K-kit——应用于纳米溶液原位电子显微镜分析的创新微芯片

The K-kit Innovative Microchip for in-situ Electron Microscopy of Nanofluids

陈弘仁

Hung-Jen Chen 

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随着纳米溶液应用扩展，全球对液态纳米产品的检测标准日趋严格，要求精确分析溶液中纳米粒子的形貌与分布。近年来穿透式电子显微镜 (transmission electron microscope, TEM) 在液态原位分析方面已取得进展，特别是微型液池硅芯片技术。本文介绍一款创新的微型液池芯片「K-kit」，其可利用毛细力快速加载溶液，适用各种 TEM 设备，并可透过湿式负染提升纳米粒子影像对比度。K-kit 具备多项独特产品优势，已广泛应用于学术研究及电子、化工、医药、食品等产业领域的纳米溶液分析。

With the expanding applications of nanofluids, global standards for the analysis of liquid-phase nanoproducts are becoming increasingly stringent, requiring precise characterization of nanoparticle morphology and distribution in solution. In recent years, transmission electron microscopy (TEM) has made significant advancements in in-situ liquid analysis, particularly with the development of microfluidic silicon chip technology. This article introduces an innovative microfluidic chip, “K-kit,” which uses capillary forces to quickly load the solution, is compatible with various brands of TEM equipment, and enhances nanoparticle image contrast through wet negative staining. K-kit offers several unique advantages and has been widely applied in academic research as well as industries such as electronics, chemical engineering, pharmaceuticals, and food etc.

纳米溶液的应用已深入日常生活，随着纳米科技发展，欧美各国近期也陆续推动液态纳米产品的标示与审查法规，强调需对最终产品的物理化学特性进行全面分析。特别是在液态环境下，对纳米添加物的成份种类、尺寸形状、粒子浓度、粒径分布及群聚团聚等关键特性进行评估，以确保产品的安全性与稳定性。

国际标准化组织ISO于2012年5月发布ISO/TR 13014:2012《纳米技术－毒理评估所需的人造纳米材料物理化学特性分析指引》(Nanotechnologies - Guidance on Physico-chemical Characterization of Engineered Nanoscale Materials for Toxicologic Assessment)，强调在进行毒理学评估前，必须先完成物理化学特性分析，以建立纳米材料与测试结果之间的相关性。如图1所示，该标准列出了八项关键的纳米检测参数。这些参数对于评估纳米材料的安全性、环境影响及产品应用至关重要。此外，ISO/TR 13014:2012亦提供一套标准化测试方法，帮助研究机构与企业建立一致的纳米材料评估流程。

纳米材料的分析方法如表1所列，多数项目已可透过市售仪器进行检测，唯有纳米溶液分析技术仍面临诸多挑战。尤其对于「形状」、「粒径／粒径分布」、「群聚／团聚」及「溶解度／分散性」4项检测参数，需要获取粒子于溶液中的实际影像信息，才能确保分析结果的准确性。为满足纳米产业的检测需求，若能利用电子显微镜于微观尺度下直接观测溶液内纳米粒子，将有助于获得产品成份与特性最真实的影像信息。

穿透式电子显微镜长久以来一直是探索材料结构的关键技术。近几十年来，该技术经历了多次突破性发展，例如像差校正 (aberration correction) 技术实现了原子级尺度成像、冷冻电镜 (Cryo-TEM) 技术为生物样品提供了高分辨率影像观察，以及各种创新的 TEM 结构设计，使得动态系统的原位 (in-situ) 分析成为可能。近年来，基于硅芯片应用架构的原位技术迅速发展，使得模拟真实环境条件下材料和生物样品的动态变化观察实验，能够在 TEM 腔体内之高真空环境下进行。其中，最受关注的技术之一是利用硅芯片封装液体，实现在 TEM 内进行纳米尺度的液相动力学观察⁽¹⁾。透过液态原位 TEM (in-situ liquid TEM) 成像观察液相反应，研究人员得以深入探究电化学过程、抗菌与病理机制、生物细胞行为等重要领域的基础原理。

