結(jié)合掃描電子顯微鏡的冷凍寬幅離子束銑削（cryo-bib-sem）
本報告評估了結(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。報告介紹了使用cryo-bib-sem對易損天然聚合物進(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，由于亞微米等級的分析方法比較少，通常無法對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。
本報告中的結(jié)果顯示，使用cryo-bib-sem可以對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，僅能夠準(zhǔn)確研究很小一部分的表面區(qū)域。而且有機(jī)材料往往會發(fā)生膨脹收縮，使用sem進(jìn)行樣本制備和測量時，尤其是對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)用注意事項介紹了使用cryo-bib-sem在高分辨率（亞微米級）下對柔性、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。使用液氮-雪泥對樣本進(jìn)行淬火，然后將樣本快速轉(zhuǎn)移至一個溫度保持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
從一個新鮮番茄（圖2a）上切一小塊皮，然后按照圖1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o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)：（上下滑動查看更多）
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.