CN108375598B - 一种电子显微镜用新型光纤耦合原位液体样品系统及使用方法 - Google Patents

一种电子显微镜用新型光纤耦合原位液体样品系统及使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明旨在公开一种电子显微镜用新型光纤耦合原位液体样品室系统及使用方法。利用光纤将光信号照射在原位液体样品室的窗口上，实现在扫描电子显微镜下与透射电子显微镜下纳米材料在光信号下的动态行为的实时观察。揭示纳米材料的光化学合成、光催化、光控制和光刻蚀的基本原理。

Description

一种电子显微镜用新型光纤耦合原位液体样品系统及使用 方法
技术领域
本发明涉及一种电子显微镜（电镜）用新型光纤耦合原位液体室系统及使用方法。具体涉及一种将光信号加载到原位液体室电镜系统的新型使用方法，基本内容包括将光纤耦合光源装置安装到电镜以外，设计加工可以让光纤通过的结构部件加以密封，将光源发出的光信号引入到原位液体室中的液体样品上，并且最大限度避免增加液体室部分厚度，形成光纤耦合系统。在电镜中原位观察液体样品在光信号下的动态行为，揭示纳米材料的光化学合成、光催化、光控制和光刻蚀的基本原理。该系统的特征还在于不仅可以在扫描电镜上使用，而且其原位液体室可以从扫描电镜载物台上拆卸放在透射电镜系统中，进行光信号加载实验和原位扫描电镜比较分析。
背景技术
对液体中的纳米材料和动态过程进行高分辨实时分析具有重要意义。电镜技术特别是透射电镜技术有很好的成像分辨率，但对系统真空度有很高的要求，因此传统电镜技术通常只能处理干态样品。环境电镜技术利用差动抽气的方法允许在样品周围保留一定的气压，引入一定限度的气氛和水蒸气，但仍难以达到真实液态环境的条件。
原位液体电镜技术的出现，实现了在电镜中对一般液体样品的实时观察，突破了传统电镜技术难以研究液态样品的极限[M. J. Williamson, et al., Dynamicmicroscopy of nanoscale cluster growth at the solid–liquid interface, NatureMaterials, 2003, 2(8): 532-536]。Frank等人设计的用多个O-ring密封，利用盒体旋转法进行定位组装的金属质原位液体样品室技术带动了原位液体电镜的在科研和商业领域的快速发展[R.Franks, et al., A study of nanomaterial dispersion in solutionby wet-cell transmission electron microscopy, Journal of Nanoscience andNanotechnology, 2008,8(9): 4404-4407]。
目前仅仅能够在电镜中观察液体样品已经不能满足科学探索的需求了，具有冷冻或加热功能、电化学功能、流动液体功能的多功能液体原位电镜被设计和制造了出来。利用这些新功能，冰水微观物态变化，高温下纳米材料的扩散性质以及电化学反应过程（电镀或电沉积）都一一被揭示出来[Chen, X., et al. Recent developments of the in situwet cell technology for transmission electron microscopies. Nanoscale，2015，7(11): 4811-4819]。可见，实现液体样品在外加作用下的动态观察已经成为原位液体电镜系统发展的一个重要方向。同时，发展新技术，使得先进原位液体样品室可以拆卸下来，分别安装放置在扫描电镜、透射电镜和光学显微镜中进行比较分析也具有重要意义[Y.Wang, et al. A Structural Study of Escherichia coli Cells Using an In SituLiquid Chamber TEM Technology. J Anal Methods Chem, 2015, 2015: 829302.]。