原位电子显微镜 (in-situ electron microscopy) 技术的发展，突破了传统电子显微镜仅能在高真空环境中运行的限制。早在 1950 至 1960 年代，学者们便开始探索在受控气体环境下进行电子显微镜观察，并发现这些气体环境技术有效减少了电子束对样品的损害。其中Heide (1962)⁽²⁾ 的相关研究，为后来液态环境下的电子显微镜观察奠定了重要基础。然而，此类直接修改设备结构、将流体管路建置于 TEM 真空腔体内的作法，不仅成本高昂、清洁维修困难，还存在溶液泄漏之风险。而受限于传统机械加工精度限制，也难以获得高分辨率的纳米粒子影像 (液层较厚)。

在1990年代，液态池 (liquid cell, LC) 的技术问世。这项技术利用强韧的薄膜材料 (如氮化硅 SiN) 来封装溶液样品，使其在电子显微镜中能够保持液态，同时又不会影响电子束的穿透。随着精密加工技术进步，随后也逐渐发展出可实现动态观察、功能更强大的液态流动池 (liquid flow cell, LFC)。这项技术的核心在于利用特殊设计的 TEM 样品杆 (TEM holder)，其内部整合了流道系统。在该样品杆前端，透过精密锁合两片硅芯片、金属盖板及密封环等组件，形成一个具备液体流动能力的液池观察窗口，使得研究者能够实现纳米尺度液体样品的动态变化观察。目前，奥克里奇国家实验室 (Oak Ridge National Laboratory, ORNL) 和美国国家电子显微镜实验室 (National Center for Electron Microscopy, NCEM）在此研究领域处于领先地位，并积极支持多家TEM原位样品杆 (in-situ TEM holder) 商业设计公司，如 Hummingbird Scientific⁽¹⁷⁾ 和 Protochips⁽¹⁸⁾，推动实际产品的开发与销售。此外，荷兰 DENSsolutions、及瑞典 Nanofactory 等公司也已进入市场，成为该领域的重要竞争者。

由于半导体工艺与精密加工技术的进步，现今液态原位 TEM 样品杆 (in-situ liquid TEM holder) 产品已多能支持液体流动、加热、通电等功能，研究人员可在电子显微镜内操控液体环境，实现连续反应观测，从而推动纳米材料成长、触媒催化与电化学反应等研究。图 2 为 Protochips 公司推出的液态原位 TEM 样品杆产品及其配件。然而，此类原位观测技术通常须依赖特定厂商提供的样品杆，并须搭配使用专属设计之硅芯片，导致设备兼容性受限、并且成本高昂。此外，样品杆的组装、测漏、前处理及清洁等过程也相当繁琐，单次观测往往需要花费数小时以上。因此，目前液态原位 TEM 样品杆产品的应用，主要仍集中在学术研究领域，难以满足产业界对于高效率、低成本、大量分析样品之检测需求。

图2.美国Protochips公司的液态原位TEM样品杆产品 (图片来源：⁽¹⁸⁾)

2016年，国内知名半导体检测大厂闳康科技 (Materials Analysis Technology Inc.) 基于独家专利技术，研发出单体式微型液态池芯片「K-kit」，为纳米溶液样品的 TEM 影像分析带来创新突破⁽¹⁶⁾。如图3所示，K-kit 采用通用尺寸3 mm外径的TEM标准铜环作为承载平台，具备高度兼容性，可直接适用于 Hitachi、FEI、JEOL等各大品牌之电子显微镜设备，无需额外添购昂贵的液态原位TEM样品杆。此外，其单体式结构设计大幅简化了样品制备流程，使操作更加快速便利，同时也降低检测成本。图4展示了K-kit对于不同纳米溶液的电子显微镜影像观测结果。凭借其高适用性、便利性与经济性，K-kit不仅能够满足学术研究之分析需求，也为产业界提供实用的液态纳米材料检测方案。

K-kit芯片采用微机电系统 (micro electro mechanical systems, MEMS) 技术制作，其结构由两片对称设计的硅芯片上下对准后，经高温接合与湿蚀刻等工艺形成。图5是完成制造的K-kit晶圆外观及单颗K-kit芯片之扫描式电子显微镜 (scanning electron microscope, SEM) 影像。如图6所示，K-kit内部中央设有一微型储液通道，并可通过该通道两端的开口载入及密封溶液。K-kit本体结构的上下两面各设置有一凹槽，该凹槽底部具有一个由纳米厚度的氮化硅 (Si₃N₄) 薄膜所组成之液池观测窗，能允许电子显微镜的电子束穿透并成像。K-kit 结构本体由坚硬的硅晶材料制成，并且氮化硅薄膜也具有高强韧性，此使得 K-kit 芯片不仅能够承受极大之真空环境压力变化，还能搭配应用具备加热或冷却功能的 TEM 样品杆，进行液态样品在变温条件下之原位观测 (建议操作温度范围为 –196 °C 至 120 °C)。

