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原位液体环境透射电镜技术初相遇

本文授权转载自微信公众号研之成理(rationalscience),原作者:王文

在透射电子显微镜中,搭建nano-lab,原位观察纳米材料在外场,如力、热、光、电、磁等作用下的行为,对于纳米材料研究者已经并不陌生。目前,原位电镜研究进行地如火如荼,并取得了很多令人瞩目的成果。今天,就为大家简单介绍一下原位透射电镜技术中的一种——液体环境透射电镜(Liquid cell TEM)。

一、为什么要研究液体环境透射电镜技术?

绝大多数的液体,包括水和其他有机溶剂,有着较大的饱和蒸气压,无法在透射电镜的高真空环境中存在,因此在研究液体环境中纳米材料的行为时,需要构建液体存放单元,将液体与电镜中高真空环境隔离开来,这就需要利用Liquid cell TEM。Liquid cell TEM实际上就是通过微纳加工,制作液体存放单元(Liquid cell),然后将它固定在普通样品杆或者专用液体样品杆头部,放入电镜进行观察。

 

原位液体环境透射电镜技术初相遇

图 1. Liquid Cell 结构示意图

二、原位液体透射电镜技术发展史

In-situ Liquid cell TEM的雏形可以追溯到1934年,比利时布鲁塞尔自由大学的Morton,利用两片铝箔包裹样品的方法首次尝试活体生物样品的透射电子显微学研究,但是由于铝片及液体层较厚,其分辨率仅能达到微米量级。

近年来得益于微纳加工技术以及微流控技术的进步,Liquid cell的制备得到突破性进展。2003年F. M. Ross设计制作的原位电化学Liquid cell芯片,是近代Liquid cell制备的里程碑。其结构如图2所示,底层硅片沉积一层多晶金电极,与顶层硅片之间通过SiO2环垫片胶合形成电化学反应器,顶层硅片有两个容器,分别引出两个电极用来施加电偏压。使用时将液体注入,通过毛细作用流入观察窗口,然后将Liquid cell密封,放入电镜中观察。由于成像电子束需要透过100nm氮化硅薄膜窗口,以及接近1μm液体层空间分辨率仅为5nm。这种在两层硅片之间形成液体腔室,采用氮化硅薄膜做观测窗口的芯片,是后续很多改进Liquid cell的发展原型。

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 图2 (A). Liquid cell示意图,(B)二电极Liquid cell光学照片(Rosset al., Nat. Mater., 2003, 532)。

 目前Liquid cell制作方式主要有两种,一类是closed cell,另一类是包含液体流通管道的flow cell(见图3)。

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 图 3. A.closed cell 三维结构示意图,B. 沿A图中横线横断面结构图(Zhenget al., Science, 2009, 1309)C. flow cell结构示意图(de JongeN et al.,  PNAS, 2009, 106).

2009年郑海梅报道了一种超薄氮化硅窗口Liquid cell如图3A&B,其氮化硅薄膜厚度仅为25nm,上下层芯片之间用超薄铟垫片键合形成Liquid cell室,观测窗口内液体层厚度约为200nm。在此基础上,2014年Liao等人对超薄氮化硅窗口Liquid cell技术进行改进,将氮化硅薄薄膜度进一步减小为13nm,液体层厚度约为100nm,有效地将空间分辨率提高到原子级。

2009年Neils de Jonge等人设计了开放Liquid cell,如图3C,在无需冷冻和干燥的条件下,原位观察完整细胞中的单个分子。其液层厚度约为7μm,空间分辨率可以达到4 nm。

除了采用氮化硅薄膜作为观测窗口,2012年Jong Min Yuk首次提出利用石墨烯薄膜制备Liquid cell,并原位研究了钯纳米晶体的生长过程,如图4。利用石墨烯作为观察窗口材料,可以有效较少甚至忽略电子散射进而实现原子级分辨率。随后,利用石墨烯作为电子束透射窗口,衍生出了多种复杂的石墨烯Liquid cell结构。特别的,2014年JongMin Yuk利用Liquid cell观察了硅纳米颗粒表面各向异性锂化过程,使得利用石墨烯Liquid cell进行电化学研究成为可能。但由于石墨烯薄膜很薄,很难放置常规的电化学电极,石墨烯Liquid cell用来研究电化学过程仍然受到很大的限制。

