撰文：王文

　　在透射電子顯微鏡中，搭建nano-lab，原位觀察納米材料在外場，如力、熱、光、電、磁等作用下的行為，對于納米材料研究者已經(jīng)并不陌生。目前，原位電鏡研究進(jìn)行地如火如荼，并取得了很多令人矚目的成果。今天，就為大家簡單介紹一下原位透射電鏡技術(shù)中的一種——液體環(huán)境透射電鏡(Liquid cell TEM)。

　　一、為什么要研究液體環(huán)境透射電鏡技術(shù)?

　　絕大多數(shù)的液體，包括水和其他有機(jī)溶劑，有著較大的飽和蒸氣壓，無法在透射電鏡的高真空環(huán)境中存在，因此在研究液體環(huán)境中納米材料的行為時，需要構(gòu)建液體存放單元，將液體與電鏡中高真空環(huán)境隔離開來，這就需要利用Liquid cell TEM。Liquid cell TEM實際上就是通過微納加工，制作液體存放單元(Liquid cell)，然后將它固定在普通樣品桿或者專用液體樣品桿頭部，放入電鏡進(jìn)行觀察。

　　圖 1. Liquid Cell 結(jié)構(gòu)示意圖

　　二、原位液體透射電鏡技術(shù)發(fā)展史

　　In-situ Liquid cell TEM的雛形可以追溯到1934年，比利時布魯塞爾自由大學(xué)的Morton，利用兩片鋁箔包裹樣品的方法首次嘗試活體生物樣品的透射電子顯微學(xué)研究，但是由于鋁片及液體層較厚，其分辨率僅能達(dá)到微米量級。

　　近年來得益于微納加工技術(shù)以及微流控技術(shù)的進(jìn)步，Liquid cell的制備得到突破性進(jìn)展。2003年F. M. Ross設(shè)計制作的原位電化學(xué)Liquid cell芯片，是近代Liquid cell制備的里程碑。其結(jié)構(gòu)如圖2所示，底層硅片沉積一層多晶金電極，與頂層硅片之間通過SiO2環(huán)墊片膠合形成電化學(xué)反應(yīng)器，頂層硅片有兩個容器，分別引出兩個電極用來施加電偏壓。使用時將液體注入，通過毛細(xì)作用流入觀察窗口，然后將Liquid cell密封，放入電鏡中觀察。由于成像電子束需要透過100nm氮化硅薄膜窗口，以及接近1μm液體層空間分辨率僅為5nm。這種在兩層硅片之間形成液體腔室，采用氮化硅薄膜做觀測窗口的芯片，是后續(xù)很多改進(jìn)Liquid cell的發(fā)展原型。

　　圖2 (A). Liquid cell示意圖，(B)二電極Liquid cell光學(xué)照片(Rosset al., Nat. Mater., 2003, 532)。

　　目前Liquid cell制作方式主要有兩種，一類是closed cell，另一類是包含液體流通管道的flow cell(見圖3)。

　　圖 3. A.closed cell 三維結(jié)構(gòu)示意圖，B. 沿A圖中橫線橫斷面結(jié)構(gòu)圖(Zhenget al., Science, 2009, 1309)C. flow cell結(jié)構(gòu)示意圖(de JongeN et al., PNAS, 2009, 106).

　　2009年鄭海梅報道了一種超薄氮化硅窗口Liquid cell如圖3A&B，其氮化硅薄膜厚度僅為25nm，上下層芯片之間用超薄銦墊片鍵合形成Liquid cell室，觀測窗口內(nèi)液體層厚度約為200nm。在此基礎(chǔ)上，2014年Liao等人對超薄氮化硅窗口Liquid cell技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，將氮化硅薄薄膜度進(jìn)一步減小為13nm，液體層厚度約為100nm，有效地將空間分辨率提高到原子級。

　　2009年Neils de Jonge等人設(shè)計了開放Liquid cell，如圖3C，在無需冷凍和干燥的條件下，原位觀察完整細(xì)胞中的單個分子。其液層厚度約為7μm，空間分辨率可以達(dá)到4 nm。

　　除了采用氮化硅薄膜作為觀測窗口，2012年Jong Min Yuk首次提出利用石墨烯薄膜制備Liquid cell，并原位研究了鈀納米晶體的生長過程，如圖4。利用石墨烯作為觀察窗口材料，可以有效較少甚至忽略電子散射進(jìn)而實現(xiàn)原子級分辨率。隨后，利用石墨烯作為電子束透射窗口，衍生出了多種復(fù)雜的石墨烯Liquid cell結(jié)構(gòu)。特別的，2014年JongMin Yuk利用Liquid cell觀察了硅納米顆粒表面各向異性鋰化過程，使得利用石墨烯Liquid cell進(jìn)行電化學(xué)研究成為可能。但由于石墨烯薄膜很薄，很難放置常規(guī)的電化學(xué)電極，石墨烯Liquid cell用來研究電化學(xué)過程仍然受到很大的限制。

　　圖 4 石墨烯 Liquid cell 示意圖(Li et al.,Science 2010,330).

