掃描電鏡、透射顯微鏡ppt課件

1、電子顯微鏡,顯微鏡技術(shù)（ 二 ）,1,2, 簡,介, 基本原理 透射電鏡 掃描電鏡 樣品制備技術(shù) 電鏡在高分子結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用,2,3,中空聚合物微球的透射電子顯微鏡照片,3,a b,TEM images of Ag nanoparticle coated silica microspheres (a) and silica microspheres with Ag nanoparticles embedded in the shell layer (SMAE SL) (b). The sample in Figure a was prepared with Ag(NH 3 ) 4+ soak

2、ed silica microspheres,and reduced with glucose solution. The sample in Figure b was prepared as the sample in Figure a instead of forming a new layer of silica on the Ag nanoparticle coated silica microspheres and the silica microspheres used were smaller in diameter. Due to the detach of the Ag na

3、noparticles in the following procedure, the amount of the Ag nanoparticles embedded in the silica microspheres is less.,SiO 2 /Ag( 透射電子顯微鏡 ),4,5,ZnO （掃描電子顯微鏡照片）,5,6, 肉眼所能觀察到的最小限度是 0.2 mm 左右 光學(xué)顯微鏡分辨率是 0.2 um( 可見光的半波長 ) ， 最大放大為 1000 倍左右（光衍射的限制）,簡,介,-3,0.225 nm,6,7, 高性能電子顯微鏡，晶格分辨率是 0. 14 nm ，點(diǎn)分辨率是 0.3

4、nm ，相當(dāng)于最大放大 倍數(shù) 50100 萬，直接觀察一些結(jié)晶的晶格 圖像，甚至某些單個(gè)原子,簡,介,7,基本原理,8,電子束能量足夠大，能夠穿過樣品而無相互作用，形成透 射電子。入射電子和樣品有相互作用而產(chǎn)生散射。散射有兩 類： 彈性散射：入射電子只是被反射而沒有損失能量 非彈性散射：如果有能量損失，會(huì)產(chǎn)生各種不同的射線 9,基本原理,9,基本原理,(1) 透射電子： 直接透射電子，以及彈性或非彈性散射的透射電子 用于透射電鏡（ TEM ）的成像和衍射。 (2) 背景散射電子： 入射電子穿透到離核很近的地方被反,射 ， 而 沒 有 能 量 損 失 ； 反 射 角的 大 小取 決 于離 核 的

5、 距離 和 原 來 的 能 量 ， 因 而 實(shí) 際 上 任 何方 向 都有 散 射， 所 產(chǎn) 生的 信 息即形成背景散射。 散 射 強(qiáng) 度 的 大 小 取 決 于 原 子 的原 子 序數(shù) 和 試樣 表 面 形貌 。 (3) 二次電子： 入射電子撞擊樣品表面原子的外層電子， 把 它 激 發(fā) 出 來 ， 就 形 成 低 能 量的 二 次電 子 ，使 表 面 凹凸 的 各個(gè)部分都能清晰成像 ( SEI ) 。 二 次 電 子 的 強(qiáng) 度 主 要 與 樣 品 表面 形 貌有 關(guān) 。,二次電子和 背景散射電 子共同用于 掃描電鏡 （ SEM ）的 成像。 10,10,11,(4 ） 特征 X 射線： 入

6、射電子把樣品表面原子的內(nèi)層電子撞擊，被激發(fā)的空 穴由高能級(jí)電子填充時(shí)，能量以電磁輻射的形式放出，就產(chǎn)生特征 X 射線，可用于 元素分析（ EDS or EDX ） 。,(5) 俄歇（ Auger) 電子： 入射電子把外層電子打進(jìn)內(nèi)層，原子被激發(fā)了，,為釋放能量而電離出次外層電子，叫俄歇電子。主要用于輕元素和超,輕元素（除 H 和 He ）的分析，稱為 俄歇電子能譜儀 。,(6 ） 陰極熒光： 入射電子使試樣的原子內(nèi)電子發(fā)生電離，高能級(jí)的電子,向低能級(jí)躍遷時(shí)發(fā)出的光波長較長（在可見光或紫外區(qū)），稱為陰極 熒光，可用作 光譜分析 ，但它通常非常微弱。,基本原理,元素和光譜分析,11,一、透射電鏡,

7、（一）構(gòu)造和成像原理 三部分組成： 光源、物鏡和投影鏡,電子束代替光束， 用磁透鏡代替玻璃透鏡 獲得信息： （ 1 ）放大成像（明場(chǎng)像、 暗場(chǎng)像） （ 2 ）電子衍射圖形,0 級(jí) 衍 射,12,13,一、透射電鏡 電鏡構(gòu)造有兩個(gè)特點(diǎn)： (1) 電鏡中用的是 磁透鏡 。 因?yàn)殡娮訋щ姟９鈱W(xué)顯微 鏡中的玻璃透鏡不能用于 電鏡。 (2 ）系統(tǒng)要求處于 高真空 ， 要達(dá)到 1.33 10 -4 Pa 或更 高。因?yàn)榭諝鈺?huì)使電子強(qiáng) 烈地散射。,13,14,一、透射電鏡 電子槍 兩 大 類 ， 三 種： 場(chǎng)致發(fā)射電子槍： 場(chǎng)致發(fā)射效應(yīng)產(chǎn)生電子 價(jià)格昂貴，極高真空，壽命 1000 小時(shí)以上，不需要電磁透鏡系

