DENS TEM 原位液相系统新旧对比：对液体压强、流速、厚度的精细控制

引言 

借助透射电子显微镜(TEM)可以获得原子尺度的结构、成分信息。然而，传统 TEM 技术受到了一些限制，其中之一是只能用来观察超薄固体样品，而无法应用于液体环境的研究。主要原因是在液体环境下进行 TEM 观察会带来两个挑战：

其一，液体环境下必须确保严密的密封，以防止液体泄漏进入 TEM 系统。一旦液体泄漏，TEM 内部的真空环境将受到严重破坏，导致设备故障。

其二，液体中的大量分子会散射电子束，电子束照射液体会产生大量自由基，这些都会影响图像质量和数据分析的准确性。

此外，在液体环境下，研究者还需要解决如何实现静态和流动条件之间的切换、流速的精确控制、压强的调节以及液层厚度的控制等实际问题。这些问题都需要在实验设计和进行中谨慎考虑，以确保有效且可靠的液体 TEM 研究。

只有通过有效的方法解决上述问题，才有可能把 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。一种典型的解决方案就是液体微室电子显微术¹(Liquid Cell Electron Microscopy, LCEM)。该方案的核心是使用上下两层真空密封的电子透明薄膜(如图 1 深蓝色)隔离出一个微室，用以密封流经液体，同时又可以确保电子束的透过性。

图 1. LCEM 的工作示意图和应用领域

DENSsolutions  TEM 原位液相系统

作为一家总部位于荷兰的企业，DENSsolutions 秉持着开放式创新理念，借助 MEMS 技术并持续进行产品更新和迭代，致力于为科研工作者提供先进的原位解决方案。公司的液相方案遵循 LCEM 设计思路，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。

在本文中，我们将从 Nano-Cell、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

Working Principle and Design

首先，一起来看个视频，直观了解下 Ocean、Stream 这两种系统的工作原理和设计思路。

DENSsolutions

https://weixin.qq.com/sph/AXHII2

视频 1.  Ocean 系统和 Stream 系统对比

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

IN SITU HEATING & BIASING

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²，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。

DENSsolutions

视频 2：Stream 系统的 Nano-Cell 上芯片可配置石墨烯，保护样品

03 DENS 原位 TEM 样品杆

TEM IN SITU SAMPLE HOLDER

Ocean 系统

Nano-Cell 放入样品杆前端后，盖上金属压盖，并以特定扭矩固定左右两端螺丝（图 4）。采用两侧固定、特定扭矩的方式有利于确保 Nano-Cell 的安全密封。

图 4. Ocean 系统样品杆前端模块化设计示意图

我们可以看到从早期的 Ocean 系统开始，样品杆前已经采用灵活的模块化设计，可拆卸、可清洗、可更换。当使用了太多次的腐蚀性液体或是未来要升级时，直接换掉前端即可。

Stream 系统

图 5. Stream 系统样品杆前端和管路采用模块化设计

对于 Stream 系统来说，除了样品杆前端，负责进出液体的管路也是可拆卸、可替换的（图 5）。这种灵活设计尤其适合于课题组。组内众多成员的原位实验液体并不相同。有时即使是反复冲洗管路，也无法完全保证下一次液相实验不受干扰。在这种情况下，直接更换另一套管路就是最佳选择。

图 6. Stream 系统样品杆全貌图，绿框内为手动阀

了解前端结构，我们再来看看 Stream 样品杆的尾端。可以看到尾端左右各有一个阀门（图 6），它们其实是样品杆上对应进/出液管路的手动阀。这组阀门有以下用处：

01. 保证 Nano-Cell 内的密封性。当你需要把敏感样品从手套箱内转移到 TEM 时，就可以关紧阀门，保护样品。

02. 可以在不连接供液系统的情况下进行原位液相实验，当然前提需要把液体送到 Nano-Cell 内。

Nano-Cell 放入样品杆固定之后，杆子尾端通过管路即可连接到供液系统。

04 DENS 供液系统

Liquid Supply System

图 7. Ocean 系统供液系统，注射泵

上图可以看到，Ocean 系统的供液方式采用的是步进电机+注射器的注射泵推进方案。这种方案设计简单，可以为液体提供较大推力。但却存在以下短板：

1. 相对于微量液体，步进电机的步幅还是较大，无法对流速进行精细控制。

2. 注射器的橡胶塞相对内壁有较大阻尼，无法实现对液体控制的快速响应。

3. 没有集成气路，无法向Nano-Cell内吹送气体、减小液厚。

不过，Ocean 系统的设计初衷就是适用于简单的液相实验。这种注射泵加上简约设计的 Nano-Cell 也足以达到该系统的设计目标。

图 8. Stream 系统的供液系统设计：伸缩折叠式悬臂，便于安装和存放

Stream的供液系统（Liquid Supply System，LSS）配备可移动底盘、集成气动系统、伸缩式悬臂，实验的时候方便移动、安装、连接管路，在不用的时候则便于收纳和存放。实际上，LSS 采用的是进/出口气动式双泵送液设计，内置预先校准过的流量计。功能强大的 LSS 配合独特设计的 Nano-Cell，可以带来以下便利：

流量监测+流道唯一，借助闭环反馈软件，可实现对样品区流量的精准、稳定控制。

可向 Nano-Cell 内通入气体、赶走液体，以获得更好的 TEM 结果。之后还可再送入液体。

直接控制+唯一流道，可以冲走/溶解由于电子束辐照或电化学反应所产生的多余气泡。

双泵设计+唯一流道，可实现对液体压强、流速、厚度的精细控制。

流量监测可及时发现可能的堵塞，双泵设计一推一拉可及时、有效地清理堵塞物。

LSS 结合 Nano-Cell 设计，芯片上配置进液口、出液口，保证了可靠且可重复的液体输送功能，成功率超过 95%！

05 总结

SUMMARY

本文从 Nano-Cell、样品杆、供液系统三个方面综合对比了 DENS Ocean 系统和 Stream 系统前后两代液相 TEM 方案。其中，Nano-Cell 是核心单元，负责密封液体并可根据需要设计诸多功能；供液系统则是动力系统，负责驱动液体流动，控制流速、压强等参数；样品杆则是二者之间的桥梁，借助内置的管路、线路，负责液体、气体、压强、电流在两者之间的互动。

实际上，一套完整的液相方案除了上述三大单元外，还有检漏仪等附件：

图 9. Ocean 系统的所有单元全预览：1. Nano-Cell；2. 样品杆；3. 样品杆支架；4. 检漏仪；5. 注射泵；6. 泵头备品

图 10. Stream 系统的所有单元预览：1. 样品杆；2. Nano-Cell；3. 电脑；4. 对中台；5. 供液系统；6. 恒电位仪（内置）；7. 加热控制器（内置）；8. 检漏仪

对比观察上述两图，可以看到检漏仪是液相 TEM 方案的必须配置。它能及时发现泄露风险，确保样品杆是真空密封的，进而保护 TEM 安全。对于 Stream 系统，还额外配置了恒电位仪/加热控制器，结合装有 Impulse 软件的电脑，可以在液相环境原位进行电化学/加热实验。

最后，我们把之前提到的对比汇总成一张表，供大家快速了解两者差异：

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.

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

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