結(jié)合掃描電子顯微鏡的冷凍寬幅離子束銑削（Cryo-BIB-SEM）

本報(bào)告評(píng)估了結(jié)合使用冷凍寬幅離子束銑削和掃描電子顯微鏡（cryo-BIB-SEM）對(duì)低溫穩(wěn)定柔性聚合物的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像和分析的潛能。報(bào)告介紹了使用cryo-BIB-SEM對(duì)易損天然聚合物進(jìn)行檢查的結(jié)果，例如番茄果皮和木材，還分析了聚合物表面形態(tài)和多種微觀結(jié)構(gòu)特性。

聚合物的微觀結(jié)構(gòu)控制它們的化學(xué)反應(yīng)性以及機(jī)械和傳輸特性。然而，由于亞微米等級(jí)的分析方法比較少，通常無法對(duì)柔性聚合物的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量表征，或不具備相關(guān)的可行性條件。冷凍斷裂是少數(shù)可用的方法之一，但通過這種工藝制備的樣本表面通常過于粗糙，導(dǎo)致制備好的樣本上只有極小一部分區(qū)域適合定量SEM研究。

本報(bào)告中的結(jié)果顯示，使用cryo-BIB-SEM可以對(duì)完好的樣本橫截面上的較大平面區(qū)域進(jìn)行高清晰成像，更好地對(duì)柔性聚合物進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)表征。在觀察過程中，在通過cryo-BIB-SEM樣本制備工藝加工的樣本中，僅發(fā)現(xiàn)極少量的偽影，而且均非冷凍導(dǎo)致。

介 紹

聚合物微觀機(jī)構(gòu)會(huì)影響聚合物的機(jī)械和傳輸特性，進(jìn)而決定了材料的耐久性以及對(duì)風(fēng)化、冷熱和光照的耐受性，因此聚合物微觀結(jié)構(gòu)的精確表征非常重要。

各類聚合物，無論是柔性、硬質(zhì)、天然還是合成，都是如此。

Cryo-BIB-SEM可對(duì)表面完好的大尺寸低溫穩(wěn)定樣本的微孔進(jìn)行高清晰成像和化學(xué)分析。在上一篇報(bào)告中，使用Cryo-BIB-SEM研究了鋰離子電池電極在干燥過程中的微觀結(jié)構(gòu)[1]。本報(bào)告中使用cryo-BIB-SEM表征了天然聚合物，包括木頭和水果蔬菜的表皮。

如前文所述，需要以亞微米級(jí)清晰度精 準(zhǔn)確定柔性聚合物的微觀機(jī)構(gòu)。然而，很少有方法能夠在如此高分辨率下對(duì)這種柔性樣本進(jìn)行表征。另外，由于冷凍斷裂工藝制備的柔性聚合物樣本的表面過于粗糙，使用SEM或能量色散譜（EDS）進(jìn)行定量分析時(shí)，僅能夠準(zhǔn)確研究很小一部分的表面區(qū)域。而且有機(jī)材料往往會(huì)發(fā)生膨脹收縮，使用SEM進(jìn)行樣本制備和測(cè)量時(shí)，尤其是對(duì)于高水分含量的材料，通常很難在材料的原生狀態(tài)下進(jìn)行分析。微型計(jì)算機(jī)斷層成像（μCT）和SEM低溫聚焦離子束銑削（cryo-FIB-SEM）等方法的分辨率則通常過低或獲得的結(jié)果不具代表性。

本應(yīng)用注意事項(xiàng)介紹了使用cryo-BIB-SEM在高分辨率（亞微米級(jí)）下對(duì)柔性、易損天然聚合物（木材和番茄表皮）的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征的過程。