K-kit是一款已在市场上销售多年的液态原位电子显微镜影像分析产品，可透过全球超过20家知名电子显微镜耗材通路商购入使用。如图7所示，K-kit晶粒的尺寸为1.7mm×1.4 mm×0.8 mm，上下表面凹槽内的观测窗尺寸为300μm × 25μm。本体结构左右两端的微通道开口尺寸决定了可加载纳米粒子之大小，因此为满足不同样品的观测需求，K-kit产品提供6种信道高度选项，分别为 0.1μm、0.2μm、0.5μm、1μm、2μm 及 5μm。此外，其观测窗的氮化硅薄膜厚度，亦提供 30 nm 和 100 nm 两种选择。

如图 8 所示，为了便利K-kit芯片的样品制备操作，闳康科技也设计了一套专属的 K-kit 工具盒，藉以提高用户样品制备之速度与可靠性。目前K-kit的出货包装盒有两款，分别为四颗装与六颗装。另外，每颗K-kit在出货时都配置一个基座 (carrier)，并以一透明塑料盖密封保护。而该基座底部内已预置一个 TEM 标准铜环，卸除底板后可取出使用。

K-kit的样品制备方法十分简单，如图9所示。通常全新的K-kit两端各有一密封块，以维持微通道内的真空状态，确保其内表面高度洁净、藉以提升溶液加载效果。使用时，需先使用镊子或信道开启装置 (channel opener) 移除密封块，然后将微通道任一端开口轻触液滴表面，使纳米溶液经毛细力作用 (capillary action) 吸入微通道内。溶液加载之后，接续进行两端涂胶密封与承载铜环的黏贴。待胶材固化后 (建议可放置于简易真空设备中加速干燥)，即可将K-kit样品装载至TEM样品杆上进行观察。整个样品制备过程约30分钟即可完成。

K-kit芯片的单体式结构设计，展现出相较于原位液态TEM 样品杆之独特优势。凭借一体成型的设计，K-kit能自适应溶液加载量，无需特别控制样品液滴大小。此外，K-kit内部极小的储液通道可产生强大毛细作用力，即使是高黏性或油性样品，通常也可直接加载，无需额外稀释 (经过实测，即使黏滞系数超过 3,000 mPa·s 之溶液也可以顺利加载)。此种设计确保了溶液载入的稳定性与可靠性，也大幅提升操作之便利性。

对于微通道开口的密封，建议可使用知名品牌Torr-seal真空胶。Torr-Seal 是一种环氧树脂 (epoxy) 型真空密封胶，具有优异的密封性能，固化后不会释放挥发性物质，因此适合于高真空环境使用。再者，该胶材稳定性高，且与多数化学溶液不反应，因此在密封时即使与K-kit内样品溶液接触，也不易产生污染，确保实验观察结果之可靠性。

K-kit本体结构采用具抗酸碱性的硅晶材料制成，并搭配对多数化学溶液具高稳定性的 Torr Seal 密封胶，因此能广泛应用于各种常见化学溶液之观测与分析。表 2 是将 Torr Seal 胶材浸泡于各类化学溶液24小时后，所进行的FTIR检测分析 (判断是否有成份溶解) 以及目视观察结果 (评估胶材是否在溶液中扩散)。经长时间浸泡测试后，大多数溶液中皆未发现Torr Seal胶材有溶解或散布现象。仅有少数溶液的 FTIR 检测结果显示胶材成份有微量溶出。然而，即便如此，Torr Seal 对这些特定溶液仍展现了良好的耐受性，可在短时间内 (约数小时内) 用于 K-kit的密封操作，并顺利完成影像观测。

在实际应用中，只要样品溶液不与Torr Seal发生化学反应，即可使用K-kit 进行影像观测。根据实测经验，即使是未经稀释的强酸 (如pH约为1的硫酸) 或强碱 (如pH约为12的氨水）等溶液，亦可稳定封装于 K-kit中进行观察。然而，于制备含强酸或强碱样品的过程中，仍须特别留意操作风险，确实穿戴适当的个人防护装备，以确保使用人员安全无虞。