8、統(tǒng)。 鎢槍和六硼化鑭槍： 熱發(fā)射效應(yīng)產(chǎn)生電子 鎢槍：壽命 30 100 小時(shí)之間，價(jià)格便宜，成像不如其他兩種明亮，廉價(jià)。 六硼化鑭槍：壽命 200 1000 小時(shí)，價(jià)格約為鎢槍的十倍，圖像比鎢槍明亮 5 10 倍，需要略高于鎢槍的真空，但比鎢槍容易產(chǎn)生過度飽和和熱激發(fā)問題 。,14,15,透射電鏡三要素 1. 分辨率 2. 放大倍數(shù) 3. 襯度,15,16,電鏡三要素 1. 分辨率,Airy 準(zhǔn)則：兩個(gè)并排點(diǎn)光源得到 的兩個(gè)相互重疊的 Airy 盤能分開 的最短距離是第一級(jí)暗環(huán)的半徑 r 。,16,17,電鏡三要素 1. 分辨率,因素： （ ） 孔 徑 角 越 大 ， 分 辨 率 越高 。 這

9、 是 因 為 孔 徑 角 越 大 ， 收 集 的信 息 就越 多 ，得 到 的 圖 像 就 越 少 受 衍 射 的 影 響 ， 越接 近 點(diǎn)像 。 （ ） 波 長 越 短 ， 分 辨 率 越 高。 而 電 子 波 長 取 決 于 加 速 電 壓 ，服 從 下式 ： 式中 V- 電子加速電壓， 可以計(jì)算，當(dāng) V= 100kV 時(shí)，波長 =0.0037nm ， 分辨率 0.005 nm 。實(shí)際 TEM 只能達(dá)到 0.1-0.2 nm ， 這 是 由 于 透 鏡 的 固 有 像 差 造 成的 。,17,18,電鏡三要素 . 放大倍數(shù) 肉眼分辨率約 0. 2mm 電鏡的分辨率 0.2nm 左右 電鏡最

10、大的放大倍數(shù)等于 10 6 數(shù)量級(jí),18,19,電鏡三要素 . 像的襯度 像的襯度： 電鏡像的反差，即亮和暗的差別 1) 散射襯度： 對(duì)電子散射引起的是非晶態(tài)形成的襯度。 影響散射襯度與樣品存在下列關(guān)系： (1) 樣品越厚，圖像越暗； (2 ）原子序數(shù)越大，圖像越暗； (3 ）密度越大，圖像越暗。 樣品中元素的原子核與核外電子的電場(chǎng)作用，使入射 e 散 射 ， 總 散射 率 與 質(zhì) 量 厚度 （ 即 厚 度 密 度 ） 成 正 比， 由于散射 e 被光闌擋住，只有散射角小的 e 通過光闌孔。 質(zhì) 量 厚 度 大 的 ， 透 過 e 少 質(zhì) 量 厚 度 小 的 ， 透 過 e 多 透 過 e 密

11、 度 不 同 ， 形 成 襯 度 不 同,19,20,電鏡三要素 . 像的襯度 2) 衍射襯度： 樣品對(duì)電子衍射引起的，是晶體 樣品的主要襯度 入射 e 束通過薄樣品時(shí)，對(duì)晶粒的某一晶 面滿足布拉格衍射條件，電子在晶面上按一定 角度發(fā)生反射，則透過電子較少，而不滿足布 拉格條件，透射 e 多，對(duì)比產(chǎn)生襯度叫衍射襯 度。 明 場(chǎng) 像 ： 以 透 射 e 為 主 成 像 。 暗 場(chǎng) 像 ： 以 衍 射 線 成 像 （ 明 暗場(chǎng) 對(duì) 比相 反 ）。,20,21,二、掃描電鏡,掃描電鏡的特點(diǎn)： (1) 焦 深 大 ， 圖 像 富 有 立 體 感 ， 適 合 于 表 面 形貌的研究 。 (2) 它 的

12、放 大 倍 數(shù) 范 圍 廣 ， 從 十 幾 倍 到 幾 十 萬倍，幾乎覆蓋了光學(xué)顯微鏡和 TEM 的范圍。 (3) 制 樣 簡 單 ， 樣 品 的 電 子 損 傷 小 ， 這 些 方 面優(yōu)于 TEM 。,21,22,二、掃描電鏡 ( 一 ） 構(gòu) 造 及 成 像 原 理 二次電子加背景 散射電子成像,光源,22,23,掃,描,電,鏡,成,像,示,意,圖,23,24,傳統(tǒng) SEM 分辨率與電子束直徑一樣大： 約為 nm .,二、掃描電鏡 SEM 分辨率受電子束直徑限制， 電子束直徑越小，分辨率越高,（二）電鏡三要素 . 分辨率,24,25,二、掃描電鏡 . 放大倍數(shù) 放大倍數(shù)屏幕的分辨率電子 束直

13、 徑 . mm/5nm 傳統(tǒng) SEM 放大倍數(shù)約為萬左右。,25,26,二、掃描電鏡 . 襯度 (1) 表面形貌襯度 SEM 的襯度主要是樣品的表面凸凹決定的 入射電子能激發(fā)樣品表面下 nm 厚薄層的二次電子,26,27,二、掃描電鏡, . 襯度 ( ) 原 子 序 數(shù) 襯 度,掃 描 電 子 束 入 射 產(chǎn) 生 的 各 種 射線 ， 對(duì)原子序數(shù)的差異敏感 主要是背景散射電子,27,28,加速電壓：,二、掃描電鏡 電子槍的加速電壓是電鏡的主要性能指標(biāo),加速電壓低，球差較小從而提高了分辨率； 加速電壓越高，電子束能量越大，對(duì)樣品穿透得越深（尤其是高分子材料）， 從而使圖像的襯度減??；同時(shí)損傷樣品

