直接观察液体样品的原位电镜技术
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电镜通常在高真空下工作，要求所观察的样品无水且无易挥发的其他溶剂，而很多样品(如生物样品、自组装体系)在干燥状态下和在溶剂中的存在或聚集状态不同，干燥之后在电镜中观察的结构有所变化，应用光学显微镜分辨率又不足，因此，需要在电镜中原位观察液体样品。原位液体电镜技术（in situ EM）还可观察溶液中进行的化学反应过程，对于研究反应原理及控制反应过程具有重要意义。
自发明电镜以来，直接观察液体样品就是电镜的一个发展方向，其中一个重要的方法是应用差分抽真空系统在电镜中形成一个开放的液体样品仓，但是还存在真空比较高及液体厚度不好控制等问题，近年来，随着微加工、微流控技术及电镜本身技术的发展，使用氮化硅(SiN)、碳薄膜(carbon foil)及石墨烯(graphene sheet)作为液体样品腔(liquid cell)的原位电镜技术已取得了较大的进步。
应用液体样品腔在电镜中进行观察的原理如图1所示，在透射电镜中，电子束通过很薄的液体层后进行成像，在扫描电镜中，电子束入射到样品上产生背散射电子由探头吸收后成像。
液体样品腔需要满足几个条件：
(1) 透射电镜(TEM)是采集透过样品的电子信号得到样品的结构信息，扫描电镜是通过电子束在样品上扫描，收集样品产生的二次电子和背散射电子等得到样品的结构信息，所以要求样品腔体观察窗口材料对电子束透明；
(2)电镜在高真空工作，要求液体样品腔(liquid cell)有很好的密封性及一定的机械性能；
(3)透射电镜通常要求样品厚度小于0.5μm，所以液体样品腔的观察窗口要薄，并且要控制形成较薄的液层厚度。基于以上要求，目前使用的样品腔观察窗口有氮化硅(SiN)、碳薄膜(carbon foil)及石墨烯(graphene sheet)。其中较为成熟的是氮化硅，其膜厚度均匀、机械性能好、生产工艺成熟，液体样品腔是由以氮化硅薄膜(通常厚度为20-100nm)为观察窗口，以硅为基底的两个芯片组成，可外加流动系统控制液体样品循环流动，如图2所示。以石墨烯(graphene sheet)为观察窗口的液体腔结构如图3所示，石墨烯片层包裹液体样品，由于石墨烯及液层更薄所以可达到更高的分辨率，但制备样品腔的方法还不成熟。
相对于干燥的样品，液体中的溶剂对入射电子的散射作用增大了电子束的能
量色散，从而使分辨率下降，液层越厚分辨率越低。对于透射成像，假定样品位于样品腔底部即透射电子的出射端，且观察窗口对于电子束没有影响，电镜的分辨率可近似表示为：
其中，α 为物镜孔径半角，Cc 为色差系数，E 为电子束能量，ΔE 为电子束能量的展宽。
ΔE 与溶液的密度、组成的原子序数、液层厚度及电子质量和运动速度等相关，对于水溶液，透射成像的分辨率近似为：
式中，T 为液层厚度。如果用200kV 的电镜，当 α= 10 mrad, Cc= 2 mm, T=1μm时，可算得分辨率约为4nm，加速电压为300kV 时，分辨率约为1nm。这些是在理想状态下即样品位于液体腔电子束的出口处能达到的分辨率，实际的样品分辨率会降低。
STEM 成像比TEM 成像的分辨率高，液层几个微米厚时都可达到纳米级的分辨率，且样品位于液层表面即电子束入射端时分辨率最高。由于STEM成像对原子序数敏感，所以特别适用于在水或有机溶剂中的重元素物质的成像，例如，在STEM模式下，当探针电流为0.5 nA，像素停留时间为10μs，水溶液液层厚度为5μm时，可观察到1.4nm的Au颗粒。
EM成像使用的加速电压比TEM/STEM低，能量低使得展宽更大，分辨率降低，而且对于观察窗口的厚度及样品在液层的深度更为敏感。使用20kV的加速电压，30nm厚的SiN可达到的最好分辨率约为7nm，如果样品在液层中的深度为100nm，分辨率就下降到约20nm。这与ESEM(环境扫描电镜)类似，在真空下观察固体样品ESEM可到到与SEM一样的分辨率，但是在表面有液体的样品时，随着液层厚度的增加，分辨率也下降很快。
图4所示为TEM, STEM 和SEM成像的分辨率与液层厚度的关系，其中TEM和STEM应用的加速电压为200kV，观察窗口是30nm厚的SiN薄膜。TEM和STEM成像的分辨率随液层厚度的增加递减，而扫描电镜成像采集的是靠近窗口的液层表面的背散射电子，所以分辨率跟液层的厚度无关。
应用电镜原位技术除了可观察样品在溶液中的聚集状态外，还可实时观察溶液体中进行的化学反应，对于研究反应机理及对反应过程进行控制具有重要意义。典型的应用是对电化学过程的观察，在透射电镜的液体腔中引入电极和电解液即可实时观察电化学反应，如图5是用透射电镜观察的Cu在Au电极上电沉积的过程，可以清晰的看出Cu的成核和生长过程，通过改变电化学条件研究整个反应过程，发现Cu的成核密度及生长速度与扩散控制模型不符，通过实验数据进行修正可更准确的控制反应以得到特定形貌的沉积产物。
在用透射电镜进行观察时，电子束对样品的热效应及其他效应会引发一些反应，尤其是在溶液中更溶液引发反应。例如，含Pt+的溶液在电子束作用下会激发Pt 颗粒的生长，图6示出了以SiN 为窗口观察到的Pt 颗粒的生长过程，显示在此过程中临近的Pt与Pt 小颗粒之间通过结合生成较大的颗粒。若采用石墨烯为液体腔，透射电镜使用球差和色差校正器，可以在原子级的分辨率下观察Pt的生长过程，从而得到Pt 颗粒的生长机理，如图 7 所示，首先是形成面心立方(fcc)的小Pt 颗粒，然后小颗粒与小颗粒之间通过一个轴结合形成fcc 的孪晶，随着孪晶轴两侧晶体的生长最后形成了六角形貌的Pt 颗粒。
总之，可观察液体样品的原位电镜技术为液体中物理及化学过程的研究提供了非常有效的方法，将在更多的领域展现出良好的应用前景，如在能源领域可研究锂离子电池等储能材料及反应过程，在生物领域原位研究生命过程等。
【参考文献】
1. Niels de Jonge et al., Nature Nanotechnology, 2011, 6, 695.
2. Jong Ming Yuk et al., Science 2012, 336, 61.
本文转载自中国科学院化学所分析测试中心，测试谷编辑晓峰整理编辑。
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