另外，为提升K-kit样品制备效率，并避免因铜环与芯片黏附不良而在夹取过程中脱落，闳康科技运用专利技术开发出一款便利使用的 K-kit 开合式铜网 (K-kit folding grid)，如图10所示。该铜网采用 MEMS 技术制造，具可折迭设计，能精准对合上下两半部结构。每一半部中央皆设置有凹槽，用于固定承载K-kit芯片，且凹槽底部具备中央开孔设计，当上下结构盖合后，可供TEM电子束穿透，实现成像观测。

原本K-kit的样品制备须透过涂胶将其固定于TEM铜网，此作法不仅胶材固化需时较长，且涂胶过程若稍有不慎，可能导致胶材流入K-kit窗口内，造成氮化硅薄膜受到污染。透过该专用铜网的导入，不仅能显著提升K-kit之使用便利性与样品制备速度，更可有效避免涂胶不当造成之样品制备失败风险。并且，此铜网可重复使用多次，也在降低成本方面具有极大效益。

K-kit采用单体式结构设计，在样品制备方面展现出显著的差异化特点。如图11 所示，透过适当的样品制备方法，可在K-kit微通道内形成干式与湿式两类不同的载液状态，且无论干、湿状态，皆能够维持均匀一致的纳米粒子分布，确保稳定且高质量的观测结果。

在K-kit样品制备过程中，透过选择适当的微通道尺寸，并控制从加载溶液至涂胶密封之间的时间间隔，可形成如表 3 所示的四种不同储液状态样品。一般而言，建议使用通道高度较大的 K-kit (例如 2 μm) 制备干式样品，而通道高度较小之 K-kit (例如0.2μm) 则较适合用于制备湿式样品。其主要原因在于通道高度较大的K-kit具备较大的开口端，液体在室温下较易自然蒸发，或可在真空环境下迅速移除。因此，制备干式样品时，可不必于通道两端涂覆真空胶进行密封，即可确保溶液完全干燥。

使用者可依据分析需求，选择制备干式或湿式之K-kit样品。若仅需观察溶液内粒子的形态、尺寸或团聚状态，建议优先选择干式K-kit，以获得较佳的 TEM 影像质量。若研究目标为溶液内之化学反应 (例如 AuCl4–溶液在电子束作用下的金还原反应)、或是需要有溶液维持于K-kit内 (例如观测生物或有机粒子的真实形貌)，则适合采用湿式K-kit。此外，有些样品溶液在TEM电子束照射下容易产生气泡或扰动，进而影响影像观察的清晰度与稳定性者，则可采用干式K-kit制备方法改善，藉由减少通道内之溶液量，降低电子束对样品的影响。干式模式之K-kit样品制备，可使通道内完全干燥、或于壁面形成纳米厚度的薄液层 (3, 4)，有效提升影像观察质量，这也是K-kit相较于市场上其它液态池芯片产品之主要优势之一。

基于独特的单体式结构，K-kit同时也是市场上唯一可实现多次加载 (multiple loadings) 及湿式负染 (wet negative staining) 应用的微型液池芯片。此优势对于低影像对比度的生物样品观察、或是免疫电子显微学(immunoelectron microscopy) 研究等，皆可提供相当大的帮助。

K-kit可应用于例如触媒反应机制研究、或免疫检测技术开发等，需要执行多次加载不同样品溶液的实验研究，如图12所示。此独特功能是市场上其它类型产品，如两片组合式液态池芯片、或原位液态TEM样品杆等所无法实现的。

图13是K-kit应用于免疫检测的研究案例⁽⁵⁾。本例将经过分离处理的血小板 α 粒子，透过K-kit重复进行多次样品加载，成功获得纳米金标定α粒子 (α Granules) 之TEM清晰影像。该免疫学样品的 K-kit 制备过程如下：首先，透过 K-kit 分别加载不同溶液进行内部清洁与表面处理，接着依次加载初级抗体 Mouse monoclonal anti-P-selectin antibody和二级抗体6-nm gold-conjugated goat anti-mouse IgG antibody，并在加热至 37 °C 环境培养约 2 小时，使抗体发生反应。由于电子显微镜无法侦测荧光讯号，此免疫金标记方法藉由将金粒子与抗体结合，利用金在电镜影像中的高对比度度，清楚标定出所有血小板释出之α粒子位置。

图13.利用K-kit经过多次加载步骤，成功以6 nm纳米金标定血小板释出物 α粒子的TEM影像结果。(图片来源：⁽⁵⁾)

