电镜制样课堂：聚合物透射电镜分析用超薄切片技术
2026-07-01 来源:徕卡显微镜 点击次数:17
使用UC Enuity超薄切片机对聚合物进行常温和低温超薄切片
本研究展示了徕卡UC Enuity超薄切片机在常温和低温条件下制备聚合物超薄切片的技术能力。文中展示的高分辨率二维及三维TEM图像，有力印证了该仪器在聚合物结构分析领域，对于获得精确、可重复的样品制备结果不可或缺。
· 简介 ·
聚合物作为现代科学与工业的根基性材料，其应用遍及包装、纺织、生物医疗设备以及先进电子技术等诸多领域，并发挥着至关重要的作用。聚合物的这种多功能性，源于其可呈现的多种分子结构与形态，而这些结构与形态又进而决定了它们的机械、热学及功能特性。在所有这些结构特征中，层状结构——尤其是在半结晶聚合物中——对于决定材料的性能（如强度、柔韧性和阻隔性能）起着关键作用。
为了充分理解并优化这些材料，在纳米尺度上研究其内部结构至关重要。为此，透射电子显微镜（TEM）是一种强大的工具，它能提供所需的分辨率，以清晰地展现那些通常其他技术难以观测的精细层状结构。然而，由于聚合物质地柔软且结构常呈非均质，为其制备TEM样品面临着独特挑战。而超薄切片技术，尤其在低温条件下进行时，能制备出完好保留材料原始形貌的超薄切片。
在本研究中，我们探索使用了徕卡显微系统的UC Enuity超薄切片机，以期在常温与低温双重条件下完成聚合物样品的切片。我们展示了高分辨率TEM图像，印证了UC Enuity超薄切片仪在聚合物表征所需的高质量样品制备中不可或缺的作用。
结果
聚合物样品制备
作为超薄切片制样的第一步，通常可将聚合物划分为两大类：刚性材料与软质材料刚性材料通常可直接在超薄切片机上切片，一般使用金刚石刀即可完成。对于软质材料，其制样最关键的温度参数是玻璃化转变温度 (Tg)。它指的是聚合物从坚硬的玻璃态转变为柔软的橡胶态时的临界温度。在超薄切片技术的语境下，Tg之所以重要，是因为它有助于确定最佳的切片温度，即判断应在室温还是低温条件下进行操作。在Tg以下进行切片有助于减少样品的变形与压缩，从而确保获得高质量的超薄切片。
然而，切片过程还受诸多其他因素影响：材料的加工历史、是否为共混物或复合材料、所含包裹体、纳米颗粒、增塑剂等。此外，聚合物也可进行染色（通常使用四氧化锇和/或四氧化钌），这同样会改变材料的脆性，进而影响其切片行为。
常温与低温切片
可在室温下进行切片的典型聚合物包括：聚碳酸酯（PC）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、经染色的聚丙烯（PP）、经染色的高密度聚乙烯（HDPE）、环氧树脂、尼龙以及硬质聚氨酯等。需在低温条件下切片的样品例如：未经染色的聚丙烯（PP）、未经染色的聚乙烯（PE）、橡胶类、尼龙、聚氯乙烯（PVC）、软质聚氨酯、乳胶以及未经染色的ABS。
下文实验中，我们选取了聚苯乙烯-嵌段-聚甲基丙烯酸甲酯（PS-b-PMMA）进行常温切片，并选取聚苯乙烯-嵌段-聚异戊二烯（PS-b-PI）进行低温切片。实验目的在于，通过透射电镜清晰呈现两种聚合物的层状结构，以展示UC Enuity超薄切片机的切片质量。
聚苯乙烯-嵌段-聚甲基丙烯酸甲酯（PS-b-PMMA）的室温切片
基于其较高的硬度，PS-b-PMMA的切片可在无需低温的条件下进行。由于该样品的合成量较少，为便于操作，将其包埋于紫外光固化树脂中。在紫外光照射下，树脂可在约10秒内将样品固定于样品座上。
随后成功制备了厚度为60纳米的聚合物切片（图1）。
Figure 1: Ribbon of sections of poly(styrene)-b-poly(methyl methacrylate). Left: Sections on water in the knife boat during cutting guided by an eyelash. Right: Sections (white outlines) collected on grids with microgrid support.
由于该聚合物未经染色，其图像衬度较弱；但即便如此，即使不使用相位衬度，其聚合物纤维的排列结构已依稀可辨（图2左图）。施加相位衬度后，图像衬度被显著增强，从而极大地改善了规则聚合物结构的可见度，以利于进一步分析。(图 2，右）。
聚苯乙烯-嵌段-聚异戊二烯（PS-b-PI）的低温切片
通常，冷冻或玻璃化样品无需树脂包埋即可直接切片。然而，由于本次合成仅在实验室级别进行，所得样品量不足以用标准样品座稳定固定。因此，我们通过树脂包埋来增加样品体积并将其固定于样品座上。所使用的树脂为紫外光固化树脂，它在紫外光照射下可在数秒内固化；随后，样品被安装在一个低温样品销上（图3）。
Figure 3: Trimming and sectioning of poly(styrene)-b-poly(isoprene) under cryo conditions. Upper left: Overview of sample mounted onto a pin and trimming knife. Upper right: Trimming of the sample towards a block face (insert). Lower left: Ribbon of sections (white arrow) guided by a micrometer mounted eyelash (black arrow). Lower right: Ribbon (white arrow) collected by a loop with sucrose.