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

  Liquid cell TEM不仅可以用来原位观察液体环境中纳米材料的行为,还可以在Liquid cell芯片和液体杆上集成加热、冷冻元件,用于纳米材料功能性测试,极大地拓宽了透射电镜的研究范围。如Haimei Zheng 课题组Kai-Yang Niu等利用可加热Liquid cell,原位研究了柯肯达尔作用下,氧化铋空心纳米颗粒的形成过程。K.Tai利用冷冻平台,研究了结晶期间冰中的相变,以及结晶前表面与金颗粒的动态相互作用。

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图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)

 综上,目前Liquid cell芯片多是基于硅基衬底加工,窗口材料一般采用超薄氮化硅薄膜,Haimei Zheng课题组可以将氮化硅薄膜做到13nm左右,其他课题组以及商业化Liquid cell窗口材料一般做到30nm左右,窗口大小50*50μm。分辨率可以达到原子级,接近电镜固有分辨率。并且可以集成加热和冷冻功能,但对liquid cell稳定性要求较高,并不容易实现。

三、原位液体透射电镜技术的应用

利用In-situ Liquid cell TEM可以观察纳米颗粒成核和生长的过程,用实验证明一直存在争议的问题,例如纳米颗粒液相生长过程中主导机制是单体附加,还是颗粒融合。

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图 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)

可以研究异质纳米晶体生长过程

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图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) .

可以研究纳米颗粒自组装过程

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图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) .

可以研究锂离子电池锂化过程。Huang 等人在开放 Liquid cell 中原位研究锂离子电池锂化过程中,氧化锌纳米线的膨胀、伸长和螺旋行为。

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

还可以用来观察一些生物样品。

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图 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).

当然Liquid cell TEM的研究内容不仅局限于这些,感兴趣的可以阅读Hong gang Liao 2016年发表在Annu. Rev. Phys.Chem.的一篇综述文章Liquid Cell Transmission Electron Microscopy。

看到这里,估计有人会问,在研究过程怎么排除电子束对反应过程的影响呢?电子束的确是让人又爱又恨的存在,既需要利用它来成像,又不希望它与研究材料发生相互作用影响实验结果。不过,别担心,Liquid cell TEM领域大牛Ross已经为你提供了量化电子束影响的理论依据!说到这里,小编不禁要感叹,Ross是一位学术造诣很深又乐于分享的大牛。某次会议有幸向Ross当面请教,她非常nice地鼓励了我蹩脚的英语和并不成熟的想法,并且很耐心地给我讲解,我们刚入门的科研人需要这样优秀的偶像。

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四、国内研究现状

08年以来国内的透射电镜发展十分迅速,目前国内应该有超过60台带有球差校正的透射电镜,而且这一数字还在迅速增加。其中做Liquid cell TEM相关研究的课题组也有不少,并取得了不少重量级研究成果,鼓掌~~~~目前国内从事Liquid cell TEM研究的课题组主要有:浙江大学张泽院士、厦门大学廖洪刚教授、北京工业大学隋曼龄教授、上海交通大学邬剑波研究员、华东理工大学陈新教授,等。当然,还有弱弱的小编~(如有遗漏,恕小编才疏学浅)。

那么最后一个问题来了,想做in-situ Liquid cell TEM研究去哪里找芯片呢?目前Liquid cell芯片和液体样品杆已经部分商业化,如Hummingbird 和Protochip等,但其售价比较昂贵,适合土豪课题组。很多课题组仍然在使用自制液体芯片,或与其他国内微纳加工公司合作。

小编只是抛砖引玉,为大家做一下简单介绍一下,如有兴趣,可以先参阅Frances M. Ross, Honggang Liao, Xin Chen三位的综述文章。没错,其中有两位是中国人,而且目前在国内任职,小编是如此骄傲~~~

声明:版权属于原作者。

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