液体细胞透射电子显微镜及其应用

长期以来，透射式电子显微镜一直是了解材料结构的重要工具。在过去的几十年里，这项古老的技术经历了许多革命，如发展了原子级成像的像差校正，实现了对生物样品成像的低温瞬变显微镜，以及允许原位观察动态系统的新仪器。在透射电子显微镜下对液相反应进行原位成像，可以极大地加深人们对从电化学到细胞生物学等领域的基本过程的了解。在这里，Pu^[1]等人回顾了如何进行液体的原位透射电子显微镜实验，特别是微芯片封装的液体细胞透射电子显微镜。他们将介绍该技术的基础知识，以及与相关的用于表征液体体系的原位透射电子显微镜方法相比，该技术的优点和缺点。

液体细胞透射电子显微镜可以观察到常规的透射电子显微镜或其他技术无法成像的过程。虽然低温电子显微镜可以用来安全地成像和确定它们的结构，但样品不再处于原始状态，在样品冷冻过程中可能会出现样品损坏和文物。液胞透射电子显微镜不仅可以保存样品在透射电子显微镜真空中的液体状态，还可以对生物过程进行原位观察。

原位电子显微镜已经成为在纳米尺度上观察反应的流行技术。与其他原位技术如原子力显微镜、扫描隧道显微镜和各种X射线方法相比，透射电子显微镜不仅具有高时间和空间分辨率的优势，而且还提供了在纳米尺度上结构、形态或元素分布的任何变化的直观可视化。封闭式液晶盒的发展使液相反应的原位电子显微镜成像成为可能，开辟了从电化学到细胞生物学的研究领域。Pu^[1]等人讲述这项技术的基本知识，它与相关的表征液体体系的原位透射电子显微镜方法的优缺点，以及它在生物、化学和材料科学领域的应用。

图1不同的液相透射电子显微镜成像技术的比较。^[1]

在透射电子显微镜中，高能电子束穿过薄的样品，其中一些电子束有可能发生弹性和非弹性散射。可以通过不同的方式收集和分析产生的光束。这项技术有两个关键要求。首先，TEM柱需要保持高真空，至少10⁻⁵Pa，以最大限度地减少不需要的电子束散射和样品污染。其次，样品需要足够薄，以便电子穿透，通常是数百纳米量级的纳米级成像。这些要求对于成像液态样品是有问题的；大多数液体在高真空下会简单地蒸发，并且操纵液体以保持足够稀薄可能是具有挑战性的。解决这些问题的方法有很多，如图1所示，比较了液体样品的主要透射电子显微镜成像方法。

图3 (a)以液态Au-Si液滴为催化剂生长锯齿状面切硅纳米线。(b) Au-Si液体表面的晶体有序。(c)单个SnO2纳米线阳极在−3.5 V电压下对LiCoO2阴极的锂化。^[1]

除了纳米材料的合成和操作，电池循环和生物细胞，液体TEM也被广泛应用于其他领域。随着分辨率的提高和定制化功能的增加，液体透射电镜将在未来探索更多的研究领域。

[1] Pu Shengda, Gong Chen and Robertson Alex W. 2020Liquid cell transmission electron microscopy and its applicationsR. Soc. Open Sci. 7: 191204