆卸、可替換的（圖 5）。這種靈活設(shè)計(jì)尤其適合于課題組。組內(nèi)眾多成員的原位實(shí)驗(yàn)液體并不相同。有時(shí)即使是反復(fù)沖洗管路，也無法完全保證下一次液相實(shí)驗(yàn)不受干擾。在這種情況下，直接更換另一套管路就是最佳選擇。

圖 6. Stream 系統(tǒng)樣品桿全貌圖，綠框內(nèi)為手動閥

了解前端結(jié)構(gòu)，我們再來看看 Stream 樣品桿的尾端�？梢钥吹轿捕俗笥腋饔幸粋�閥門（圖 6），它們其實(shí)是樣品桿上對應(yīng)進(jìn)/出液管路的手動閥。這組閥門有以下用處：

01. 保證 Nano-Cell 內(nèi)的密封性。當(dāng)你需要把敏感樣品從手套箱內(nèi)轉(zhuǎn)移到 TEM 時(shí)，就可以關(guān)緊閥門，保護(hù)樣品。

02. 可以在不連接供液系統(tǒng)的情況下進(jìn)行原位液相實(shí)驗(yàn)，當(dāng)然前提需要把液體送到 Nano-Cell 內(nèi)。

Nano-Cell 放入樣品桿固定之后，桿子尾端通過管路即可連接到供液系統(tǒng)。

04 DENS 供液系統(tǒng)
Liquid Supply System

 

圖 7. Ocean 系統(tǒng)供液系統(tǒng)，注射泵

上圖可以看到，Ocean 系統(tǒng)的供液方式采用的是步進(jìn)電機(jī)+注射器的注射泵推進(jìn)方案。這種方案設(shè)計(jì)簡單，可以為液體提供較大推力。但卻存在以下短板：
1. 相對于微量液體，步進(jìn)電機(jī)的步幅還是較大，無法對流速進(jìn)行精細(xì)控制。
2. 注射器的橡膠塞相對內(nèi)壁有較大阻尼，無法實(shí)現(xiàn)對液體控制的快速響應(yīng)。
3. 沒有集成氣路，無法向Nano-Cell內(nèi)吹送氣體、減小液厚。

不過，Ocean 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)初衷就是適用于簡單的液相實(shí)驗(yàn)。這種注射泵加上簡約設(shè)計(jì)的 Nano-Cell 也足以達(dá)到該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。
 

圖 8. Stream 系統(tǒng)的供液系統(tǒng)設(shè)計(jì)：伸縮折疊式懸臂，便于安裝和存放

Stream的供液系統(tǒng)（Liquid Supply System，LSS）配備可移動底盤、集成氣動系統(tǒng)、伸縮式懸臂，實(shí)驗(yàn)的時(shí)候方便移動、安裝、連接管路，在不用的時(shí)候則便于收納和存放。實(shí)際上，LSS 采用的是進(jìn)/出口氣動式雙泵送液設(shè)計(jì)，內(nèi)置預(yù)先校準(zhǔn)過的流量計(jì)。功能強(qiáng)大的 LSS 配合獨(dú)特設(shè)計(jì)的 Nano-Cell，可以帶來以下便利：

· 流量監(jiān)測+流道唯一，借助閉環(huán)反饋軟件，可實(shí)現(xiàn)對樣品區(qū)流量的精準(zhǔn)、穩(wěn)定控制。
· 可向 Nano-Cell 內(nèi)通入氣體、趕走液體，以獲得更好的 TEM 結(jié)果。之后還可再送入液體。
· 直接控制+唯一流道，可以沖走/溶解由于電子束輻照或電化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的多余氣泡。
· 雙泵設(shè)計(jì)+唯一流道，可實(shí)現(xiàn)對液體壓強(qiáng)、流速、厚度的精細(xì)控制。
· 流量監(jiān)測可及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能的堵塞，雙泵設(shè)計(jì)一推一拉可及時(shí)、有效地清理堵塞物。

LSS 結(jié)合 Nano-Cell 設(shè)計(jì)，芯片上配置進(jìn)液口、出液口，保證了可靠且可重復(fù)的液體輸送功能，成功率超過 95%！
 

05 總結(jié)
SUMMARY

本文從 Nano-Cell、樣品桿、供液系統(tǒng)三個方面綜合對比了 DENS Ocean 系統(tǒng)和 Stream 系統(tǒng)前后兩代液相 TEM 方案。其中，Nano-Cell 是核心單元，負(fù)責(zé)密封液體并可根據(jù)需要設(shè)計(jì)諸多功能；供液系統(tǒng)則是動力系統(tǒng)，負(fù)責(zé)驅(qū)動液體流動，控制流速、壓強(qiáng)等參數(shù)；樣品桿則是二者之間的橋梁，借助內(nèi)置的管路、線路，負(fù)責(zé)液體、氣體、壓強(qiáng)、電流在兩者之間的互動。

實(shí)際上，一套完整的液相方案除了上述三大單元外，還有檢漏儀等附件：
 

圖 9. Ocean 系統(tǒng)的所有單元全預(yù)覽：1. Nano-Cell；2. 樣品桿；3. 樣品桿支架；4. 檢漏儀；5. 注射泵；6. 泵頭備品
 

圖 10. Stream 系統(tǒng)的所有單元預(yù)覽：1. 樣品桿；2. Nano-Cell；3. 電腦；4. 對中臺；5. 供液系統(tǒng)；6. 恒電位儀（內(nèi)置）；7. 加熱控制器（內(nèi)置）；8. 檢漏儀

對比觀察上述兩圖，可以看到檢漏儀是液相 TEM 方案的必須配置。它能及時(shí)發(fā)現(xiàn)泄露風(fēng)險(xiǎn)，確保樣品桿是真空密封的，進(jìn)而保護(hù) TEM 安全。對于 Stream 系統(tǒng)，還額外配置了恒電位儀/加熱控制器，結(jié)合裝有 Impulse 軟件的電腦，可以在液相環(huán)境原位進(jìn)行電化學(xué)/加熱實(shí)驗(yàn)。

最后，我們把之前提到的對比匯總成一張表，供大家快速了解兩者差異：

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.

(3) https://denssolutions.com/products/stream/

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