纳米材料的光化学合成和光化学催化是纳米技术领域一个热门方向。一方面利用不同波长和强度的光照射液相前驱体，可以制备不同形貌的纳米颗粒；另一方面，纳米材料在光信号下会展现各种动态转变；此外还有光裂解水制氢、光电化学转换、光催化污水处理、光催化杀菌消毒的各种应用。激光具有强度高、方向性和单色性好等优点，因此发展激光照射的原位液体室电镜技术具有重要意义。目前有人在透射电镜中置入常规的激光器实现对原位液体室的光照[J. E. Evans, et al. Controlled Growth of Nanoparticlesfrom Solution with In Situ LiquidTransmission Electron Microscopy. NanoLett., 2011, 11:2809-2813]，但这种方法需要对电镜系统进行重大改动，成本极为高昂，难以推广。
要实现易于推广的实用激光光照原位液体室电镜技术，有几个技术难关必须克服：1）首先是能保持电镜系统的真空度。这里不仅需要满足将光束引入真空系统中同时保持电镜系统内部的真空度，更需要维持原位液体室中的液体不会向真空中泄漏。如果密封不良，少量液体泄露到真空系统中，其体积会随着气化过程急剧膨胀，对真空产生不良影响，因此对液体室的密封性提出了极高的要求。液体室的窗口做的极薄以允许电子束通过进行成像，又有良好的强度能够对液体进行密封，在装置设计使用中需要对其进行良好保护，避免影响其强度或造成其破裂。2）其次电镜系统，尤其是透射电镜系统的样品空间非常狭小，并且不同设备的样品空间大小还会有所不同，因此引入光束的装置设计需要尽量避免增加样品部分的厚度，以免装置尺寸超出电镜许可范围以及减小装置在不同电镜系统中的兼容度。在这种情况下要使光束能够准确有效地照在原位液体样品室的窗口上，而不是被原位液体样品室的部件挡住，就有了相当的技术难度。3）此外，使得满足以上条件的原位光照液体室能够取下来在扫描电镜、透射电镜、以及光学显微镜中交替使用，也是需要解决的技术问题。
本发明旨在设计实现易于推广的实用激光光照原位液体室电镜装置，利用光纤将光束引入电镜系统，有效照射在原位液体样品室上，用以开展原位光照液体电镜实验。设计着重于在维护装置的真空密封性、避免增加样品部分厚度的条件下实现对液体室的有效光照，同时装置具备在扫描电镜、透射电镜和光学显微镜中的兼容性，能够开展多显微镜分析比较研究。
发明内容
本文发明一种电子显微镜用新型光纤耦合原位液体电镜样品系统及使用方法。利用光纤将光束引入电镜系统，照射在原位液体样品室上，用以开展原位光照液体电镜实验。设计着重于在维护装置的真空密封性、避免增加样品部分结构厚度的条件下实现对液体室的有效光照，同时液体室装置具有超薄结构，具备在扫描电镜、透射电镜和光学显微镜中的兼容性，能够开展多显微镜分析比较研究。
其一、将原位液体样品室放到扫描电镜的真空腔中，利用接口装置将光纤引入电镜真空室，通过调整位置调节装置，使得光纤信号能够对准照射到原位液体室的窗口位置，如图1所示。
其二、设计制造可容纳光纤通过的密封性良好的原位液体样品杆，将光纤和光纤耦合激光器安装到样品杆上，其基本构造如图2所示。通过密封接口将样品杆内部与大气隔绝，可以让激光器远端光纤接口固定密封在用作密封接口的法兰的外侧，在法兰内侧引出光纤裸纤，通入样品杆中，延伸到样品室部分。或通过光纤接口将激光器输出的光引到光纤裸纤中，再让光纤裸纤通过密封法兰，将光纤裸纤通入样品杆中并加以密封，延伸到样品室部分。通过固定部件调节柔性光纤的角度使其发射的光线照射到样品室的窗口部分。光纤穿过法兰时，可以经过真空密封的光纤接口，也可以直接通过法兰上开出的小孔道再在光纤和孔道之间加以密封。
