振动电子显微镜实现聚合物氢氘同位素成像，最新Nature Nanotechnology！

一、【科学背景】

氢（H）与氘（D）作为稳定同位素，在有机材料研究中常被用作同位素标记，以解析复杂体系的微观结构与动态行为。传统分析手段如中子散射、质谱和核磁共振虽能通过同位素差异提供统计性结构信息，但其空间分辨率局限在毫米至微米尺度，仅能获取区域平均数据，难以揭示局部纳米级特征。尤其在聚合物科学中，氘标记被广泛用于中子散射研究链构象、相容性及熔体动力学，但受限于中子束斑尺寸，无法实现真实空间的局域成像。透射电子显微镜（TEM）虽可对轻元素成像，但传统电子散射技术无法区分同位素。近年发展的单色化电子能量损失谱（EELS）技术通过探测化学键振动能量差异（如C–H与C–D伸缩振动），为同位素分辨提供了新途径。然而，传统亮场EELS受信号离域效应限制，难以实现纳米级局域化成像。开发兼具高空间分辨率与同位素敏感性的振动谱学方法，成为突破有机材料分子尺度表征的关键。

二、【创新成果】

近日，日本科学家Ryosuke Senga、Katsumi Hagita、和Hiroshi Jinnai团队在Nature Nanotechnology上发表了题为“Nanoscale C–H/C–D mapping of organic materials using electron spectroscopy”的论文，本研究利用单色化透射电镜的暗场电子能量损失谱（DF-EELS）技术，首次在单纳米分辨率下实现了氢/氘同位素的局域化成像，成功解析了嵌段共聚物中氘化组分的表面偏析与分子链分布特征。

图1 利用电子光谱绘制有机材料的纳米级 C-H/C-D 图谱 © 2024 Springer Nature

图2 同位素标记嵌段共聚物的振动光谱学 © 2024 Springer Nature

图3 用 CGMD 模拟的 dPS-b-P2VP BCP 微相分离结构 © 2024 Springer Nature

图4 dPS-b-hPS BCP淬火熔体中的氢和氘分布图 © 2024 Springer Nature

三、【科学启迪】

本研究通过新型电子显微技术（DF-EELS），首次在纳米尺度下直接“看见”了聚合物中氢与氘原子的分布，并精确捕捉到两者的化学键振动信号。研究发现，嵌段共聚物中氘标记的部分会优先聚集在材料表面，而熔融态聚合物中氢/氘标记的分子链分布特征与计算机模拟结果高度吻合。这种“原子级显微镜”突破了传统中子散射技术只能提供平均数据的局限，让科学家能像拼图一样在真实空间中直接解析分子排列细节。这项技术为设计更智能的高分子材料、追踪药物代谢路径甚至解析蛋白质结构提供了新工具。

原文详情：https://www.nature.com/articles/s41565-025-01893-5