14、及表面帶電嚴(yán)重。,高分子材料來說， 一般不應(yīng)超過 30kV 。,28,29,二、掃描電鏡 場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡與普通掃描電鏡比較 1 理論分辨率高 場(chǎng)發(fā)射槍的光源尺寸小，發(fā)射的電子束亮度高，從而可以得到比常規(guī)掃 描電鏡更細(xì)小的光斑，提高了儀器的分辨率，可達(dá) 1.0 nm 。 2 低加速電壓下分辨率高 可到 2.5 nm 甚至更低。 3 低加速電壓的好處 在低加速電壓下，電子束對(duì)樣品的損傷小，減少假象。某些半導(dǎo)體或 絕緣體樣品可以不用鍍金膜，消除了金膜干擾，并對(duì)能譜儀測(cè)輕元素帶來 好處。 4 探測(cè)器的改進(jìn) 探測(cè)器裝在物鏡內(nèi)部，即在樣品正上方，提高了探測(cè)效率和靈敏度。 有的還加上電子線路域值濾波，分離背

15、散射電子信號(hào)，對(duì)提高圖象的清晰 度有較大的作用。 5 清潔真空 有的型號(hào)采用分子泵，真空清潔，減少污染，有利于保持電鏡的高性 能。,29,30,二、掃描電鏡 場(chǎng) 發(fā) 射 掃 描 電 鏡 構(gòu) 造 及 成 像 原理,JSM 6700-F 冷場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡,30,31,二、掃描電鏡 場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡與普通掃描電鏡比較 1 理論分辨率高 場(chǎng)發(fā)射槍的光源尺寸小，發(fā)射的電子束亮度高，從而可以得到比常規(guī)掃 描電鏡更細(xì)小的光斑，提高了儀器的分辨率，可達(dá) 1.0 nm 。 2 低加速電壓下分辨率高 可到 2.5 nm 甚至更低。 3 低加速電壓的好處 在低加速電壓下，電子束對(duì)樣品的損傷小，減少假象。某些半導(dǎo)體或

16、絕緣體樣品可以不用鍍金膜，消除了金膜干擾，并對(duì)能譜儀測(cè)輕元素帶來 好處。 4 探測(cè)器的改進(jìn) 探測(cè)器裝在物鏡內(nèi)部，即在樣品正上方，提高了探測(cè)效率和靈敏度。 有的還加上電子線路域值濾波，分離背散射電子信號(hào)，對(duì)提高圖象的清晰 度有較大的作用。 5 清潔真空 有的型號(hào)采用分子泵，真空清潔，減少污染，有利于保持電鏡的高性 能。,31,32,場(chǎng) 發(fā) 射 分 熱 場(chǎng) 和 冷 場(chǎng) ， 共 性 是分 辨 率高 。,熱場(chǎng) 的束流大些，適合進(jìn)行分析，但維護(hù)成本相對(duì)較高，維護(hù)要求高。 冷場(chǎng) 做表面形貌觀測(cè)是適合的，相對(duì)而言維護(hù)成本低些，維護(hù)要求不 算高。,冷場(chǎng)發(fā)射電子槍,優(yōu)點(diǎn)：單色性好，分辨率高,缺點(diǎn)：電子槍束流不穩(wěn)

17、定，束流小，不適合做能譜分析，每天要做一,次 Flash,熱場(chǎng)發(fā)射電子槍,優(yōu)點(diǎn)：電子束穩(wěn)定，束流大,缺點(diǎn)：與冷場(chǎng)相比除了單色性和分辨率略差點(diǎn)外，缺點(diǎn)不多。,熱場(chǎng)發(fā)射與冷場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡的比較,二、掃描電鏡,32,33,分辨率 ： 15KV 1KV,1.0nm 2.2nm,樣品臺(tái) 移動(dòng)范圍： X ： 70 mm Y ： 50 mm Z: 1.525mm R: 360 無限旋轉(zhuǎn) T: -5 60 ,二、掃描電鏡 JSM 6700-F 冷場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡主要技術(shù)指標(biāo) 放大倍數(shù) : 25 倍 650000 倍,33,34,樣品制備技術(shù),34,35,樣品制備技術(shù) 一、電鏡樣品的基本要求 (1) 測(cè)定固體樣品

18、 因?yàn)殡婄R都在高真空中運(yùn)行，只能直接測(cè)定固體樣品。對(duì)于樣品 中所含水分及易揮發(fā)物質(zhì)應(yīng)預(yù)先除去，否則會(huì)引起樣品爆裂。 (2) 樣品必須非常清潔 因?yàn)樵诟弑斗糯髸r(shí)，一顆小塵埃會(huì)像乒乓球那么大，所以很小的 污染物也會(huì)給分析帶來干擾。 (3) 樣品要有好的抗電子束強(qiáng)度 高分子材料往往不耐電子損傷，允許觀察的時(shí)間常較短（幾分鐘 甚至幾秒鐘），所以觀察時(shí)應(yīng)避免在一個(gè)區(qū)域持續(xù)太久。,SiO 2 /PMMA 的 TEM 照片,35,樣品制備技術(shù) 二、 SEM 的一般制樣方法 (1) 將 樣 品 （ 包 括 模 塑 物 、 薄 膜 、 纖 維 、 粒 料 等 ） 直 接 用 雙 面 膠 紙 貼在鋁、銅樣品座上

19、.,(2) 在硅片上制備測(cè)試樣品,要求基底有導(dǎo)電性質(zhì) ,(3) 表面鍍金屬膜 (Au, Ag, Cu, Al ， Pt) ，減少電子束損傷；或采用 噴濺抗靜電劑 高 分 子 表 面 積 累 電 荷 時(shí) 觀 察 到的 現(xiàn) 象： (1) 整個(gè)畫面在飄移或局部移動(dòng)而使畫面有斷裂感； (2) 沿掃描方向有不規(guī)則亮點(diǎn)； (3) 亮的邊緣或異常的襯度； (4) 難以聚焦。,對(duì)高分子樣品，可用較低的加速電壓（ 15kV ）， 并 盡 可 能 在 低 倍 觀 察 ， 以 減 少電 荷 積累 。,via inverse microsuspension,TiO 2 coated with poly(acrylic

