DENS TEM 原位液相系統新舊對比之對液體壓強、流速、厚度的精細控制
引言
借助透射電子顯微鏡(TEM)可以獲得原子尺度的結構、成分信息。然而，傳統 TEM 技術受到了一些限制，其中之一是只能用來觀察超薄固體樣品，而無法應用于液體環境的研究。主要原因是在液體環境下進行 TEM 觀察會帶來兩個挑戰：
其一，液體環境下必須確保嚴密的密封，以防止液體泄漏進入 TEM 系統。一旦液體泄漏，TEM 內部的真空環境將受到嚴重破壞，導致設備故障。
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生大量自由基，這些都會影響圖像質量和數據分析的準確性。
此外，在液體環境下，研究者還需要解決如何實現靜態和流動條件之間的切換、流速的精確控制、壓強的調節以及液層厚度的控制等實際問題。這些問題都需要在實驗設計和進行中謹慎考慮，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 的應用擴展到如電池、電化學沉積、納米晶生長、生物材料等諸多領域。一種典型的解決方案就是液體微室電子顯微術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 深藍色)隔離出一個微室，用以密封流經液體，同時又可以確保電子束的透過性。
圖 1. LCEM 的工作示意圖和應用領域
DENSsolutions TEM 原位液相系統
作為一家總部位于荷蘭的企業，DENSsolutions 秉持著開放式創新理念，借助 MEMS 技術并持續進行產品更新和迭代，致力于為科研工作者提供先進的原位解決方案。公司的液相方案遵循 LCEM 設計思路，經歷了從最初代的 Ocean 系統到當前的Stream 系統的多次改進和升級。
在本文中，我們將從 Nano-Cell、樣品桿和供液系統三個方面對比 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，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，其唯一流道的容積為數十納升，因此稱之為 Nano-Cell 。在本文中，方便起見，統一用 Nano-Cell 稱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
Working Principle and Design
首先，一起來看個視頻，直觀了解下 Ocean、Stream 這兩種系統的工作原理和設計思路。
視頻 1. Ocean 系統和 Stream 系統對比
Ocean 系統與 Stream 系統均采用 LCEM思路，然而在實現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特殊設計的小容器中，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 系統采用微流控技術，是原位液相電子顯微鏡領域的一項重大進步。借助 Stream 系統，用戶能夠全面調控樣品與液體的相互作用。液體通過進液口流入微室，順著唯一通道流經樣品，最終從出液口排出。通過調整入口壓強和出口壓強，用戶能夠實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展，相對于 Ocean 系統而言，其技術創新為更復雜的實驗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(左)和 Stream 系統(右)的 Nano-Cell 對比圖
從上圖可以發現，Ocean 系統的 Nano-Cell 設計更為簡單——由帶有電子透明窗口的上、下芯片組成，盡可實現最基本的液體密封、電子束透過這兩個功能。
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 技術設計了各種微電路，以便在液體環境中進行原位電化學、原位加熱實驗。
回顧開頭的視頻 1，我們還可以發現：Ocean系統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；而 Stream 系統的 Nano-Cell 中有 MEMS 設計的唯一流道，所有進來的液體只能也必須經過樣品區。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域（圖 3），及時發生反應。
圖 3. 開始供液 37 秒（左上時間標）后，液體即進入觀察區（視頻經加速）。畫面亮度發生突變，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，會發生輻照分解2，產生大量自由基（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 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。