对于较低对比度的生物样品，例如病毒、细菌、微脂体 (liposomes) 或外泌体 (exosomes)等之电子显微镜观测，一般常用的影像改善方法是进行所谓负染 (negative staining) 处理。负染的原理是通过将重金属染剂堆积在纳米样品周围，从而加深影像背景，进一步突显出该样品之形貌。传统负染作法是将染剂滴加于已放置样品的铜网上，静置干燥之后，再将铜网加载电子显微镜进行观察。然而，此一干燥过程中，有机样品常因水分流失而发生结构塌陷，尤其是微脂体或外泌体等囊泡型态的生物样品，极易导致原应呈现圆球状之样品粒子外观塌陷、并堆积染剂。闳康科技基于丰富的生医样品分析经验，开发了独特之 K-kit 湿式负染技术，可在「湿」的溶液状态下同样达到样品负染效果，成功实现低对比度生物样品在液态环境的电子显微镜清晰影像观测。

K-kit湿式负染方法非常简单，通常可使用2% 醋酸铀酰 (uranyl acetate, UA) 溶液作为负染剂，将10μL的样品溶液与10μL的负染剂均匀混合后，直接加载 K-kit进行观察即可。建议使用者可依实际测试结果适当调整负染剂与样品溶液的混合比例，以获得最佳负染效果。图14是人造胶原蛋白纤维束 (collagen fiber) 在铜网与K-kit上的负染观察结果。如图14(b)所示，K-kit湿式负染处理后，可在溶液状态下清楚观察到胶原蛋白样品的束状结构影像。图15是两种极低影像对比度的生物样品微脂体与外泌体⁽⁵⁾，其负染处理后的 K-kit影像观测结果。

 图14.胶原蛋白纤维束在铜网与K-kit上的负染影像结果

  图15.低影像对比度生物样品的K-kit湿式负染观察结果

K-kit除了可应用于各种品牌的TEM设备进行观测外，它也是市场上唯一可同时适用于扫描电子显微镜及聚焦离子束－扫描电子显微镜 (focus ion beam- scanning electron microscopy, FIB-SEM) 观测的微型液态池芯片产品。图16 是K-kit利用TEM及FIB-SEM观测液态环境下100 nm NIST聚苯乙烯 (polystyrene) 粒子之影像比较结果。

图16.利用TEM与FIB-SEM 观测100nm 聚苯乙烯粒子之K-kit影像比较结果 (本例使用之观测设备分别为 Hitachi HT7700 TEM 与 FEI Helios 400 FIB)

此外，K-kit的观测窗口由极薄 (约30nm) 的氮化硅薄膜组成，其不仅可提供电子显微镜之电子束穿透成像，还能对纳米粒子进行包括能量散射X射线谱 (Energy-dispersive X-ray spectroscopy, EDX) 成份及晶格绕射等分析。图 17为FIB-SEM 观测载入 K-kit 之氯金酸 (AuCl4) 溶液，经电子束还原反应后所形成金粒子的影像与对应之EDX元素分析结果。而图18则是 K-kit 内纳米金粒子样品的 TEM 晶格绕射图形 (lattice diffraction pattern) 观察结果。

图17.使用FEI Helios 400 FIB-SEM观测K-kit内的金粒子影像及其EDX分析结果 (图片来源：⁽¹⁶⁾)

图18.K-kit内纳米金粒子的TEM晶格绕射分析结果 (图片来源：⁽¹⁶⁾)

K-kit在液态样品的电子显微镜观测中展现出高度的应用潜力，能支持多领域的分析需求。例如，在电子产业中，可应用于液态纳米材料的开发与工艺品管；在生医领域，适用于新药研发与病理机转研究；于食品与饮料产业，可用在分析产品中添加剂的成份与分布。此外，K-kit亦可应用于美妆产品，检验如防晒乳或含纳米成份的化妆水等^{(6, 13)}，提供高效正确之全面性纳米溶液检测方案。图 19应用案例是将半导体工艺使用的化学机械研磨溶液(CMP Slurry)，直接加载 K-kit 进行TEM影像观察及粒子尺寸分布定量分析。图20则是分析市售防晒乳产品内添加氧化钛(TiO2)纳米颗粒之实际范例。