20、 acid) and ethylene glycol dimethacrylate 36 polymerization,36,37,樣品制備技術(shù) 三、 TEM 的一般制樣方法 (1) 樣品厚度小于 100nm (2) 樣品是載在 金屬網(wǎng) 上使用的，當(dāng)樣品比金屬網(wǎng)眼小 時(shí)還必須有透明的 支持膜 。,37,38,樣品制備技術(shù) 三、 TEM 的一般制樣方法 金屬網(wǎng)： 銅網(wǎng)，特殊需要也可 Ni 、 Au 、 Be 網(wǎng)。 銅 網(wǎng) 很 小 ， 是 直 徑 只 有 2-3mm ， 厚 度 為 20-100um 的 圓 形 薄 板 。 網(wǎng) 眼 是 可選的，形狀有方形、長方、六方或圓 形 ， 孔 徑 從 50

21、目 至 400 目 （ 即 2-16 孔 /mm ）。,38,39,樣品制備技術(shù) 三、 TEM 的一般制樣方法 纖維、薄膜、切片等可直接安放在銅網(wǎng)上。 支持膜： 對(duì)于很小的切片、顆粒、高分子單晶、乳膠粒、納米 微 粒 等 細(xì) 小 的 材 料 就 必 須 有 支持 膜 支 撐 。 對(duì)支持膜有以下要求： (1) 電子透明性好 : 在電鏡分辨率范圍內(nèi)，或在所觀察 結(jié) 構(gòu) 范 圍 內(nèi) ， 不 顯 現(xiàn) 支 持 膜 本身 的 結(jié) 構(gòu) ； (2) 熱和化學(xué)穩(wěn)定性能 : 經(jīng)受電子轟擊； (3) 制作和使用簡便。,39,40,樣品制備技術(shù) 三、 TEM 的一般制樣方法 支持膜： 支持膜主要有以下四類 : 1.

22、Polymer 膜：成分為 0.5% 火棉膠的 醋酸異戊酯 溶液或 聚乙烯醇 縮甲醛的 二氯甲烷 溶液 ; 20 30 nm Formvar 膜（方華膜） : 聚醋酸甲基乙烯酯的 氯仿 溶液 制備方法：水面滴膜；澆鑄 成膜 2. 碳膜：真空鍍膜機(jī)中鍍上約 10nm 厚的碳膜，再撈在銅網(wǎng)上 3. 碳補(bǔ)強(qiáng) polymer 膜 : 5 10 nm.,40,41,樣品制備技術(shù) 三、 TEM 的一般制樣方法 支持膜：,4.,多孔支持膜：,又稱微柵膜； 用于分辨率要求很高的工作。,TEM image of Cd 0.21 Hg 0.79 Te-polymer composite based on micr

23、otome method and inset is the SAED pattern,41,42,純碳膜,polymer+C （ 30 nm ）,可耐一般有機(jī)溶劑,碳支持膜,polymer+C （ 10-15 nm ） 不耐有機(jī)溶劑,超薄碳膜 微柵膜,polymer+C （ 5 nm ） polymer,不耐有機(jī)溶劑 不耐有機(jī)溶劑,樣品制備技術(shù) 支持膜： 國內(nèi)某電鏡耗材公司電鏡銅網(wǎng)支持膜對(duì)比：,42,43,樣品制備技術(shù) 三、 TEM 的一般制樣方法 樣品分散在支持膜： 1 涂 布 法 滴液體在支持膜上，干燥后用于觀察。關(guān)鍵是濃度要適當(dāng) 可直接測(cè)量高分子稀溶液中高分子無規(guī)線團(tuán)的尺寸，從而計(jì)算分子

24、量。 2. 噴霧法 用壓縮空氣對(duì)著液滴吹，使液霧落在支持膜上，干燥后使用。 3 包 埋 法 將 顆 粒 樣 品 混 在 制 支 持 膜 的 塑料 溶 液 中 ， 從 而 制 成 的 支 持 膜 內(nèi)就 含有分散著的樣品顆粒。,高等學(xué)校化學(xué)學(xué)報(bào)， 2010, 31(3), 616.,43,44,樣品制備技術(shù) 四、電鏡的特殊制樣方法 1 超 薄 薄 膜 稀溶液澆注法。 2. 取向薄膜 常溫或加熱下拉伸出適合于 TEM 使用的很薄的 20 nm 取向薄膜。 3 超 薄 切 片 （ 1 ）對(duì) SEM 用普通切片機(jī)切片。 （ 2 ）對(duì) TEM 必須用超薄切片機(jī)切片，切片厚度為 3060 nm 。 優(yōu)點(diǎn)：得

25、到高分子材料的真實(shí)結(jié)構(gòu)，制樣過程不改變結(jié)構(gòu)形態(tài)。 超薄切片的步驟： 干燥 ； 包埋 ，對(duì)于柔性高分子，必須預(yù)先用某種樹 脂包埋才能切片。所用樹脂有環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯、丙烯酸類樹脂 等，樹脂的硬度要與試樣硬度匹配才能切出好的切片； 固化 ； 修邊 ； 切片 。 對(duì)于柔性高分子，還可以用冷凍切片法。切片溫度為 -20-40 。 TEM 常用的切片厚度為 60 nm ，分辨率可達(dá) 2.5 nm 。,44,45,Fig. TEM images of PMMA microscale capsules (a) and cross- sectional TEM images of the ultramic