視頻 2：Stream 系統的 Nano-Cell 上芯片可配置石墨烯，保護樣品
03 DENS 原位 TEM 樣品桿
TEM IN SITU SAMPLE HOLDER
Ocean 系統
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 系統樣品桿前端模塊化設計示意圖
我們可以看到從早期的 Ocean 系統開始，樣品桿前已經采用靈活的模塊化設計，可拆卸、可清洗、可更換。當使用了太多次的腐蝕性液體或是未來要升級時，直接換掉前端即可。
Stream 系統
圖 5. Stream 系統樣品桿前端和管路采用模塊化設計
對于 Stream 系統來說，除了樣品桿前端，負責進出液體的管路也是可拆卸、可替換的（圖 5）。這種靈活設計尤其適合于課題組。組內眾多成員的原位實驗液體并不相同。有時即使是反復沖洗管路，也無法完全保證下一次液相實驗不受干擾。在這種情況下，直接更換另一套管路就是最佳選擇。
圖 6. Stream 系統樣品桿全貌圖，綠框內為手動閥
了解前端結構，我們再來看看 Stream 樣品桿的尾端。可以看到尾端左右各有一個閥門（圖 6），它們其實是樣品桿上對應進/出液管路的手動閥。這組閥門有以下用處：
01. 保證 Nano-Cell 內的密封性。當你需要把敏感樣品從手套箱內轉移到 TEM 時，就可以關緊閥門，保護樣品。
02. 可以在不連接供液系統的情況下進行原位液相實驗，當然前提需要把液體送到 Nano-Cell 內。
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。
04 DENS 供液系統
Liquid Supply System
圖 7. Ocean 系統供液系統，注射泵
上圖可以看到，Ocean 系統的供液方式采用的是步進電機+注射器的注射泵推進方案。這種方案設計簡單，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，步進電機的步幅還是較大，無法對流速進行精細控制。
2. 注射器的橡膠塞相對內壁有較大阻尼，無法實現對液體控制的快速響應。
3. 沒有集成氣路，無法向Nano-Cell內吹送氣體、減小液厚。
不過，Ocean 系統的設計初衷就是適用于簡單的液相實驗。這種注射泵加上簡約設計的 Nano-Cell 也足以達到該系統的設計目標。
圖 8. Stream 系統的供液系統設計：伸縮折疊式懸臂，便于安裝和存放
Stream的供液系統（Liquid Supply System，LSS）配備可移動底盤、集成氣動系統、伸縮式懸臂，實驗的時候方便移動、安裝、連接管路，在不用的時候則便于收納和存放。實際上，LSS 采用的是進/出口氣動式雙泵送液設計，內置預先校準過的流量計。功能強大的 LSS 配合獨特設計的 Nano-Cell，可以帶來以下便利：
· 流量監測+流道唯一，借助閉環反饋軟件，可實現對樣品區流量的精準、穩定控制。
· 可向 Nano-Cell 內通入氣體、趕走液體，以獲得更好的 TEM 結果。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反應所產生的多余氣泡。
· 雙泵設計+唯一流道，可實現對液體壓強、流速、厚度的精細控制。
· 流量監測可及時發現可能的堵塞，雙泵設計一推一拉可及時、有效地清理堵塞物。
LSS 結合 Nano-Cell 設計，芯片上配置進液口、出液口，保證了可靠且可重復的液體輸送功能，成功率超過 95%！
05 總結
SUMMARY
本文從 Nano-Cell、樣品桿、供液系統三個方面綜合對比了 DENS Ocean 系統和 Stream 系統前后兩代液相 TEM 方案。其中，Nano-Cell 是核心單元，負責密封液體并可根據需要設計諸多功能；供液系統則是動力系統，負責驅動液體流動，控制流速、壓強等參數；樣品桿則是二者之間的橋梁，借助內置的管路、線路，負責液體、氣體、壓強、電流在兩者之間的互動。
實際上，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 系統的所有單元全預覽：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 系統的所有單元預覽：1. 樣品桿；2. Nano-Cell；3. 電腦；4. 對中臺；5. 供液系統；6. 恒電位儀（內置）；7. 加熱控制器（內置）；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。它能及時發現泄露風險，確保樣品桿是真空密封的，進而保護 TEM 安全。對于 Stream 系統，還額外配置了恒電位儀/加熱控制器，結合裝有 Impulse 軟件的電腦，可以在液相環境原位進行電化學/加熱實驗。
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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