　　Liquid cell TEM不僅可以用來原位觀察液體環(huán)境中納米材料的行為，還可以在Liquid cell芯片和液體桿上集成加熱、冷凍元件，用于納米材料功能性測試，極大地拓寬了透射電鏡的研究范圍。如Haimei Zheng 課題組Kai-Yang Niu等利用可加熱Liquid cell，原位研究了柯肯達(dá)爾作用下，氧化鉍空心納米顆粒的形成過程。K.Tai利用冷凍平臺，研究了結(jié)晶期間冰中的相變，以及結(jié)晶前表面與金顆粒的動態(tài)相互作用。

　　圖5. A.Hollownanoparticle growth dynamics via Kirkendall effect (Paul Alivisatoset al., Nano Lett,2013,13). B.The dynamic interactions of Aunanoparticles at the ice crystallization front (Dillon et al.,Microsc. Microanal, 2014, 330)

　　綜上，目前Liquid cell芯片多是基于硅基襯底加工，窗口材料一般采用超薄氮化硅薄膜，Haimei Zheng課題組可以將氮化硅薄膜做到13nm左右，其他課題組以及商業(yè)化Liquid cell窗口材料一般做到30nm左右，窗口大小50*50μm。分辨率可以達(dá)到原子級，接近電鏡固有分辨率。并且可以集成加熱和冷凍功能，但對liquid cell穩(wěn)定性要求較高，并不容易實現(xiàn)。

　　三、原位液體透射電鏡技術(shù)的應(yīng)用

　　利用In-situ Liquid cell TEM可以觀察納米顆粒成核和生長的過程，用實驗證明一直存在爭議的問題，例如納米顆粒液相生長過程中主導(dǎo)機(jī)制是單體附加，還是顆粒融合。

　　圖 6. Video images showing simple growth by means of monomer addition (left column) or growth by means of coalescence (right column). (Zheng et al., Science, 2009, 1309)

　　可以研究異質(zhì)納米晶體生長過程

　　圖7. Comparison of Pdgrowth on 5 and 15 nm Au seeds. (a, d)Starting dark-field STEM images of a 5 nm(a) and a 15 nm (c) Au nanoparticles in 10 μM aqueous PdCl2 solution (samescale). (b,e) The same two particles after Pd deposition (84 s total beamexposure). (c, f) Schematic illustration of the Pd growth morphology for thetwo sizes of Au seed nanoparticles (E. A. Sutter et al., Nano Lett, 2013, 13) .

　　可以研究納米顆粒自組裝過程

　　圖8.TEM images of NPassembly formed under electron beam irradiation (a,b) and drop casting (c,d) onSiNx TEM grid. The scale bar is 100 nm (Jungwon Park et al., ACS NANO, 2012, 6) .

　　可以研究鋰離子電池鋰化過程。Huang 等人在開放 Liquid cell 中原位研究鋰離子電池鋰化過程中,氧化鋅納米線的膨脹、伸長和螺旋行為。

　　圖 9. Schematic of the experimental setup(Li et al.,Science 2010,330).

　　還可以用來觀察一些生物樣品。

　　圖 10. Image of the edge of a fixed COS7 cell after 5-min incubation with EGF-Au(de Jonge N et al., PNAS, 2009, 106).

　　當(dāng)然Liquid cell TEM的研究內(nèi)容不僅局限于這些，感興趣的可以閱讀Hong gang Liao 2016年發(fā)表在Annu. Rev. Phys.Chem.的一篇綜述文章Liquid Cell Transmission Electron Microscopy。

　　看到這里，估計有人會問，在研究過程怎么排除電子束對反應(yīng)過程的影響呢?電子束的確是讓人又愛又恨的存在，既需要利用它來成像，又不希望它與研究材料發(fā)生相互作用影響實驗結(jié)果。不過，別擔(dān)心，Liquid cell TEM領(lǐng)域大牛Ross已經(jīng)為你提供了量化電子束影響的理論依據(jù)!說到這里，小編不禁要感嘆，Ross是一位學(xué)術(shù)造詣很深又樂于分享的大牛。某次會議有幸向Ross當(dāng)面請教，她非常nice地鼓勵了我蹩腳的英語和并不成熟的想法，并且很耐心地給我講解，我們剛?cè)腴T的科研人需要這樣優(yōu)秀的偶像。

　　四、國內(nèi)研究現(xiàn)狀

　　08年以來國內(nèi)的透射電鏡發(fā)展十分迅速，目前國內(nèi)應(yīng)該有超過60臺帶有球差校正的透射電鏡，而且這一數(shù)字還在迅速增加。其中做Liquid cell TEM相關(guān)研究的課題組也有不少，并取得了不少重量級研究成果，鼓掌~~~~目前國內(nèi)從事Liquid cell TEM研究的課題組主要有：浙江大學(xué)張澤院士、廈門大學(xué)廖洪剛教授、北京工業(yè)大學(xué)隋曼齡教授、上海交通大學(xué)鄔劍波研究員、華東理工大學(xué)陳新教授，等。當(dāng)然，還有弱弱的小編~(如有遺漏，恕小編才疏學(xué)淺)。

　　那么最后一個問題來了，想做in-situ Liquid cell TEM研究去哪里找芯片呢?目前Liquid cell芯片和液體樣品桿已經(jīng)部分商業(yè)化，如Hummingbird 和Protochip等，但其售價比較昂貴，適合土豪課題組。很多課題組仍然在使用自制液體芯片，或與其他國內(nèi)微納加工公司合作。

　　小編只是拋磚引玉，為大家做一下簡單介紹一下，如有興趣，可以先參閱Frances M. Ross, Honggang Liao, Xin Chen三位的綜述文章。沒錯，其中有兩位是中國人，而且目前在國內(nèi)任職，小編是如此驕傲~~~