26、rotomed capsules (b).,45,46,樣品制備技術(shù) 四、電鏡的特殊制樣方法 4. 染色 高分子 樣品的反 差 ?。旱驮?子 序數(shù)，電 子 密度差別 很 小， 加上樣品很薄。 （ 1 ） 本 體 高 分 子 用 “ 正 染 色 ” ， 即 感 興 趣 的 區(qū) 域 被 染 色 而 在 TEM 成為黑色。 （ 2 ） 乳 液 常 用 “ 負(fù) 染 色 ” ， 即 讓 顆 粒 以 外 的 基 底 染 色 變 黑 。 需選擇合適的染色劑。,46,47,樣品制備技術(shù) 四、電鏡的特殊制樣方法 染色劑： （ 1 ） 四 氧 化 鋨 廣泛用于含雙鍵高分子的染色，如 ABS ， SBS ，高抗沖聚

27、苯乙烯， 抗沖聚氯乙烯等。 染色機(jī)理：,47,48,樣品制備技術(shù) 四、電鏡的特殊制樣方法 染色后期， OsO 4 表現(xiàn)氧化劑特性：,48,49,樣品制備技術(shù),四、電鏡的特殊制樣方法,OsO 4 染色的實(shí)施方法：,1. 水溶液染色 :1%2% OsO 4 水溶液浸泡樣品。一般 30min 幾天。 2. 蒸汽染色 : 需 12h 。 OsO 4 蒸汽有毒，需小心。 OsO 4 還可以與含有 -OH 和 -NH 2 的高分子反應(yīng)。,有些高分子雖然不能直接用 OsO 4 染色，但可以先通過適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)得 到染色基團(tuán)，再用 OsO 4 染色，稱為兩步染色法。如 : 乙烯 - 醋酸乙烯共聚 物（ EVA ）

28、可先用堿在沸騰下皂化，然后用 OsO 4 與生成的羥基反應(yīng)。,可利用高分子不同的晶區(qū)和非晶區(qū)對(duì) OsO 4 物理吸收程度不同增加反差。,49,50,樣品制備技術(shù) 四、電鏡的特殊制樣方法 染色劑： （ 2 ） 四 氧 化 釕 RuO 4 是較新的染色劑，它的主要特點(diǎn)是： (a) 氧化性 比 OsO 4 更強(qiáng)。它 可以與 飽 和 高分子反 應(yīng)。除了 聚氯 乙 烯、聚偏氟乙烯、甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈、高密度聚乙烯外， 聚丙烯（輕微染色）、聚苯乙烯、聚酯、聚碳酸酯、聚苯醚、環(huán)氧 樹脂、聚丁二烯等許多飽和與不飽和高分子都能染色。 (b) RuO 4 傾 向 于 對(duì) 表 面 層 染 色 ， 即 與 晶

29、片 的 表 面 作 用 ， 而 不 像 OsO 4 與非晶區(qū)作用。,染色方法是用新配 1 % RuO 4 溶液染色 5 30min 。 由于 RuO 4 溶液十分不穩(wěn)定，每次必須臨時(shí)制備。,50,51,樣品制備技術(shù) 四、電鏡的特殊制樣方法 染色劑： （ 3 ） 其 它 氯 磺 酸 ： 聚 乙 烯 ， 氯 磺 化 結(jié) 果是 既 交聯(lián) 又 染色 。 磷鎢酸：高分子量的陰離子染色劑，與帶 -OH 、羰基和胺基的高分子 反應(yīng)。,硫：對(duì)橡膠的染色 碘：優(yōu)先染色非晶區(qū)，物理吸收，可用于尼龍、聚酯、維綸、纖維素、,聚乙烯等的染色。,51,52,樣品制備技術(shù) 四、電鏡的特殊制樣方法 5. 蝕刻 蝕刻是增加電鏡

30、所能提供的結(jié)構(gòu) 信息的 另一 重要方 法。 蝕刻的目的是除去一部分結(jié)構(gòu)， 突出所 感興 趣的結(jié) 構(gòu)。 蝕刻后的表面可用于 SEM 觀察，或做成復(fù)型用于 TEM 觀察。 蝕刻方法有三種：溶劑蝕刻、酸 蝕刻和 等離 子或離 子蝕刻 。,52,53,樣品制備技術(shù),四、電鏡的特殊制樣方法,3). 酸蝕刻,用氧化性的強(qiáng)酸選擇氧化某一相，,氧化的結(jié)果是使高分子斷為碎片而除去， 該法能得到較為精細(xì)的表面結(jié)構(gòu)。,蝕刻方法：,1). 等離子和離子蝕刻,用 等 離 子 或 離 子 帶 電 體 攻 擊 聚 合 物 表 面 ， 移 去 表 面 的 原 子 或 分 子 ， 由 于 蝕 去 速 度的 差 異 而 產(chǎn) 生

31、相 之 間 的 反 差。,一 般用 氧氣 或氬 氣 作 為電 離的 氣體 ，氬 氣比 氧氣 能產(chǎn) 生更 清晰 的表 面結(jié) 構(gòu)。 蝕刻,時(shí)間是 5 30min 。聚乙烯、聚丙烯、聚酯等半結(jié)晶高分子的非晶部分被優(yōu)先蝕刻。 2). 溶劑蝕刻,晶區(qū)和非晶區(qū)溶解速度的差別，或不同相之間溶解速度的差別而增加反差。 缺點(diǎn)：溶劑需精心選擇，溶解性太好的溶劑會(huì)導(dǎo)致溶脹或使結(jié)晶部分也溶解。,53,54,樣品制備技術(shù) 四、電鏡的特殊制樣方法 6. 復(fù)型： 重現(xiàn)樣品表面的起伏結(jié)構(gòu)，復(fù)型一般用于 TEM 。 復(fù)型一般可以分為一級(jí)復(fù)型和二級(jí)復(fù)型 : 一 級(jí) 復(fù) 型 為 負(fù) 復(fù) 型 ， 二 級(jí) 復(fù) 型為 正 復(fù)型 。 1)