图19.K-kit加载CMP溶液进行TEM影像分析之结果

 图20.市售防晒乳产品添加TiO2纳米颗粒的K-kit影像分析结果

特别是在纳米医疗相关领域，K-kit也展现出卓越的应用价值。其可使用于新药开发、生物医学研究、疾病检测、血液筛检等，提供具体直观的液态样品电子显微镜影像，助力医疗诊断与科研之发展。图21为使用K-kit分析Abraxane®药液中的蛋白质颗粒尺寸分布结果之实际案例。

 图21.使用K-kit分析 Abraxane® 药液中的蛋白质颗粒影像分布情形

早在2008年，已有研究团队率先利用K-kit实现液相环境中活细胞的电子显微成像观察⁽⁷⁾。该研究成功以K-kit观察到活体大肠杆菌(Escherichia coli) 细胞、如图22所示，以及肺炎克雷伯氏菌 (Klebsiella pneumoniae) 进行亚碲酸盐还原的过程。此外，研究亦显示，K-kit中的肺炎克雷伯氏菌与酵母菌 (Saccharomyces cerevisiae) 在连续TEM观测下可分别存活长达14秒与42 秒。此实验研究不仅大幅简化了液相TEM样品制备流程，更实现了最早的活细胞电子显微成像研究成果。尽管该技术在分辨率与自由基防护方面仍有局限，然而其创新应用至今仍被视为液相生物成像领域的重要里程碑⁽¹⁰⁾。

图22.利用 K-kit 成功观察到活的大肠杆菌细胞 (图片来源：⁽⁷⁾)

另外，透过液态池芯片K-kit的应用，也能对生物「体外(in vitro)」或「体内 (in vivo)」处于原液环境的血液样品所含之纳米颗粒，进行完整的物理化学特性分析。此在人体对于药物的吸收、分布、代谢(metabolism)及排泄(excretion) 等药物动力学(pharmacokinetics)研究或物质毒性(toxicity)评估等方面，展现出高度的应用潜力。2012年时，学者以 K-kit 进行此类相关实验研究⁽⁸⁾，其将经过柠檬酸盐(citrate)与聚乙二醇(polyethylene glycol, PEG)等不同聚合物修饰的金纳米粒子与血液混合，分别加载K-kit中，观察该金粒子之分散情形。同时，此研究亦将 cPEG5k 修饰之金纳米粒子注射至小鼠体内，追踪其在血液中的浓度随时间变化情形，并将结果与电感耦合电浆质谱仪(inductively coupled plasma mass spectrometry, ICP-MS)所测得的数据进行比较。如图23所示，K-kit的影像观察结果与ICP-MS测得的金粒子浓度变化趋势高度一致，显示K-kit同时具有定性及定量分析的实际应用潜力。

图23.将PEG修饰之金纳米粒子注射至小鼠体内，并分别以K-kit与ICP-MS分析其在血液中金粒子浓度随时间变化的趋势，并比较两者之分析结果(图片来源：⁽⁸⁾)

2022年时，学者利用K-kit首次观测到谷胱甘肽(glutathione)分解醋酸菌 (A. aceti)的动态发展过程⁽⁹⁾。如图24所示，此研究藉由K-kit清楚观察到谷胱甘肽分解醋酸菌的四大阶段，包括附着与内部化、早期破坏、显著破坏、及完全破坏之完整变化影像，展现了K-kit在微生物动态研究中的应用潜力。

图24.利用K-kit观察谷胱甘肽修饰金纳米簇 (GSH-AuNC)处理后的A. aceti 细菌完全破坏之过程 (比例尺：2μm)。本例影像拍摄时间分别为：GSH-AuNCs 与A.aceti共培养后 (a)80分钟、(b)86分钟、(c)96分钟与、(d)114分钟。(图片来源：⁽⁹⁾)

在2024年，研究团队藉由结合K-kit液池芯片应用，成功开发出一套快速电子断层扫描 (electron tomography) 技术，实现在原位液相环境中对内部含有纳米金粒子的小尺寸胶体组装体(small colloidal assemblies)进行定量三维 (3D)结构分析之创新方法⁽¹¹⁾。胶体组装体是由纳米或微米等级的胶体粒子透过自组装、自聚集或外力操控所形成的有序或非有序结构体。这类结构体具有高度可设计性与多功能性，广泛应用于例如药物传递及生医材料、光电与光子晶体、催化和传感器、功能性薄膜与涂层等重要领域。