Cryo-BIB-SEM材料和方法

Cryo-BIB可制備具有大平面區(qū)域的冷凍穩(wěn)定橫截面（可達(dá)4 mm2）。樣本制備中包含快速冷卻（淬火）步驟，可形成整齊的聚合物切口并大大降低造成斷裂、變形等損壞的風(fēng)險(xiǎn)。使用液氮-雪泥對(duì)樣本進(jìn)行淬火，然后將樣本快速轉(zhuǎn)移至一個(gè)溫度保持LN2水平的低溫冷卻階段（圖1a）[2]。使用金剛石鋸在鈦(Ti)掩模上方幾十納米處切割低溫冷卻樣本，鈦掩膜在后續(xù)的濺射鍍膜過程中遮蔽樣本。使用cryo-BIB氬(Ar)離子束銑削，制備平整的大橫截面。

接下來，根據(jù)所需的信息類型，可以使用兩種制備和成像方案，可以是EDS成分?jǐn)?shù)據(jù)或使用SEM獲得的精細(xì)結(jié)構(gòu)的高清晰圖像。在第 一個(gè)方案中（圖1b），樣本經(jīng)濺射鍍膜處理以方便EDS/SEM分析并提供各階段紋理和成分的信息。在第二個(gè)方案中，樣本未經(jīng)過鍍膜處理，以便于滲入多孔表面中的水升華。這樣一來，之前被水隱藏的樣本微觀結(jié)構(gòu)便可以完全顯現(xiàn)出來。

使用徠卡顯微系統(tǒng)的EM TIC 3X離子束銑削系統(tǒng)對(duì)木材和番茄皮（天然聚合物）樣本進(jìn)行冷凍寬幅離子束（cryo-BIB）銑削。將經(jīng)BIB銑削的樣本放進(jìn)SEM（Supra 55，蔡司）之前，首先使用徠卡顯微系統(tǒng)的EM ACE600鍍膜機(jī)的濺射、碳蒸發(fā)和電子束蒸發(fā)配置對(duì)樣本濺射鍍膜一層薄薄的鎢（W）。鎢層可防止不導(dǎo)電樣本被電子束輻射時(shí)充電。

圖1a：cryo BIB-SEM樣本制備工作流程使用EM TIC 3X系統(tǒng)執(zhí)行cryo-BIB，使用EM ACE600系統(tǒng)進(jìn)行濺射鍍膜。

圖1b：cryo-BIB-SEM研究中使用的2個(gè)方案的原理圖，用于研究樣本的：1）紋理和成本，和2）滲水后的精細(xì)亞微米結(jié)構(gòu)。

結(jié) 果

分析柔性天然聚合物的主要目的是驗(yàn)證cryo-BIB-SEM方法在樣本制備和分析過程中保存樣本的精細(xì)和易損結(jié)構(gòu)的能力。一個(gè)特別目標(biāo)是確定使用cryo-BIB-SEM樣本制備工藝制備的橫截面的質(zhì)量，即樣本橫截面是否存在偽影或損傷。

番茄皮

從一個(gè)新鮮番茄（圖2a）上切一小塊皮，然后按照?qǐng)D1中的工作流程進(jìn)行制備，并按照方案2進(jìn)行分析。番茄皮含有大量水分，微觀結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，因此是評(píng)估樣本制備過程中因形成冰晶而發(fā)生斷裂的可能性的理想材料。

圖2b中顯示了一個(gè)番茄皮的橫截面，在橫截面的上部可以看到一小片鈦掩膜，掩膜上積聚了一些“濺射灰塵”。番茄細(xì)胞的精細(xì)結(jié)構(gòu)清晰可見，細(xì)胞形狀非常類似于之前光學(xué)顯微鏡觀察文獻(xiàn)中報(bào)告的形狀[3]。cryo-BIB-SEM方法的清晰度更高，可以分析易損微觀結(jié)構(gòu)的精細(xì)細(xì)節(jié)（圖2c）。