32、. 塑料一級(jí)復(fù)型： 剝離方法如下： （ 1 ）干法 （ 2 ）濕法 （ 3 ）溶解法,碑拓,54,55,樣品制備技術(shù) 四、電鏡的特殊制樣方法 2). 碳一級(jí)復(fù)型 3). 碳二級(jí)復(fù)型,55,56,樣品制備技術(shù),四、電鏡的特殊制樣方法,7. 鍍膜：,1). 真空蒸發(fā)鍍膜 :,真空鍍膜主要用于 TEM 的復(fù)型和碳支持膜，,膜的厚度一般為 150 nm 。真空鍍膜機(jī)可以將碳和各種金屬蒸發(fā)。 2). 投影：,投影就是用某種重金屬從一定角度向樣品蒸發(fā)一薄層膜，由于樣品表 面凸凹不平，各處蒸上的金屬的厚度也不同，從而增加厚度，在圖象 上形成很強(qiáng)的層次感和立體感。常用投影的金屬有金、鉑、鈀、鎘等。,投影厚度用

33、重金屬是只需 0.30.7 nm 。,h = L tg ,突起高度計(jì)算公式,56,Fig. Synthetic route toward peptide containing superamphiphiles using click chemistry:41 right, self-assembly behavior of PS- b - GlyGlyArgAMC in aqueous solutions; (A, B) TEM image taken directly after injection ( Pt shadowing ; scale bars represent 200 and

34、500 nm for panels A and B, respectively); (C) TEM image taken 18 h after injection ( Pt shadowing ; scale bar represents 1 m); (D) SEM image directly taken after injection. Reproduced from ref 48 with permission. Copyright 2005 Royal Society of,Chemistry. 57,Loos, K.; Muller, A. H. E. Routes to the

35、synthesis of amylose- block -polystyrene rodcoil block copolymers.,Biomacromolecules 2002, 3 , 368373.,57,58,樣品制備技術(shù) 四、電鏡的特殊制樣方法 7. 鍍膜：,3). 濺射鍍膜,用金,膜厚度為 1100 nm ，除提供導(dǎo)電性以外，還可以減少電子的損傷。 濺射鍍膜的主要優(yōu)點(diǎn) : 1. 制備速度快可以同時(shí)處理多個(gè)樣品。 2. 均勻鍍膜，樣品受熱比真空鍍膜少。 主要缺點(diǎn) : 膜的結(jié)構(gòu)不如真空鍍膜，膜的厚度在 20 nm 以上時(shí)，分辨 率僅 1015 nm 。改進(jìn)的方法是減少膜厚度至 5 nm

36、 ，或改 用金靶或鈀靶。,58,59,樣品制備技術(shù) 四、電鏡的特殊制樣方法 8. 斷裂 斷 裂樣 品 的 來 源 : 拉 伸 、 撕裂 或 沖 擊 等 形 變 實(shí) 驗(yàn) 。 電鏡觀察結(jié)果與力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相聯(lián)系。 SEM 由于焦深大，適合研究粗糙的斷裂表面。 TEM 研究斷面時(shí)一 定要用復(fù)型。柔性的高分子一 定要用冷卻斷裂。,59,60,電鏡在高分子結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用,60,61,電鏡在高分子結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用,主要應(yīng)用： 1. 結(jié)晶結(jié)構(gòu)和形態(tài) 2. 多相結(jié)構(gòu)的研究： 嵌段共聚物、共混物和復(fù)合材料 3. 表面形貌,61,62,電鏡在高分子結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用 1. 結(jié)晶 PE 單 晶 的 電鏡 照 片： 觀

37、 察 到厚度 約 10nm 的菱形 片狀 單晶 外， 電子衍射：得到非常清晰的規(guī)則的電子衍射花樣。 結(jié)果 證明 在單晶內(nèi) ，分 子鏈作高 度規(guī)則 的三維有序排 列，分 子 鏈 的取向 與 片 狀 單晶 的表 面 相垂 直。根 據(jù) 電鏡 實(shí) 驗(yàn) 結(jié) 果， Keller 提 出了折疊鏈結(jié)構(gòu)模型。,62,63,電鏡在高分子結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用 1. 結(jié)晶 聚 對(duì) 苯 二 甲 酸 乙 二 醇 酯 球 晶 的電 鏡 ： 球晶對(duì)四氧化鋨的選擇吸收，是染 色技術(shù)用于半結(jié)晶高分子電鏡研究的一 個(gè)典型例子。 將未取向的聚酯切片熔融后，在 235 結(jié)晶 23h ，接著浸入 4%OsO 4 溶液 中 染 色 7 天 。

38、結(jié) 果 球 晶 中的 非 晶 部 分的 電 子密度增強(qiáng)，在 TEM 照片中顯示黑色。 聚酯超薄切片中的球晶的 TEM 照片（ 6500 x ）,63,64,是晶片螺旋位錯(cuò)的結(jié)點(diǎn)。,電鏡在高分子結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用 1. 結(jié)晶 線型 PE 帶 消光環(huán)球晶 的晶片結(jié)構(gòu)：環(huán)的邊界上有許多碟形物，它們,線性聚乙烯球晶的局部 TEM 照片 高錳酸鉀的硫酸溶液蝕刻，鉻投影取碳復(fù) 型 （ 2600 x ）,聚乙烯球晶中晶片層之間的聯(lián)接鏈結(jié)構(gòu) 聯(lián)接鏈已被額外附生的晶片裝飾； TEM 照片， 樣品經(jīng) Pt-C 在 26.6 o 投影， （ 1800X ）,證明了晶片中分子鏈 不完全近鄰折疊。,64,65,電鏡在高分

