透射電鏡三維重構(gòu)確定雜化嵌段共聚物兩相空間分布

唐明華， 郭 軍， 朱 興

(蘇州大學(xué)分析測試中心，江蘇蘇州 215123)

多金屬氧酸鹽(Polyoxometalate,POM)簇是由前過渡金屬原子，通過氧配位橋連而成的一類具有確定結(jié)構(gòu)的無機陰離子單分子簇合物[1]。由于POM簇中金屬原子處于最高價氧化態(tài)，使其擁有優(yōu)異的催化功能，但其加工性能較差，在材料科學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用較少。為了改善這一缺陷，科技工作者致力于通過共價鍵改性的方法使POM簇與聚合物雜化，從而合成不同分子量且分子量可控的嵌段共聚物。以這種方法制備的嵌段共聚物中POM簇與聚合物間形成的共價鍵，可以避免它們之間大尺度的宏觀相分離，相分離尺度可控制在納米范圍內(nèi)[2]。這一類雜化聚合物的兩相的空間分布對材料的性能有至關(guān)重要的影響[3]。透射電鏡可用于上述納米復(fù)合材料的微觀形貌觀察，但單純利用透射電鏡的二維圖像作為兩相空間分布的依據(jù)還不夠準(zhǔn)確完善。目前，對如此納米尺度的3D兩相空間形貌還沒有很好的手段進行表征。

透射電鏡的電子斷層三維重構(gòu)(Electron Tomography，ET)技術(shù)是一種用以研究材料三維空間立體結(jié)構(gòu)的新興的有效方法[4]。該方法是通過傾轉(zhuǎn)角度獲得每一幀與材料對應(yīng)方向上含有材料形貌信息的二維圖像，然后通過加權(quán)背投影(WBP)、代數(shù)迭代(ART)或同步迭代(SIRT)等方法重構(gòu)出材料的3D空間模型，因此無論是材料內(nèi)部或表面的精細空間分布信息，通過重構(gòu)后得到的立體模型都可以得到確認[5,6]。電子斷層三維重構(gòu)技術(shù)作為空間形貌和結(jié)構(gòu)的強有力的表征手段，最早由Derosier和Klug在1986年建立[7]，首先被應(yīng)用于生物和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，用以分析細胞[8]、病毒[9]或蛋白質(zhì)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)[10,11]。目前該技術(shù)正逐步發(fā)展到材料科學(xué)研究領(lǐng)域，例如：Jiang等利用電子斷層三維重構(gòu)技術(shù)確認金納米顆粒的杯狀形貌[12]；Lin等重構(gòu)出空心α-Fe2O3納米環(huán)的形貌和內(nèi)部結(jié)構(gòu)等[13]，但鮮少有通過電子斷層三維重構(gòu)技術(shù)確認雜化嵌段共聚物兩相空間分布的案例。

本文關(guān)注的體系是由POM簇與聚合物之間通過共價鍵相連接而形成的POM簇-聚合物雜化物(POM-Polymer Hybrids，PPHS)，研究的樣品分別是三種分子量不同的聚(多金屬氧簇降冰片烯)與聚(己酸降冰片烯)的嵌段聚合物(Poly(POM)m-b-Poly(COOH)n)。利用Tecnai G2F20場發(fā)射透射電鏡配置的三維重構(gòu)附件對這三種不同分子量的雜化嵌段共聚物進行不同傾轉(zhuǎn)角度下二維圖像的采集、圖像匹配對中及重構(gòu)，以及立體模型構(gòu)建，最終從構(gòu)建的立體模型及制作的錄像(movie)中可準(zhǔn)確獲知三種樣品的立體空間形貌，進一步通過任意方向上的切片比較，精準(zhǔn)地分辨出雜化共聚物在空間上的兩相分布情況。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

Tecnai G2F20透射電子顯微鏡(美國，賽默飛世爾科技公司)。

實驗所用的丙酮、正己烷純?nèi)軇┚鶠榉治黾儭?/p>

1.2 待測樣品制備

實驗所用的三種POM簇-聚合物雜化物為分子量不同的(Poly(POM)m-b-Poly(COOH)n)，樣品由蘇州大學(xué)材料與化學(xué)化工學(xué)部提供。將上述聚合物用丙酮溶解，50 ℃攪拌下緩慢滴入正己烷，完全滴入后繼續(xù)攪拌10 min，然后取分散均勻的樣品滴于150目的碳支持膜銅網(wǎng)上，紅外燈烘干后用于透射電鏡中觀察。樣品量不能太多，放于碳膜上時樣品的密度要適中，以保證目標(biāo)樣品在高角度傾轉(zhuǎn)時不會被周圍的樣品擋住。

1.3 透射電鏡測試

將制備好的載有樣品的碳支持膜銅網(wǎng)放入透射電鏡樣品桿上，將樣品桿插入鏡筒中，調(diào)整成像系統(tǒng)合軸，透射電鏡工作電壓為200 kV，工作電流為74 μA，點分辨率為0.214 nm，選擇合適的放大倍數(shù)消除物鏡象散后聚焦拍照。

