测试谷干货|透射电镜载网膜及其表面处理


载网膜是透射电镜最常用的耗材之一,主要作用是在电镜观察时负载小尺度的样品。目前最常用的是铜材质的载网,根据样品观察需求在载网上负载高分子膜及碳膜制成载网膜,主要包括碳支持膜、微栅、超薄碳膜和纯碳膜等。

1.载网

透射电镜用载网均为直径为3mm、厚度为10-30μm的圆片,适用于所有厂家的各种型号的透射电镜,其主要作用是负载样品且在透射电镜观察时电子束能透过样品,因此基本为网格结构,表面未负载膜的载网称为“裸网”,按照不同的分类方法,主要包括:

1)按孔的形状结构:如图1所示,一般分为圆孔裸网、方孔裸网等, 圆孔网为国产网,采用腐蚀法制备,方孔网为进口网,采用电沉积方法制备,相比较圆孔网,方孔网的网格更规整,孔可以做的更小。

2)按网孔大小:分为50目到2000目不等,孔径可从800μm到6.5μm,最常用的载网为200目,孔径约为100μm,肋宽约30μm。

3)按载网材质:通常用的裸网材质是铜,称为“铜网”,根据需求还有镍、钼、金、铝等材质。

4)坐标网:如图1c)所示,在裸网格上刻上字母或数字,可以标记样品在在载网上的位置,方便查找样品。

2.载网膜

如上所述,裸网的孔径在微米级,而透射电镜观察的样品尺度通常在100nm以下,为了确保样品能负责在载网上,在裸网上面需覆盖一层厚度为10nm左右的有机膜,称为支持膜。同时,为了防止载网支持膜和样品在电子束照射下积累电荷,发生样品飘移、跳动,甚至出现支持膜破裂等情况,在支持膜上再覆盖一层导电层,提高支持膜的导电性,通常选用无定型碳,经过镀碳的载网支持膜称为“碳支持膜”,根据样品的观察需求有多种膜,具体包括:

1)方华支持膜:方华支持膜的化学成分是聚乙烯醇缩甲醛,由于是纯的有机膜,所以膜的弹性好,厚度通常为10nm左右,透射电镜观察时背底影响小。但方华膜因导电性不好,在电子束照射下,易因高温或电荷积累,产生样品漂移甚至膜破损,通常在100kV电镜和生物样品中使用较多。

2)碳支持膜:是一种最常用的支持膜,有两层膜结构。从下至上依次为裸网,方华膜和碳膜,结构如图2 a)所示。由于碳层具有较强的导电性和导热性,弥补了无碳方华膜的荷电效应以及热效应,增强了膜整体的稳定性,适合大多数纳米材料和生物样品的一般形貌观察。我们以多壁碳纳米管为标样,用透射电镜JEM-2100F观察的10K,50K,800K倍率下的碳纳米管,可以看出应用碳支持膜负载碳纳米管在透射电镜下可实现从低倍至高倍的观察,但是在高分辨观察时,碳颗粒本身的衬度对于碳纳米管的高分辨结构有较大的影响。

3)微栅膜:为了解决碳支持膜在高分辨观察时的背底问题,可在支持膜上特意制作些微孔,称为微栅膜,通常微栅膜的孔大小不一,孔径为几百纳米到几微米,如图3所示为微栅膜的结构示意图,应用微栅膜负载样品,样品可搭载在孔的边缘,在孔内的部分可实现无背底观察,以提高成像的衬度,由图3 d)可以看出碳纳米管的高分辨像无膜的背底干扰,相比碳支持膜衬度有显著提高。

4)超薄碳膜:应用微栅膜,线状或片状等较大的样品可搭载在孔边缘,如果样品是纳米级的小颗粒则不能搭载在孔边缘,用碳支持膜衬度又差,此种样品可使用超薄碳膜,为三层膜结构,是在微栅基础上再镀一层超薄碳层,超薄碳膜厚度小于5nm,这样薄碳层将微孔挡住,小颗粒样品可分散在超薄膜上,在高分辨观察时可尽量减少膜衬度的影响,如图4所示,在低倍观察时几乎看不出超薄碳膜的衬度,在高分辨观察时,超薄碳膜会形成背底衬度,但是与碳支持膜相比,衬度已明显减小。