39、子結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用 2. 液晶 條帶織構(gòu) 是無論在溶致性或熱致性，無論向列或膽甾型主鏈高分子 液晶中，都能觀察到的一種取向態(tài)液晶織構(gòu)。 這種黑白相間的織構(gòu)，是微 纖 （即分 子束） 以鋸齒 形或波 浪形 有 規(guī) 則 地 排 列 而 產(chǎn) 生 的 光 學(xué) 效應(yīng) 。,制樣方法： 1 ） 濃 硫 酸 蝕 刻 2 ） 用 金 投 影 后 增 加 反 差 3 ） 碳 復(fù) 型 4 ）用金投影后在 TEM 下有很好的襯度,65,66,3. 纖維 織 物 是 由許 多 單 根 纖 維 經(jīng) 紡 紗 時(shí) 擰 絞 而 成 的 。 SEM 像 可 用 于 計(jì) 算 表 面 的 纖維的數(shù) 目和 長度，它 們會(huì) 影響織物的

40、手 感 和 機(jī) 械 性 質(zhì)。,電鏡在高分子結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用,無紡布是一種新紡織形式的織物，它 們比普通織物更不規(guī)則，結(jié)構(gòu)更不均勻。 經(jīng)碾壓法生產(chǎn)的無紡布中有些纖維明顯變 形，纖維完全是無規(guī)交叉。,一種典型織物的 SEI 照片（ 17x ）,無紡布的 SEI 照片（ 15x ）,66,67,電鏡在高分子結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用 4. 薄膜 薄 膜 主 要 用 作 包 裝 材 料 和 涂 層材 料 。 SEM ：可用于研究表面的細(xì)節(jié)，如在吹塑薄膜的表面上可直接觀察 到晶片，晶片要么朝機(jī)器方向要么取它的垂直方向。 TEM ：更多用于研究內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如球晶、微纖等。 分離控釋的微孔膜由擠 出成型的全同聚丙烯薄膜

41、經(jīng) 退火和拉伸制成。孔平行排 列，沿機(jī)器方向取向，未被 拉伸位置可看到與機(jī)器方向 垂直的晶片。,67,電鏡在高分子結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用 5. 多相高分子體系 電鏡常用來觀察共聚、共混、填充、增強(qiáng)等高分子 多相體系 的相結(jié)構(gòu)。 包括：共混物，嵌段共聚物，復(fù)合材料等。,聚苯乙烯 - 丁二烯嵌段共聚物的 TEM 照片 （ 85000 x ）；右下角為畫方框的局部放大照片 （ 170000 x ）；左上角為相應(yīng)的電子衍射照片 68,68,69,電鏡在高分子結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用 6. 乳液 乳液 一般用 TEM 研究。 研究乳液的關(guān)鍵是制樣和 觀察過 程中 不要使 粒子變 形。 傳統(tǒng)的圖像分析方法是逐 一測(cè)量

42、粒子 尺寸再 作統(tǒng)計(jì) ，但 現(xiàn)在已 有圖像分析儀可以自動(dòng)對(duì)底片進(jìn) 行分析 ，直 接得到 粒徑分 布和 平均值的數(shù)據(jù)。,69,TEM image of PS latex microspheres,SEM image of PS latex microspheres 70,電鏡在高分子結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用 6. 乳液,70,a b,TEM images of Ag nanoparticle coated silica microspheres (a) and silica microspheres with Ag nanoparticles embedded in the shell layer (S

43、MAE SL) (b). The sample in Figure a was prepared with Ag(NH 3 ) 4+ soaked silica microspheres,and reduced with glucose solution. The sample in Figure b was prepared as the sample in Fiugure a instead of forming a new layer of silica on the Ag nanoparticle coated silica microspheres and the silica mi

44、crospheres used were smaller in diameter. Due to the detach of the Ag nanoparticles in the following procedure, the amount of the Ag nanoparticles embedded in the silica microspheres is less.,SiO 2 /Ag(TEM),7. 實(shí)驗(yàn)過程跟蹤,71,72,TEM images of SMAESL after treated with nitric acid (a) and using the SMAESL

45、as seeds to form the SMAESL-PMMA core-shell composite particles by emulsion method (b). In Figure a , the Ag nanopartices were removed by the nitric acid and formed the silica microspheres with multipores in the shell layer.,SiO 2 /Ag(TEM),7. 實(shí)驗(yàn)過程跟蹤,72,73,a,SEM images of Ag nanoparticle coated silic

46、a colloidal crystals (a) and PS Macroporous films using the above colloidal crystals as templates. The experiment procedure is similar as the Ag nanoparticles coated silica microspheres.,SiO 2 /Ag(SEM),7. 實(shí)驗(yàn)過程跟蹤,73,74,Hollow nanospheres,TEM,SEM,74,75,生物樣品分析應(yīng)用,埃博拉病毒的 SEM 照片,鯊魚皮鱗片的 SEM 照片,荷葉表面的 SEM 照片

47、,紅血球的 SEM 照片,75,76,鯽魚性腺亞細(xì)胞超 微結(jié)構(gòu)透射電鏡圖,生物樣品分析應(yīng)用,76,77,Fig (c,d) The Fe 3 O 4 TiO 2 coreshell microspheres.(e) EDX spectrum data of the obtained Fe 3 O 4 TiO 2 core shell microspheres.,能譜分析應(yīng)用,77,78,能譜分析應(yīng)用,78,79,能譜分析應(yīng)用,79,FIG. Color online HRTEM images and SAED patterns of the a bare TiO 2 80,結(jié)構(gòu)分析應(yīng)用,80,