1.4 三維重構(gòu)實驗

1.4.1 高質(zhì)量二維圖像的采集調(diào)節(jié)Tecnai G2F20場發(fā)射電鏡處于良好工作狀態(tài)；在電鏡熒光屏下挑選最優(yōu)取向的目標(biāo)樣品，保證目標(biāo)樣品在大角度傾轉(zhuǎn)時不被遮擋、有盡可能大的傾轉(zhuǎn)角度(至少±60°范圍)，同時在傾轉(zhuǎn)過程中能夠包含盡可能多的信息[14]。在Xplore 3D軟件中設(shè)置合適的濾波參數(shù)、自動聚焦參數(shù)、欠焦量，設(shè)置樣品桿傾轉(zhuǎn)范圍、間隔角(1°或2°)，用底插CCD相機(Gatan 832)記錄一系列不同傾轉(zhuǎn)角度下得到的樣品的二維圖像，過程中要根據(jù)樣品情況進行參數(shù)手動調(diào)節(jié)，以確保每張二維圖像獲得最佳的襯度。

1.4.2 二維圖像的匹配對中與重構(gòu)利用Inspect 3D軟件進行壓縮數(shù)據(jù)、設(shè)置濾波參數(shù)、計算圖像偏移量、匹配對中，然后選用WBP、ART或SIRT等不同算法進行重構(gòu)。

1.4.3 數(shù)據(jù)分析利用Amira軟件對重構(gòu)后的數(shù)據(jù)進行分析，使三維重構(gòu)的結(jié)果合成為可視化的立體模型并制作錄像(movie)，也可進行各個層面的斷層切片分析。

實驗關(guān)鍵點：首先，調(diào)整電鏡合軸、放大倍率校準(zhǔn)、光束傾斜校準(zhǔn)、聚焦/消象散校準(zhǔn)、自動調(diào)節(jié)聚焦高度校準(zhǔn)、樣品桿校準(zhǔn)等一系列調(diào)試和校準(zhǔn)操作保證采集到高襯度的二維圖像是獲得高質(zhì)量立體模型的第一步；其次，在重構(gòu)過程中需視情況進行傾轉(zhuǎn)軸向的調(diào)整，從而盡可能消除樣品桿在采集數(shù)據(jù)時發(fā)生擾動的影響，得到理想三維重構(gòu)模型。根據(jù)軸向在X方向上發(fā)生平移、在X方向上發(fā)生旋轉(zhuǎn)、在Z方向上前后翹起、Y軸軸向自身旋轉(zhuǎn)等情況進行適當(dāng)調(diào)節(jié)。

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品1的形貌和結(jié)構(gòu)分析

樣品1(Poly(POM)m1-b-Poly(COOH)n1)的透射電鏡圖片(圖1)顯示：樣品為襯度不同的兩相物質(zhì)自組裝而成，兩相是交替的，每一相的寬度在5～8 nm左右。僅從透射圖片看樣品1的具體形貌可能是圓球體、圓柱體或者圓錐體，并且兩相在空間上如何分布也無法判斷。為了進一步判定樣品的形貌和兩相結(jié)構(gòu)，對樣品進行三維重構(gòu)實驗并進行解析。實驗中采用Tecnai G2F20場發(fā)射透射電鏡配置的三維重構(gòu)軟件Xplore采集透射電鏡的原始圖片數(shù)據(jù)，確認選取樣品的傾轉(zhuǎn)角度范圍為-63°～68°，對樣品進行每隔一度連續(xù)傾轉(zhuǎn)采集圖像，一共采集132張原始二維圖像。對132張二維圖像進行匹配對中及立體模型構(gòu)建得到的3D模型如圖2(a)所示：可知樣品1為圓球狀形貌。依次對圓球狀3D模型在X、Y方向沿著Z軸進行橫截面切割，得到如圖2(b)～2(g)截圖，截圖所對應(yīng)的位置分別是圓球狀3D模型在X、Y平面上沿Z軸方向上、中、下部的橫截面，6張截面切片圖顯示：兩相始終呈同心圓分布，且兩相是依次交替分布的。而從3D立體模型的剖面圖(如圖2(h))，同時結(jié)合模型在其他方向和不同角度的切片圖的觀察和分析，確認樣品1是兩相依次交替分布的層層嵌套洋蔥狀結(jié)構(gòu)，排除了從常規(guī)透射電鏡圖像中推理出具有同心柱狀或同心錐結(jié)構(gòu)的可能性。

圖1 樣品1的透射電鏡圖片F(xiàn)ig.1 TEM image of sample 1

圖2 (a)樣品1重構(gòu)得到的三維立體模型;(b -g)三維立體模型在X、Y方向沿著Z軸的截面切片圖;(h)三維立體模型的剖面圖Fig.2 (a)The 3D reconstructed model of sample 1;(b -g) The transverse section of 3D reconstructed model along the Z-axis;(h) Cross section of 3D reconstructed model