本发明的实施步骤主要包括以下方面：
1、液体室放在扫描电镜中，利用引入扫描电镜的光纤进行光照实验。
2、大气端光纤与光源连通，真空端通过光纤位置和角度的调节使光纤发出的光线照射到原位液体样品室的窗口上，实现光信号的加载。
3、制造中空透射电镜样品杆，或对商业样品杆改造，打通制成中空样品杆，可在透射电镜中使用。
4、可以对液体室及样品杆进行真空检漏处理。
5、将光纤裸纤通入中空的透射电镜样品杆中并加以密封，延伸到样品室部分，这一组装操作过程可在光学显微镜下实施及进行观察照相，如图3所示。
6、用透射电镜原位观察在光信号下，液体样品的动态变化。
7、避免光纤引入增加液体室部分厚度可采用的方法包括在液体室盒体上片上加工光纤引导浅槽将光纤埋入其中（要注意盒体很薄要避免打透造成泄漏），或避免使用多橡胶圈密封，改用单橡胶圈密封超薄液体室设计，如图4a所示。使用超薄液体室结构设计节约出来的空间可以在盒体上加工固定微透镜，帮助光束更好地聚焦在液体室窗口上，液体室盒体盖片上可以加工沟槽用以减少和避免盖片对光束的遮挡，如图4b所示。其中固定支架可以用于单根光纤固定，也可以进行多光纤固定。光纤引导槽也可以采用增加宽度和加工多个引导槽的方式实现多光纤的引入。
8、除了向液体室方向引入单根光纤，还可以引入多根光纤；在引入多根光纤时可以使用单一激光器进行照明，或使用多个激光器分别通向不同光纤进行照明，或将不同光纤分别连接到激光器和光探测器分别执行光照和光探测功能。多激光器照明时使用多根光纤分别将光束引向液体室，或使用光耦合器将光束汇入单根光纤，再通过真空接口以及样品杆引到液体室部分。
附图说明
图1扫描电镜中使用光纤原位液体光照装置示意图。
附图标记说明：1-光纤位置调整装置，2-光纤裸纤，3-液体样品室。
图2透射电镜光纤原位液体光照装置示意图。
附图标记说明：4-透射电镜样品杆，5-光纤接头，6-密封法兰，7-光纤耦合激光器，8-光纤耦合激光器电源线，9-大气端光纤。
图3在光学显微镜下组装操作及观察照相操作示意图。
附图标记说明：10-光学显微镜，11-样品杆托架。
图4（a）超薄单一橡胶圈液体室结构图；（b）在超薄液体室上通过透镜装置进行光束聚焦示意图。
图5在扫描电镜系统中引导光纤将光束照射在样品台上的液体室窗口上的实物照片。
图6液体室中的样品在光照前后的扫描电镜对比照片。
图7对安装在自制透射电镜样品杆上的液体室加载光信号实物照片（a）、（b），和光学显微镜下对窗口部分的放大照片（c）。
图8对安装在打通的商业透射电镜样品杆上的液体室固定光纤实物照片。
具体实施方式
实施例1
如上述步骤，配制20g/L的H2PtCl6溶液，装载到液体样品室内，窗口部分上面用50nm厚的Si3N4薄膜窗口进行封装，下面使用3 mm 直径盲芯片封装，然后，装载到扫描电子显微镜的真空腔内，使用325 nm/442 nm双波长激光器，采用442 nm的光信号，利用透镜聚焦将光束引入光纤，再将光纤引入电镜真空室，加载到原位液体样品室的窗口上，获得如图5所示的相机照片结果。在扫描电子显微镜下观察，在光照前后，纳米材料出现明显的变化，表明光信号确实可以改变纳米材料在液体中的存在状态，促使其产生微观形态变化，其扫描电镜对比照片如图6所示。
实施例2