电子断层扫描技术已广泛应用于纳米材料的三维结构研究，其特别适用于胶体纳米粒子的组装体分析。然而，传统电子显微镜观测必须在高真空条件下进行，导致以湿式胶体化学法制备的样品，在观测前需先经过溶剂蒸发与沉积至固态基材等前处理程序，这些步骤往往会改变纳米粒子的原始排列结构。为克服此限制，该研究团队提出一项创新技术、如图25所示，可在保留样品液态原位环境之情况下进行电子断层扫描观测。该方法利用市售的K-kit液态池芯片，搭配快速影像采集流程及专属的影像对位与三维重建算法，有效解决了液相条件下断层观测所面临之技术挑战。此技术同时具备高效率与高分辨率的结构解析能力，为胶体纳米粒子组装体的原位观测与定量分析开启了崭新的技术路径。

图25.本例之研究利用K-kit液态池芯片建立快速电子断层扫描技术，并在原液环境下对小型胶体组装体进行定量三维结构分析。(a)用于实验研究的K-Kit 液态池芯片示意图；(b-c)装载在单轴断层扫描支架上的K-Kit芯片外观，其倾斜视角分别为0°与45°；(d)液相快速电子断层扫描的倾斜序列采集方法：持续倾斜样品，同时记录样品的投影影像；(e)比较在液体与真空中进行快速电子断层扫描，以及在真空中进行常温干式电子断层扫描所需的时间与电子剂量；(f-i)快速电子断层扫描倾斜序列的前处理流程；(g)使用自监督学习的卷积自编码器 (CAE) 进行去噪处理的示意图；(h)所采取的重建流程概述；(i)最终处理后的堆栈影像，已完成精炼、对齐与去噪。(图片来源：⁽¹¹⁾)

除此之外，近期多项重要的应用研究还包括：使用K-kit在TEM电子束下诱导成长晶体并重建其三维影像⁽¹²⁾、探讨美妆产品中活性纳米粒子的分布与特性⁽¹³⁾、以及抗癌药物纳米晶体研究观察及制备方法开发⁽¹⁴⁾等。这些研究主题内容广泛且多元，充份展现出K-kit在生医应用领域中的高度潜力。

事实上，K-kit在液态样品的电子显微镜观测方面仍存在一定的应用限制。相较于原位液态TEM样品杆方案，K-kit其内部储液通道为封闭腔体，因此仅适用于静态溶液观测，难以实现流动液体的动态研究分析。此外，由于K-kit尚未内建电路、电极或感测组件，也难以进行例如微区加热观察、或电化学反应等相关研究。

相较之下，原位液态TEM样品杆具备更强大的功能，能够通入流动液体，进行液相环境下的动态观测，例如纳米颗粒成长、电化学反应、生物分子运动等。另外，其组合式液池芯片上也多已配置电极设计，可在液体环境中施加电场，研究电池电极材料的充放电过程、电催化反应机制等，并可透过电极进行局部加热，探讨温度变化对材料溶解、结晶及相变化等影响。因此，原位液态TEM样品杆特别适合应用于较深入的学术研究。

然而，在需要快速获取分析结果的产业应用、或需处理大量测试样品的研究场景下，仅依赖原位液态TEM样品杆亦难以全面满足需求。因此，建议使用者可根据分析目的选择最适合的技术，或结合K-kit与原位液态TEM样品杆的产品技术优势，相互搭配使用，以建立兼具效率与全面性的液态纳米材料检测方案。表4比较了K-kit与原位液态TEM样品杆的技术特点，供使用者参考。

表4.K-kit与原位液态TEM样品杆的技术特点比较

K-kit的应用可实现高质量之液态样品电子显微镜影像观测，无论针对液态样品在最终产品的实际样态、或是一般干燥样品，皆可直接观察、分析纳米物体与其群聚团聚现象。K-kit具有方便使用、检测快速及适用性高等优势特点，且能因应分析需求，制备多种不同储液型态样品，并可实现包括湿式负染、多次加载、晶格绕射、成份分析等独特功能，是市场上唯一适合同时应用于具有复杂测试条件的学术研究、及产业相关纳米溶液分析的最佳选择。

参考文献
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作者简介

陈弘仁先生为国立成功大学航空太空工程研究所博士，现为闳康科技股份有限公司研发中心处长。

Hung-Jen Chen received his Ph.D. in the Institute of Aeronautics and Astronautics from National Cheng Kung University. He is currently serving as the Director of the R&D Center at MA-tek Inc.