2.2 樣品2的形貌和結(jié)構(gòu)分析

樣品2(Poly(POM)m2-b-Poly(COOH)n2)同樣為POM簇與聚合物通過共價鍵相連接而形成，但兩相襯度和形貌與樣品1完全不同。從樣品2的透射電鏡圖片(圖3(a))可知：樣品2直徑約為200 nm，襯度深淺不一，初步判斷：襯度高的一相作為基底存在，襯度低的一相呈球狀或者孔道結(jié)構(gòu)。為了探究兩相具體形貌和空間分布，采用Tecnai G2F20場發(fā)射透射電鏡配置的三維重構(gòu)軟件Xplore采集透射電鏡的原始圖片數(shù)據(jù)，確認選取樣品的傾轉(zhuǎn)角度范圍為-66°～60°，對樣品進行每隔一度連續(xù)傾轉(zhuǎn)采集圖像，一共采集127張原始二維圖像，對127張二維圖像進行匹配對中、立體模型構(gòu)建得到3D立體模型如圖3(b)，模型中以橙色代表其中襯度深的一相，襯度淺的另一相鏤空顯示，依次對3D模型在X、Y方向沿著Z軸進行橫截面切割，得到如圖4(a)～4(f)截面，所對應(yīng)的位置分別是3D模型的中間部位在X、Y平面上沿Z軸方向從上到下依次均勻切割的橫截面圖：可知樣品2是圓球狀，其中一相為基底，另一相像孔隙一樣嵌在其中，嵌入相的大小不均勻，各個嵌入相部分并不貫通，獨立較均勻分散存在。這一結(jié)論無法從常規(guī)透射電鏡(TEM)圖上觀察并確認，三維重構(gòu)技術(shù)顯示了判斷材料兩相空間分布的優(yōu)越性。

圖3 (a)樣品2的透射電鏡圖片；(b)樣品2重構(gòu)得到的三維立體模型Fig.3 (a)TEM image of sample 2;(b) 3D reconstructed model of sample 2

圖4 (a-f)三維立體模型在X、Y方向沿著Z軸的截面切片圖Fig.4 (a-f)The transverse section of 3D model along the Z-axis

2.3 樣品3的形貌和結(jié)構(gòu)分析

樣品3(Poly(POM)m3-b-Poly(COOH)n3)的TEM圖片(圖5)顯示：樣品3直徑約為300 nm，同為兩相雜化的樣品3兩相交替分布，但在不同區(qū)域取向不同，在空間的形貌分析上具有更大復(fù)雜性。采用Tecnai G2F20場發(fā)射透射電鏡配置的三維重構(gòu)軟件Xplore采集透射電鏡的原始圖片數(shù)據(jù)，確認選取樣品的傾轉(zhuǎn)角度范圍為-60°～68°，對樣品進行每隔一度連續(xù)傾轉(zhuǎn)采圖，一共采集129張原始二維圖像，對129張二維圖像進行匹配對中、立體模型構(gòu)建得到3D模型如圖6(a)，模型中以橙色代表其中襯度深的一相，襯度淺的另一相鏤空顯示，依次對3D模型在X、Y方向沿著Z軸進行橫截面切割，得到如圖6(b)～6(g)，所對應(yīng)的位置分別是3D模型的中間部位在X、Y平面上沿Z軸方向從上到下依次均勻切割的橫截面圖，從3D立體模型和六張截面切片圖可知：樣品3是圓球狀，兩相依次交替，呈指紋狀分布，紋理可通過橫截面圖獲知。對3D立體模型進行近似1/3切割，通過三個立體面的分布可知樣品3類似于三個不同取向的“洋蔥狀”結(jié)構(gòu)組合而成的一個球體，三個組合體間互相獨立，在360度有著各自均分角度取向的分布，并不交織。

圖5 樣品3的TEM圖片F(xiàn)ig.5 TEM image of sample 3

圖6 (a)樣品3重構(gòu)得到的三維立體模型;(b -g)三維立體模型在X、Y方向沿著Z軸的截面切片圖;(h)三維立體模型的剖面圖Fig.6 (a)The 3D reconstructed model of sample 3;(b-g)The transverse section of 3D reconstructed model along the Z-axis;(h) Cross section of 3D reconstructed model

3 結(jié)論

通過常規(guī)的透射電鏡手段不能直觀全面地了解聚(多金屬氧簇降冰片烯)-聚(己酸降冰片烯)嵌段聚合物的各相分布和空間立體結(jié)構(gòu)情況，因此無法進一步判斷相分布對材料性能的影響。本文利用透射電鏡三維重構(gòu)技術(shù)，不斷調(diào)試，尋找到合適的采集和重構(gòu)參數(shù)，建立了理想的三維模型，并進一步通過不同方向上的切片和分割，成功地表征出三種外觀均為球型、分子量不同的聚(多金屬氧簇降冰片烯)-聚(己酸降冰片烯)嵌段聚合物的內(nèi)部兩相形貌和空間分布差異，為進一步合成高性能材料提供了理論依據(jù)。同時，這種方法具有一定的普適性，可推廣到其他基于POM的含其他簇合物或降冰片烯衍生物的雙嵌段/多嵌段聚合物的微觀形貌分析，對于構(gòu)建基于Poly(POM)的擁有良好耐用性能和加工性能的雜化材料具有實際的研究意義。