低溫冷卻和切割過程中未發(fā)現(xiàn)造成任何損傷，這說明cryo-BIB-SEM方法可以為柔性易損天然聚合物分析制備無損傷、缺陷的樣本。

圖2a：切割番茄的示例，表皮上標(biāo)注了橫截面（藍(lán)色長(zhǎng)方形）。使用cryo-BIB-SEM研究了這種樣本。

2b：Cryo-BIB-SEM圖像顯示了大片的番茄表皮橫截面樣本。

圖2c：2b中使用cryo-BIB-SEM獲得的清晰度更高的番茄表皮橫截面圖像顯示了微觀結(jié)構(gòu)的精細(xì)細(xì)節(jié)。

Cryo-BIB-SEM成像可揭示松木（樟子松）的細(xì)胞和微觀形態(tài)。寬幅離子束銑削方法制備的細(xì)胞壁表面，上面沒有切片機(jī)切割等制備方法造成的偽影。EDS提供了不同木材相位的成分，例如細(xì)胞膜質(zhì)中的碳（C）和因細(xì)胞中含有大量的水而存在的氧氣（O）[4]。

圖3a：Cryo-BIB-SEM方法獲得的松木圖像（SE2），上面顯示了管胞（樹的木質(zhì)部運(yùn)輸組織的伸長(zhǎng)細(xì)胞）的微觀形態(tài)和紋孔（細(xì)胞間流體交換的細(xì)胞壁部分）。

3b：使用cryo-BIB方法制備的松木的EDS圖像（3a中的相同區(qū)域）細(xì)胞膜質(zhì)中的碳（C，紅色）信號(hào)和木材細(xì)胞所含水的氧氣（O，藍(lán)色）。

概述與結(jié)論

我們已經(jīng)介紹了cryo-BIB-SEM是一種可以研究易損柔性天然聚合物的橫截面的有效表征方法（番茄表皮和木材）?？蓪?duì)無損傷番茄表皮和木材細(xì)胞的微觀結(jié)構(gòu)的精細(xì)細(xì)節(jié)進(jìn)行高清晰成像。另外，cryo-BIB-SEM樣本制備過程中，未發(fā)現(xiàn)因制備而導(dǎo)致的斷裂或樣本損傷。

參考文獻(xiàn)：

1.S. Jaiser, J. Kumberg, J. Klaver, J.L. Urai, W. Schabel, J. Schmatz, P. Scharfer, Microstructure formation of lithium-ion battery electrodes during drying - An ex-situ study using cryogenic broad ion beam slope-cutting and scanning electron microscopy (Cryo-BIB-SEM), J. Power Sources (2017) vol. 345, pp. 97-107, DOI: 10.1016/j. jpowsour.2017.01.117

2.J. Schmatz, J. Klaver, M. Jiang, J.L. Urai, Nanoscale Morphology of Brine/Oil/Mineral Contacts in Connected Pores of Carbonate Reservoirs: Insights on Wettability From Cryo-BIB-SEM, SPE Journal (2017) vol. 22, iss. 05, DOI: 10.2118/180049-PA.

3.R. Metzner, H.U. Schneider, U. Breuer, W.H. Schroeder, Imaging Nutrient Distributions in Plant Tissue Using, Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry and Scanning Electron Microscopy, Plant Physiology (2008) vol. 147, pp. 1774–1787, DOI: 10.1104/ pp.107.109215.

4.M. Nopens, J. Schmatz, Saturated pine wood sample, Pinus sylvestris, 2017, MaP Microstructures and Pores.

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MSHOT透反射偏光顯微鏡MP41技術(shù)參數(shù)

MSHOT透反射偏光顯微鏡MP41功能特點(diǎn)

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偏光觀察裝置可移入或移出光路，起偏器與檢偏器均可360°旋轉(zhuǎn)。

旋轉(zhuǎn)式載物臺(tái)，360°等分刻度,游標(biāo)格值6'，ZX可調(diào)，帶鎖緊裝置，工作臺(tái)垂直有效行程可達(dá) 30mm。

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（來源：廣州市明美光電技術(shù)有限公司 ）