5)纯碳膜:当样品所用的有机溶剂(氯仿、甲苯等)能够溶解方华膜时,载网膜中就要去除方华膜,只剩碳膜,称为纯碳膜,碳膜的厚度通常为20nm左右,如图5所示,在高分辨观察时背底的影响也比较明显。

6)其他类型支持膜:

上述是最常用的几种载网膜,它们能满足大部分透射电镜样品观察的需求,但在实际应用中,为满足一些特殊样品的观察要求,还有多种其他类型的载网膜,比如:

双联载网支持膜:将两片载网膜连在一起,负载样品后,将样品夹住,形成三明治的结构,加强了对样品的固定,比如应用于磁性材料可避免其吸附到透射电镜的极靴上。

氮化硅薄膜:采用硅为基本支撑、无定形的氮化硅Si3N4为观察窗口,相比碳类的载网膜,氮化硅膜耐酸耐高温,且无碳影响,可用于酸性条件下制备样品,及1000摄氏度的高温环境。

石墨烯支持膜:石墨烯具有良好的导电性,耐高温,耐腐蚀,耐电子束轰击,并且衬度很低,应用此种膜可显著提高样品观察时的衬度和稳定性,但是由于石墨烯本身结晶,在高分辨下有有序结构,会对高分辨观察晶体结构有影响。

3.载网膜的选择

由上述介绍的载网膜的结构及特点,可根据样品的特征选择合适的载网膜,汇总如表1所示,需要说明的是一些特殊情况:

1) 用能谱分析铜元素时,不能选用铜载网,要选用镍、钼等其他材质的载网膜,同理分析碳元素时,要用氮化硅膜。

2)在做高分子、生物样品切片后需要染色时要用裸网或微栅,因为染色剂通常会染方华膜。

3)在负载一些二维方向尺度较大的薄膜样品时,比如大面积的石墨烯膜、有机膜,如果用碳支持膜背底影响较大, 用微栅膜在低倍观察时有微栅孔的结构,因此可选用目数较高的裸网,如1000目、2000目的铜裸网。

4.亲水性处理

直接制备的各种裸网及载网膜通常表面是疏水的,不利于亲水性样品的吸附,而透射电镜观察时,很多样品是亲水的,因此需要对裸网及载网膜进行亲水性处理,通常用含氧的等离子体进行处理,可用射频辉光放电的方法产生氧等离子,其原理如图6所示,空气在高频高压的电场中产生放电,氧气被电离成氧等离子体,氧等离子体与载网膜表面反应生成一系列亲水性基团,从而使表面呈亲水性。

分析测试中心电镜室有一台等离子清洗仪,能够在低功率情况下产生柔和的氧等离子,对载网膜表面进行亲水性修饰,且不会破坏膜本身的结构,如图7为经等离子处理前后载网膜表面水的接触角,处理前为117.3°,明显为疏水性表面,经处理后接触角减小到39.9°,呈亲水性。

载网膜表面的亲、疏水性对于某些亲水性样品尤其是自组装结构样品的制备有重要的影响,如图8所示的是使用未经处理的疏水的载网膜和亲水化处理的载网膜制备的纤维素样品(新材料实验室样品)的透射电镜图,可以看出使用疏水的载网膜在透射电镜下观察的样品不仅少,而且样品的结构发生了改变,而使用亲水化的膜,能够很好的观察到纤维素的结构及聚集状态。
总之,透射电镜用载网及载网膜有不同的种类,使用时需要根据样品及观察目的选择合适的载网膜,才能有效地观察到样品的结构。

载网膜表面的亲、疏水性对于某些亲水性样品尤其是自组装结构样品的制备有重要的影响,如图8所示的是使用未经处理的疏水的载网膜和亲水化处理的载网膜制备的纤维素样品(新材料实验室样品)的透射电镜图,可以看出使用疏水的载网膜在透射电镜下观察的样品不仅少,而且样品的结构发生了改变,而使用亲水化的膜,能够很好的观察到纤维素的结构及聚集状态。

总之,透射电镜用载网及载网膜有不同的种类,使用时需要根据样品及观察目的选择合适的载网膜,才能有效地观察到样品的结构。

本文来源:中科院化学所分析测试中心,材料牛编辑晓fire编辑整理。

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