液相電子顕微鏡

液相電子顕微鏡法（LP EM）は、電子顕微鏡を使用してナノメートルの空間分解能で液体中の標本を画像化する一連の方法を指します。LP-EM は、電子顕微鏡法の主な制限を克服します。電子光学系には高真空が必要なので、サンプルは真空環境で安定していなければなりません。しかし、生物学、材料科学、化学、地質学、物理学に関連する多くの種類の標本は、真空に置かれると特性が変化します。

電子顕微鏡で液体サンプル、特に水を含むサンプルを研究する能力は、電子顕微鏡の初期の頃からの願いであったが^[1]、技術的な問題のために初期の試みでは高解像度を達成できなかった。^[2]液体標本を画像化する基本的なアプローチは 2 つある: i) 閉鎖系 (主に液体セル EM (LC EM) と呼ばれる)、および ii) 開放系 (多くの場合環境システムと呼ばれる)。閉鎖系では、液体を囲んで顕微鏡の真空に置くために、窒化シリコンやグラフェンなどの材料で作られた薄い窓を使用する。閉鎖セルは、信頼性の高い窓の微細加工技術が利用できるようになったため、過去 10 年間で広く使用されるようになった。^{[3] [4]}グラフェンは、可能な限り薄い窓を提供する。^[5]広く使用されるようになった最も古い開放系は、背景圧力の蒸気を含む真空チャンバー内の冷却ステージ上の液体サンプルの環境走査型電子顕微鏡(ESEM) であった。 ^{[6] [7]}イオン液体などの蒸気圧の低い液体も開放系で研究できる。^[8]透過型電子顕微鏡（TEM）、走査型透過型電子顕微鏡（STEM）、走査型電子顕微鏡（SEM）の3つの主要な電子顕微鏡タイプすべてに対して、オープン型とクローズド型の両方のLP- EMシステムが開発されている。 ^[9]液相SEMと光学顕微鏡を統合した機器も開発されている。^{[10] [11]液中の電子顕微鏡観察は、電気化学測定[3]} やエネルギー分散型X線分光法（EDX）などの他の分析方法と組み合わせられている。 ^[12]

LP EM の利点は、真空に耐えられないサンプルを研究したり、液体条件を必要とする材料の特性や反応を研究したりできることです。この技術によって可能になる測定の例としては、液体中の金属ナノ粒子または構造の成長、^{[13] [14] [15] [16]}電池のサイクル中の材料の変化、^{[8] [17] [18]}金属析出などの電気化学プロセス、^[3]薄い水膜のダイナミクスと拡散プロセス、^[19]バイオミネラリゼーションプロセス、^[20]タンパク質のダイナミクスと構造、^{[21] [22]}哺乳類細胞内の膜タンパク質の単一分子局在、^{[4] [23]}癌細胞の受容体に対する薬物の影響などがあります。^[24]

達成可能な空間分解能はサブナノメートルの範囲であり、サンプルの組成、構造、厚さ、存在する窓材料、およびイメージングに必要な電子線量に対するサンプルの感度に依存します。^[9]原子番号の高いナノ材料のSTEMでは、マイクロメートルの厚さの水層でもナノメートルの分解能が得られます。^{[4] [25]}ブラウン運動は、バルク液体に対して大幅に減少することが分かりました。^[26]液体中のナノ材料や生物細胞をイメージングするためのESEMでもSTEM検出が可能です。^{[27] [23]} LP EMの重要な側面は、電子ビームとサンプルの相互作用です^[28] 電子ビームは水中で複雑な一連の放射線分解反応を開始するためです。^[29]それにもかかわらず、LP EMデータの定量分析は、さまざまな科学分野で独自の情報をもたらしました。^{[30] [31]}