48、81,TEM Images,SiO 2 /PS core-shell nanospheres a/01jfeng/zxxx/wlja/11_1.html#a111,81,82,激光掃描共聚焦顯微鏡是二十世紀(jì) 80 年代發(fā)展起來的一項(xiàng)具有劃時(shí)代的高科技產(chǎn),品，它是在熒 光顯微鏡成像 基礎(chǔ)上加裝了 激光掃描裝置 ，利用計(jì)算機(jī) 進(jìn)行圖像處理 ，,把光學(xué)成像的分辨率提高了 30-40% ，使用紫外或可見光激發(fā)熒光探針，從而得到 細(xì) 胞或組織內(nèi)部微細(xì)結(jié)構(gòu)的熒光圖像，在亞細(xì)胞水平上觀察諸如 Ca 2+ 、 PH 值，膜電位,等生理信號(hào)及 細(xì)胞形態(tài)的變 化，成為形態(tài) 學(xué)，分子生物 學(xué)，神經(jīng)科學(xué) ，藥理學(xué)，遺

49、 傳 學(xué) 等 領(lǐng) 域 中 新 一 代 強(qiáng) 有 力 的 研 究 工 具。,激光共聚 焦成像系 統(tǒng)能 夠用于觀 察各 種染色、 非染 色和熒光 標(biāo)記 的組織和 細(xì)胞 等 ，觀察研究組 織切片，細(xì)胞 活體的生長發(fā) 育特征，研究 測(cè)定細(xì)胞內(nèi)物 質(zhì)運(yùn)輸和能量 轉(zhuǎn),換。能夠進(jìn) 行 活體細(xì)胞中離 子和 PH 值變化 研究（ RATIO ），神經(jīng)遞質(zhì) 研究，微分干,涉及熒光的斷 層掃描，多重 熒光的斷層掃 描及重疊，熒 光光譜分析熒 光各項(xiàng)指標(biāo)定 量 分析熒光樣品 的時(shí)間延遲掃 描及動(dòng)態(tài)構(gòu)件 組織與細(xì)胞的 三維動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu) 構(gòu)件 ，熒光共 振,能 量 的 轉(zhuǎn) 移 的 分 析 ， 熒 光 原 位 雜 交 研 究 （

50、 FISH ） ， 細(xì) 胞 骨 架 研 究 ， 基 因 定 位 研 究 ， 原位實(shí)時(shí) PCR 產(chǎn)物分析，熒光漂白恢復(fù)研究（ FRAP ），胞間通訊研究，蛋白質(zhì)間研,究 ， 膜 電 位 與 膜 流 動(dòng) 性 等 研 究 ， 完 成 圖 像 分 析 和 三 維 重 建 等 分 析。,激光共聚焦顯微鏡 Laser Scanning Confocal Microscope,原理和應(yīng)用,82,83,一 . 激 光 共 聚 焦 顯 微 鏡 系 統(tǒng) 應(yīng) 用 領(lǐng) 域 ：,涉及醫(yī)學(xué)、動(dòng)植物科研、生物化學(xué)、細(xì)菌學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、組織胚胎、 食 品 科 學(xué) 、 遺 傳 、 藥 理 、 生 理、 光 學(xué)、 病 理、 植

51、物 學(xué)、 神 經(jīng) 科 學(xué) 、 海 洋 生 物 學(xué) 、 材 料 學(xué) 、 電 子 科 學(xué) 、 力 學(xué)、 石 油地 質(zhì) 學(xué)、 礦 產(chǎn) 學(xué)。,二 . 基 本 原 理,傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡使用的是場(chǎng)光源，標(biāo)本上每一點(diǎn)的圖像都會(huì)受到鄰 近 點(diǎn) 的 衍 射 或 散 射 光 的 干 擾 ；激 光 掃描 共 聚焦 顯 微 鏡利 用 激 光 束 經(jīng) 照 明 針 孔 形 成 點(diǎn) 光 源 對(duì) 標(biāo) 本 內(nèi) 焦 平 面 的每 一 點(diǎn)掃 描 ，標(biāo) 本 上 的被 照 射 點(diǎn) ， 在 探 測(cè) 針 孔,處成像，由探測(cè)針孔后的光點(diǎn)倍增管（ PMT ）或冷電耦器件（ cCCD ）逐點(diǎn),或 逐 線 接 收 ， 迅 速 在 計(jì) 算 機(jī) 監(jiān)視

52、 器 屏幕 上 形成 熒 光 圖像 。 照 明 針 孔 與 探 測(cè) 針 孔 相 對(duì) 于 物 鏡 焦 平 面 是 共 軛 的， 焦 平面 上 的點(diǎn) 同 時(shí) 聚焦 于 照 明 針 孔 和 發(fā) 射 針 孔 ， 焦 平 面 以 外 的 點(diǎn) 不 會(huì) 在 探測(cè) 針 孔處 成 像， 這 樣 得到 的 共 聚 焦 圖 像 是 標(biāo) 本 的 光 學(xué) 橫 斷 面 ， 克 服 了 普 通 顯微 鏡 圖像 模 糊的 缺 點(diǎn) 。,83,84,三 . 應(yīng) 用 范 圍 ：, 細(xì)胞形態(tài)學(xué)分析（觀察細(xì)胞或組織內(nèi)部微細(xì)結(jié)構(gòu)，如：細(xì)胞內(nèi)線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、,高爾基體、微管、微絲、細(xì)胞橋、染色體等亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的形態(tài)特征；, 半定量免疫熒光分析）； 熒光原位雜交研究；, 基因定位研究及三維重建分析。,1. 細(xì)胞生物學(xué)：細(xì)胞結(jié)構(gòu)、細(xì)胞骨架、細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)、流動(dòng)性、受體、細(xì)胞器結(jié)構(gòu),和分布變化,2. 生物化學(xué)：酶、核酸、 FISH （熒光原位雜交）、受體分析 3. 藥理學(xué)：藥物對(duì)細(xì)胞的作用及其動(dòng)力學(xué),4. 生理學(xué)：膜受體、離子通道、細(xì)胞內(nèi)離子含量、分布、動(dòng)態(tài),5. 神經(jīng)生物學(xué)：神經(jīng)細(xì)