如上述步骤，配制20g/L的H2PtCl6溶液，装载到液体样品室内，用50 nm厚的Si3N4薄膜窗口进行封装，然后，装载到自制的透射电子显微镜样品杆上。采用405 nm的光信号加载到原位液体样品室的窗口上，获得如图7的结果。图7a是装置侧面相机照片，显示光纤埋入液体室盒体上片上加工出的浅槽中，不增加液体样品室部分的厚度。浅槽略成向下斜坡，利于光束下行更好地照在液体室上。图7b显示激光器打开后光纤前端发亮，有激光射出。在液体室下方有一小块亮区，是激光穿过液体室，照在背景上形成的。图7c是光学显微镜照片，显示光纤通过窄槽，被引向液体室窗口附近，并将窗口部分照亮。图中液体室设计和加工令组装过程中螺钉和金属盒体部件之间相对位置固定，安装时不发生旋转和滑动，能够良好保护薄膜窗口，避免相对运动造成损伤。
实施例3
如上述步骤，配制20g/L的H2PtCl6溶液，装载到液体样品室内，用50 nm厚的Si3N4薄膜窗口进行封装，然后，装载到打通的商用透射电子显微镜样品杆上。将光纤从中引出，埋入液体室盒体上片上加工出的浅槽中，用真空匹配的胶水固定，引向液体室窗口，如图8所示。这里将光纤从液体室固定螺钉边缘绕过，进一步避免了液体室装置厚度的增加。

Claims (9)

1.一种电子显微镜用新型光纤耦合原位液体样品系统，该系统包括以下特征：
(1)光信号通过光纤照射到原位液体样品室的窗口上，所述原位液体样品室包含Si3N4薄膜窗口和金属盒体；
(2)在面向光纤一侧，在金属盒体上表面制作有下陷的光纤引导凹槽用于光纤的通过和固定，或在金属盒体盖片上加工沟槽以减少和避免盖片对光束的遮挡；
(3)所述原位液体样品室固定在扫描电镜载物台上、透射电镜样品杆上进行光纤耦合实验；
(4)在电镜中观察在光照射下，液体样品的动态行为。
2.根据权利要求1所述的一种电子显微镜用新型光纤耦合原位液体样品系统，其使用电镜为扫描电镜，包括以下特征：
(1)将光纤经过密封装置通入扫描电镜载物台上，并使其光束照射到原位液体样品室部分；
(2)在面向光纤一侧，所述金属盒体与薄膜窗口衬底之间使用胶水密封设计，从而减薄盒体结构厚度，减小和避免盒体对光纤的遮挡；
(3)用电镜原位观察在光照射下，液体样品的动态行为；
(4)光纤光束的引入不增加原位液体样品室部分结构的厚度。
3.根据权利要求1或2所述的一种电子显微镜用新型光纤耦合原位液体样品系统，所用的光源有光纤耦合激光器、半导体激光器、红宝石激光器、气体激光器、液体激光器，所用的光纤输出模式包括单模和多模。
4.根据权利要求1或2所述的一种电子显微镜用新型光纤耦合原位液体样品系统，所用的光信号波段包括紫外光、可见光、红外光。
5.根据权利要求1或2所述的一种电子显微镜用新型光纤耦合原位液体样品系统，在大气端将光引入光纤的方式包括由光纤耦合激光器直接照入光纤、经光纤接口对接逐级引入、激光器光束经汇聚透镜聚焦照入光纤。
6.根据权利要求1或2所述的一种电子显微镜用新型光纤耦合原位液体样品系统，在电镜中引导光束照射到液体室的方法包括使用光纤位置调节器、光纤引导通道和光纤引导槽、光束引导通道和沟槽、固定夹具、固定支架、固定胶。
7.根据权利要求1或2所述的一种电子显微镜用新型光纤耦合原位液体样品系统，通过使用微透镜、微反射镜、增加光线通过的槽口，来增加光照强度。
8.根据权利要求1或2所述的一种电子显微镜用新型光纤耦合原位液体样品系统，光路中使用单一光源或使用多个光源并使用光纤光耦合器进行耦合来增加波长种类，使用单根光纤或使用多根光纤增加波长种类和光照强度，多根光纤均用于光照或多根光纤分别担当光照和光探测功能。
9.根据权利要求1所述的一种电子显微镜用新型光纤耦合原位液体样品系统，使其原位液体样品室固定在扫描电镜载物台上、透射电镜样品杆上进行光纤耦合实验，在扫描电镜、透射电镜之间转移进行比较分析；原位液体样品室用于扫描电镜中的光照实验而不对其进行透射电镜比较时，原位液体样品室两侧均使用薄膜窗口芯片或只在电子束一侧使用薄膜窗口芯片进行原位液体样品室组装。
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