原位 使用液相扫描电镜表征水中的勃姆石颗粒

本原位液体扫描电子显微镜成像方法的总体目标是提供一种技术方案，实现在常规高真空扫描电镜（SEM）中利用与真空兼容的微流控模块，对液体中的颗粒进行高效成像与分析。该方法有助于解决显微镜学与微区分析领域中的一些关键问题，例如如何表征颗粒尺寸与形貌在环境条件变化下的动态演变过程。该技术的主要优势在于，无需对样品进行干燥或冷冻处理，也无需使用环境扫描电镜（ESEM），即可在高真空模式下直接观察液体中多分散颗粒的实况。

该技术的应用意义在于能够利用扫描电镜（SEM）对多种液态材料和生物样品进行高效分析，因为许多样品仅在液态下才能发挥功能或保持存在。该方法的可视化演示至关重要，因为简单的样品装载和原位成像步骤与常规的固体样品处理不同，难以通过文字描述掌握。本操作应首先按照技术方案中的说明，对用于液相-真空界面分析的系统（即SALVI装置）进行碳镀膜处理。

将微流控装置安装到扫描电镜（SEM）载物台上对于原位液相SEM分析的成功至关重要。在实验前，务必确保装置正确接地并牢固固定，以尽量减少电荷积累效应。要将SALVI装置安装到SEM载物台上，首先在通气完成后，小心打开SEM样品室门。

选择扫描电镜样品台。使用合适的螺栓和六角扳手将样品台固定在载物台中心。在样品台上放置两条双面碳导电胶带。

然后将SALVI装置粘附到固定在样品台上的碳导电胶带上，确保氮化硅薄膜一侧朝上。使用另外两条单面铜胶带将SALVI装置牢固地固定在样品台上，以将SALVI的PDMS块与扫描电镜样品台绑定。此外，使用铜胶带连接氮化硅框架与金属样品台。

确保胶带未完全覆盖氮化硅膜。为抽真空样品室，需关闭样品室门，在扫描电镜软件的电子束控制页面下的图形用户界面中选择高真空模式，点击电子束控制页面上的抽真空按钮以开始抽真空。用手对样品室门施加压力，直至达到所需真空度。

接下来，按照技术方案中的描述，使用聚焦离子束（FIB）在氮化硅膜上制备孔洞。操作完成后，在相应束流成像区域激活的情况下，点击“Beam On”关闭电子束和离子束，然后在束流控制页面点击“Vent”以对样品腔室进行放气。

在SEM腔室完全通气后，小心打开腔室门，保持SALVI装置在载物台上的原位不动。用无菌注射器吸取1毫升去离子水，并使用聚四氟乙烯管接头将注射器连接至微流控装置的入口。缓慢注入液体，持续三到五分钟。

使用 1 毫升浓度为每毫升 10 微克的羟基氧化铝重复此过程三次，以确保样品浓度不会被预装的去离子水稀释。注射后，取下注射器。使用聚醚醚酮接头连接 SALVI 的入口和出口。

用实验室擦拭纸擦干 SALVI 外部的任何液体。如果管路或微通道内有气泡，请重新注入样品，直至管路内无气泡。使用 ETD 和二次电子模式成像时，首先关闭样品室门。

与之前一样，在腔室门上建立所需的真空后，单击工具栏上的暂停图标以激活电子束成像区域。在电子束控制页面上，单击电子束开启按钮以打开电子束。从探测器的下拉菜单中选择ETD和二次电子模式进行成像。

在选择最佳条件时，获得高质量图像至关重要。在本研究中，我们将展示一组适用于铝、硅等轻元素二次电子成像的合适条件。当分析铁、镍等其他元素时，应调整工作条件以优化二次电子成像效果。

将加速电压设置为8 keV，束流设置为约0.47 nA，参数通过电子束成像区域图形用户界面工具栏上的相应下拉列表选择。当选择实际距离时，在导航页面的Z坐标文本框中输入7，将工作距离设为7 mm。将特征放大至1,000倍，并调节手动用户界面上的对比度、亮度、粗调和微调旋钮，以优化颗粒特征的图像。

通过手动用户界面板上的X和Y平移旋钮，将电子束成像区域实时图像中的第一个孔居中；旋转手动用户界面板上的放大倍数旋钮，将含有颗粒的图像放大至200,000倍。从工具栏的列表框中选择屏幕分辨率为1,024 × 884。然后从工具栏的列表框中将扫描速率设置为30微秒。

按下 F4 键，以获取电子束成像区域中当前图像的快照。同时按下控制键（Control）和 S 键，将图像以包含递增编号的指定文件名保存为 TIF 文件至目标位置。通过旋转放大倍数调节旋钮缩小视图，以定位下一个相邻的孔洞。

重复上述操作，以对剩余孔洞中的氢氧化铝颗粒进行成像。如需使用能量色散X射线光谱法（EDX）进行元素分析，请将能量色散光谱探测器插入腔室，并在显微镜控制显示器上选择ETD。

然后在电子束成像区域选择二次电子模式以观察样品，并按之前的设置调整参数。通过手动操作界面板上的放大倍数旋钮，将每个孔中的氢氧化铝颗粒放大至200,000倍。接着打开相应的EDAC软件。

单击用户界面中的“开始记录”以采集新的EDX谱图。选择“峰识别”以确定谱图中可能存在的元素，然后将观察到的元素输入到元素字段中。

单击“添加”以将该元素应用于光谱。单击“文件”，然后单击“另存为”。使用所需的文件名将光谱数据保存为 CSV 格式，以便使用绘图软件进行绘图。

完成每个孔的成像和光谱记录后，当电子束成像区域处于开启状态时，点击束流控制页面上的束流开启按钮以关闭电子束。在同一页面上点击“vent”使SEM腔室通气。待腔室门打开后，移除所有胶带，小心地将样品从样品台上取下。

重复该步骤，使用去离子水和空的微通道进行对照实验。最后按照技术手册中的说明绘制EDX谱图。利用SALVI微流控接口，电子束可直接轰击下方含有液体的微米级小孔。

将去离子水中的勃姆石颗粒与其对照组（去离子水对照和空通道对照）的二次电子图像进行比较。这为液体中勃姆石颗粒的二次电子成像提供了直接证据。在直径一微米的孔道内实现对去离子水中颗粒的可视化，证明了原位观察液体中颗粒的可行性。

在 Boehmite 样品中，观察到明显的铝峰。相比之下，在去离子样品中仅观察到明显的氧峰，表明检测到了水。在空通道中，可见镓聚焦离子束的残留。

氧峰非常小，因为内部没有水。一旦掌握了该技术，若操作得当，可在数小时内完成。通常，刚接触此方法的人员会遇到困难，因为在高真空扫描电镜中难以直接观察液体。

观看本视频后，您应能够充分理解如何利用配备SALVI装置的原位液体扫描电镜对液体中的颗粒进行表征。在实施该操作时，必须牢记：将微反应器安装至扫描电镜载物台前，应确保其无任何泄漏。在完成该操作后，还可进一步采用其他方法（如飞行时间二次离子质谱TOF-SIMS或核磁共振NMR）来回答更多科学问题，例如分子组成分析和流场分布 mapping。

该技术问世后，为材料科学、化学工程和核工程领域的研究人员探索腐蚀性液体环境中的颗粒尺寸和形貌变化提供了可能。请务必注意，在使用扫描电镜（SEM）进行表面分析时，操作过程中应佩戴手套和护目镜。