TEM 原位液相系统新旧对比：Nano-Cell 概念

前面我们说到，解决液体环境下进行透射电镜TEM需要解决两个挑战（在液体环境下进行透射电镜TEM 观察会带来哪些挑战？ ），就可以把TEM 的应用扩展到如电池、电化学沉积、纳米晶生长、生物材料等诸多领域。

典型的解决方案就是液体微室电子显微术，而DENSsolutions借助 MEMS 技术持续进行产品更新和迭代，经历了从最初代的 Ocean 系统到当前的Stream 系统的多次改进和升级。

接下来从 Nano-Cell、原位样品杆和供液系统三个方面对比 Ocean 系统和 Stream 系统，以深入了解 DENSsolutions 是如何有效解决液相透射电子显微镜（TEM）领域的挑战。

 Nano-Cell 概念

Ocean 系统和 Stream 系统虽然都采用了LCEM 设计思路，但是“Nano-Cell”的概念则是发展到了 Stream 系统正式提出。对于Stream 系统，它的芯片设计中大量运用了 MEMS 技术，采用多层式精细加工，可根据需要调整流道高度，并施加电/热等刺激，其唯一流道的容积为数十纳升，因此称之为 Nano-Cell 。在本文中，方便起见，统一用 Nano-Cell 称呼两种系统的液体微室，如非必要，不做区分。

01.工作原理与设计思路

Ocean 系统与 Stream 系统均采用 LCEM思路，然而在实现方法上存在显著差异，从而决定了它们在液体精准控制方面的能力差异。

Ocean 系统采用了"浴盆式"浸润设计，这是一种与市面上大多数原位液相方案相似的思路。反应微室被置于一个特殊设计的小容器中，液体通过浸润扩散的方式进入微室，但需要注意到有相当一部分液体绕过 Nano-Cell。Ocean 系统的使用简单，适用于只需进行简单液相实验而无需控制液体速度、压力和流向的用户，是一款入门首选。

相较之下，Stream 系统采用微流控技术，是原位液相电子显微镜领域的一项重大进步。借助 Stream 系统，用户能够全面调控样品与液体的相互作用。液体通过进液口流入微室，顺着唯一通道流经样品，最终从出液口排出。通过调整入口压强和出口压强，用户能够实现对微室内液体流速、压力以及流向的精确控制。Stream 系统的引入在液体精准操控方面取得了重要的进展，相对于 Ocean 系统而言，其技术创新为更复杂的实验需求提供了高度可控的解决方案。

02.Nano-Cell 芯片

图 2. Ocean 系统(左)和 Stream 系统(右)的 Nano-Cell 对比图

从上图可以发现，Ocean 系统的 Nano-Cell 设计更为简单——由带有电子透明窗口的上、下芯片组成，尽可实现最基本的液体密封、电子束透过这两个功能。

而 Stream 系统的 Nano-Cell 则更为细致和精密。它由上芯片、下芯片、氟橡胶 O 圈形成密封微室，从而确保在 TEM 内安全地进行液体实验。当然，上、下芯片都有电子透明窗口。此外，在下芯片上还使用 MEMS 技术设计了各种微电路，以便在液体环境中进行原位电化学、原位加热实验。

回顾开头的视频 1，我们还可以发现：Ocean系统中大部分液体是绕开 Nano-Cell 的，只有一小部分液体扩散到样品区；而 Stream 系统的 Nano-Cell 中有 MEMS 设计的唯一流道，所有进来的液体只能也必须经过样品区。这确保了 Stream 系统对液体的精细控制，并具有以下诸多优势：

01. 可控制进/出液口的压强，减小液层厚度，降低散射，改善TEM结果。

02. 可向 Nano-Cell 内吹送气体，冲走液体，降低散射，改善 TEM 结果。

03. 可调节压强和流速，冲走/溶解反应中产生的气泡，避免干扰实验。

04. 开始供液后，液体可快速抵达样品区域（图 3），及时发生反应。

图 3. 开始供液 37 秒（左上时间标）后，液体即进入观察区（视频经加速）。画面亮度发生突变，证明确实有液体进入视野。

需要注意的是，在液相实验中，液体被电子束照射，会发生辐照分解，产生大量自由基（视频 2 第 48 秒）。而这些活性自由基会破坏样品，干扰实验进程。Stream 系统 Nano-Cell 可以在上芯片加装石墨烯（视频 2 第 67 秒），吸附自由基，进而保护样品。这很适合用来观察生物样品、电子束敏感材料、软物质等脆弱样品。正因为此，使用石墨烯芯片后，也可以用更高的电子束剂量来进行此类样品的观察。

参考资料

(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.