(a)基于TEM的气体流通路径的示意图；(b) GSS和质谱之间的时间延迟图。这里GSS的数据是通过流量计测量的，而质谱是通过测量电离气体的质荷比来测量的。

加气和加热 TEM 的数据同步综合指南

一个专家团队通过时间延迟校准为加气和加热TEM实验开发了一种数据同步的方法，该方法通过 DENSsolutions Climate Nano-Reactor 芯片进行纳米量热的独特能力实现。

近年来，在反应过程中，气体和加热透射电子显微镜（TEM）已被公认为是一种建立环境、反应产物、能量传递和材料结构之间时间分辨的强大工具。通过气体和加热透射电镜，可以详细了解催化剂的结构演变和其性能之间的关系。尽管有很多好处，但该技术不可避免的一个问题是不同参数测量位置之间存在内在的时间延迟。这些时间延迟必须要进行校准，以使研究人员得出有效的关联和结论。因为没有时间延迟校准的相关性可能导致过高/过低估计临界温度，并在催化结构和活性之间产生误导性关系。

在最近在中国科学院大连化学物理研究所（DICP）进行的研究中，张帆、刘伟博士和我们自己的专家团队，包括Merijn Pen、Ronald G. Spruit、Hugo Perez Garza博士和周丹博士，开发了一种数据同步方法，以考虑到操作气体和加热TEM时存在的时间延迟。具体来说，他们系统地探讨了延迟时间与反应条件（如气体压力、流速和气体成分）之间的关系。基于这些结果，他们开发了开源脚本，可用于通过时间延迟表征和校准实现可靠和自动的数据同步。作者还开发了一个通用协议，为所有种类的TEM设置进行自动时间延迟校准。

实验装置

研究中使用的实验装置包括DENSsolutions Climate 气体供应系统（GSS）、Climate 原位 TEM 样品杆、Nano-Reactor 芯片、气体分析仪和Thermo Fisher Scientific Themis ETEM。在下面的图1a)中，展示了操作气体和加热TEM装置的示意图。一般来说，气体将首先从GSS进入TEM，然后从TEM进入质谱仪（MS），也被称为气体分析仪。这个过程在下面的视频1可以查看。视频中的不同颜色直观地显示了气体成分发生变化时的情况，新的颜色代表新的气体混合物。在这个视觉描述中，可以看出GSS的气体成分测量实际上比TEM的测量时间要早。这是因为气体需要时间来到达样品。此外，MS的测量也是延迟的，因为气体需要时间从TEM流向MS。下文将对气体路径和所涉及的组件进行更详细的说明。

气体供应系统（GSS）包含三个气瓶和三个流量控制器，用于测量和调节气体的流量。气体的混合采用独特的即时混合技术，用户可以在几秒钟内动态地改变气体成分以及改变气体环境。混合后的气体通过样品杆进入TEM中的 Nano-Reactor 芯片，然后进入质谱仪（MS），通过测量反应物和产物的分压获取出口气体成分。可以预见的是，当气体通过这一路径时，会发生相当大的时间延迟。事实上，研究人员发现，用户在GSS中设置的气体成分变化在79.1秒后才会在MS中显示出变化（见下图1b））。

图1：（a）基于现场原位实验的TEM气体路径示意图；（b）GSS和MS之间时间延迟的说明。这里的GSS数据是通过流量计测量的，MS是通过测量电离气体的质量和电荷比来测量的。

在下面的图2中，展示了本工作中使用的现场原位加气和加热TEM设置的图。该装置可以以两种方式进行分组：从硬件角度和从气体路径/TEM 设置的角度。在前一种分组的情况下，该装置可以分为GSS、TEM和MS。在后一种分组的情况下，设置可以分为TEM前、TEM中和TEM后。研究人员能够通过首先测量然后校准所涉及的时间延迟来同步来自TEM前、TEM内和TEM后的数据。

图2：现场原位气体和加热TEM设置的示意图。

基于量热学的时间延迟校准

DENSsolutions Climate 原位气相系统为用户提供了进行纳米量热的独特能力，为此可以为时间延迟的校准提供便捷的功能。具体来说，当一种新的气体类型进入 Nano-Reactor 芯片时，可以被微加热器检测到，因为它对最微小的热量变化也非常敏感。用户可以监测到由于经过 Nano-Reactor 芯片的不同气体的热特性不同而导致的气体变化过程，从而能够检测到新气体在什么时间到达样品。Climate 样品杆所设计的 Nano-Reactor 芯片上独特的量热功能可以对时间延迟进行校准，因此可以实现气体成分变化、TEM成像和光谱数据的完美同步。

延迟时间与各种参数之间的关系

研究人员的下一步是系统地探索延迟时间与反应条件（如气体压力、流速和气体成分）之间的关系。他们发现，在两种分组机制中的任何一种，不同部分之间的延迟时间都由 Nano-Reactor 芯片的气体压力和流速以及总的气体路径长度决定。他们还发现，时间延迟对气体类型的依赖性很小。对时间延迟和上述关键参数之间关系的调查使研究人员能够建立一种函数关系。利用建立的函数关系，他们能够为手动和自动校准时间延迟打下基础。

数据同步的自动化

在调查的基础上，作者开发了算法和脚本，使现场原位加气和加热TEM中的数据自动同步化。具体来说，已经编写了两个开源的Python脚本，用于描述和校准实验中的时间延迟。

第一个脚本表征了时间延迟曲线，利用DENSsolutions Impulse API和ImpulsePy库来控制和检索来自GSS、加热控制单元和MS的测量结果。它通过在不同的气体混合物之间交替进行，并测量时间延迟，直到在微加热器的量热数据和质谱仪的分压数据中发现这些气体成分的变化。它在不同的流速和压力下进行多次气体成分切换，以收集足够的数据点，从而能够通过它们拟合出两条特性曲线。这些曲线是该特定系统的TEM前到TEM内延迟以及TEM内到TEM后延迟的表征曲线。鉴定只需进行一次，之后校准文件可以在同一系统测量的任何数据集上重复使用。

第二个脚本从数据集中去除时间延迟，首先将系统参数分成不同的集合：TEM前、TEM中和TEM后。因为压力和流量参数会在实验过程中发生变化，所以要计算时间延迟修正量，并单独应用于数据集中的每一个测量。然后，该脚本以自己的时间分辨率单独保存三个校正的数据集（TEM前、TEM内和TEM后），并创建一个同步的日志文件，其中TEM前和TEM后的参数被插值到TEM内数据集的时间戳。在下面的图3中，展示了一个由时间延迟校准脚本输出的同步数据的例子。然后，该数据与TEM成像和光谱数据同步，以实现完整的操作区气体和加热TEM数据同步。

图3：由时间延迟校正脚本校正的同步数据。

一般操作规程

有了上述结论和脚本，作者创建了一个分步骤的指南，为您自己的现场原位TEM设置进行自动时间延迟校准。这个脚本在下面的图4中进行了总结。