課堂 | 研究天然聚合物精細細節的微觀結構

結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）對低溫穩定柔性聚合物的微觀結構進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行檢查的結果，例如番茄果皮和木材，還分析了聚合物表面形態和多種微觀結構特性。

聚合物的微觀結構控制它們的化學反應性以及機械和傳輸特性。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構進行定量表征，或不具備相關的可行性條件。冷凍斷裂是少數可用的方法之一，但通過這種工藝制備的樣本表面通常過于粗糙，導致制備好的樣本上只有極小一部分區域適合定量SEM研究。

本報告中的結果顯示，使用cryo-BIB-SEM可以對完好的樣本橫截面上的較大平面區域進行高清晰成像，更好地對柔性聚合物進行微觀結構表征。在觀察過程中，在通過cryo-BIB-SEM樣本制備工藝加工的樣本中，僅發現極少量的偽影，而且均非冷凍導致。

介 紹

聚合物微觀機構會影響聚合物的機械和傳輸特性，進而決定了材料的耐久性以及對風化、冷熱和光照的耐受性，因此聚合物微觀結構的精確表征非常重要。

各類聚合物，無論是柔性、硬質、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定樣本的微孔進行高清晰成像和化學分析。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構[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 準確定柔性聚合物的微觀機構。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）進行定量分析時，僅能夠準確研究很小一部分的表面區域。而且有機材料往往會發生膨脹收縮，使用SEM進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下進行分析。微型計算機斷層成像（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果不具代表性。

本應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）的微觀結構進行表征的過程。

Cryo-BIB-SEM材料和方法

Cryo-BIB可制備具有大平面區域的冷凍穩定橫截面（可達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、變形等損壞的風險。使用液氮-雪泥對樣本進行淬火，然后將樣本快速轉移至一個溫度保持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成分數據或使用SEM獲得的精細結構的高清晰圖像。在第 一個方案中（圖1b），樣本經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構便可以完全顯現出來。

使用徠卡顯微系統的EM TIC 3X離子束銑削系統對木材和番茄皮（天然聚合物）樣本進行冷凍寬幅離子束（cryo-BIB）銑削。將經BIB銑削的樣本放進SEM（Supra 55，蔡司）之前，首先使用徠卡顯微系統的EM ACE600鍍膜機的濺射、碳蒸發和電子束蒸發配置對樣本濺射鍍膜一層薄薄的鎢（W）。鎢層可防止不導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系統執行cryo-BIB，使用EM ACE600系統進行濺射鍍膜。

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）滲水后的精細亞微米結構。

結 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和易損結構的能力。一個特別目標是確定使用cryo-BIB-SEM樣本制備工藝制備的橫截面的質量，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中的工作流程進行制備，并按照方案2進行分析。番茄皮含有大量水分，微觀結構非常復雜，因此是評估樣本制備過程中因形成冰晶而發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”。番茄細胞的精細結構清晰可見，細胞形狀非常類似于之前光學顯微鏡觀察文獻中報告的形狀[3]。cryo-BIB-SEM方法的清晰度更高，可以分析易損微觀結構的精細細節（圖2c）。

低溫冷卻和切割過程中未發現造成任何損傷，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，表皮上標注了橫截面（藍色長方形）。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構的精細細節。

Cryo-BIB-SEM成像可揭示松木（樟子松）的細胞和微觀形態。寬幅離子束銑削方法制備的細胞壁表面，上面沒有切片機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，例如細胞膜質中的碳（C）和因細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（樹的木質部運輸組織的伸長細胞）的微觀形態和紋孔（細胞間流體交換的細胞壁部分）。

3b：使用cryo-BIB方法制備的松木的EDS圖像（3a中的相同區域）細胞膜質中的碳（C，紅色）信號和木材細胞所含水的氧氣（O，藍色）。

概述與結論

我們已經介紹了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胞的微觀結構的精細細節進行高清晰成像。另外，cryo-BIB-SEM樣本制備過程中，未發現因制備而導致的斷裂或樣本損傷。

參考文獻：

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.