随后，将样品在液氮中进行预冷以加速降温，这主要是因为大多数聚合物样品的热导性较差。然而，根据聚合物类型的不同，也可能采用其他冷却方式，因为某些样品可能会因在液氮中快速冷却而碎裂。
接着，将样品块修整出合适的切面，并在睫毛笔的辅助下进行切片；该睫毛笔可通过微米螺旋进行精细调节，使其平行于切片进给方向轻微移动。最终成功获得了约30纳米厚的切片，并用蔗糖液滴将其收集，然后转移至带有多孔碳膜的载网上，最后在水滴上清洗以完成TEM分析制样。
图4展示了承载切片的载网全景以及微栅的结构。
Figure 4: TEM overview images of poly(styrene)-b-poly(isoprene). Left: overview of EM grid with sections marked with a white outline. A magnified image of the microgrid within the holes is visible in the lower right corner. Mesh size of the microgrid is in the range of about 500 nm up to several micrometer. Center: Magnified image of an exemplary location with all relevant zones in the sample: 1- Sample without carbon support; 2 – Thin carbon layer; 3 – thick carbon layer. Right: Magnified image of the insert in the center image. The polymer structure becomes visible (see also Fig. 3).
因支撑微栅呈泡状结构，图像区域因位置不同而呈现差异（无碳支撑、薄碳层或厚碳层区域）。在无支撑区域对聚合物进行高倍放大后，其微观结构清晰可辨（图5）。
Figure 5: Magnified TEM images of 30-40 nm sections of poly(styrene)-b-poly(isoprene). Left: 40.000x magnification. Right: 80.000x magnification. The coiled structure of the polymer becomes visible.
层状结构清晰可见。证明切片制备与收集过程良好。且可在单张30-40纳米切片上观测到精细形貌。三维重构截图呈现出规则排列的三维结构（图6）。
Figure 6: 3D Reconstruction of poly(styrene)-b-poly(isoprene). Left: Oblique view. Center: Top view. Right: Top view rotated. The curled, regular structure is visible.
总结
本研究评估了徕卡显微系统UC Enuity超薄切片机在常温与低温条件下制备聚合物样品的能力。制备流程取决于聚合物刚性与玻璃化转变温度（Tg），以判断是否需要低温切片避免形变。
以聚苯乙烯-嵌段-聚甲基丙烯酸甲酯为例实现常温切片：样品经UV固化树脂包埋，成功获得60-90纳米切片。即使未染色，其聚合物结构仍清晰可辨，相位衬度增强技术进一步提升了观测效果。
对聚苯乙烯-嵌段-聚异戊二烯采用低温切片方案。因样品量有限，通过UV树脂包埋并辅以液氮冷却。成功制备30-40纳米切片。TEM分析清晰揭示了层状结构与三维有序组装。
实验结果证实，UC Enuity超薄切片机能够为先进聚合物表征研究提供高质量的样品制备支持。
致谢：我们非常感谢 Hiroshi JINNAI 教授提供的样本。特别感谢 Akemi Kumagai（东北大学多元物质科学研究所）在样品制备、切片及成像工作中的重要贡献。
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本研究展示了徕卡UC Enuity超薄切片机在常温和低温条件下制备聚合物超薄切片的技术能力。文中展示的高分辨率二维及三维TEM图像，有力印证了该仪器在聚合物结构分析领域，对于获得精确、可重复的样品制备结果不可或缺。
· 简介 ·
聚合物作为现代科学与工业的根基性材料，其应用遍及包装、纺织、生物医疗设备以及先进电子技术等诸多领域，并发挥着至关重要的作用。聚合物的这种多功能性，源于其可呈现的多种分子结构与形态，而这些结构与形态又进而决定了它们的机械、热学及功能特性。在所有这些结构特征中，层状结构——尤其是在半结晶聚合物中——对于决定材料的性能（如强度、柔韧性和阻隔性能）起着关键作用。
为了充分理解并优化这些材料，在纳米尺度上研究其内部结构至关重要。为此，透射电子显微镜（TEM）是一种强大的工具，它能提供所需的分辨率，以清晰地展现那些通常其他技术难以观测的精细层状结构。然而，由于聚合物质地柔软且结构常呈非均质，为其制备TEM样品面临着独特挑战。而超薄切片技术，尤其在低温条件下进行时，能制备出完好保留材料原始形貌的超薄切片。
在本研究中，我们探索使用了徕卡显微系统的UC Enuity超薄切片机，以期在常温与低温双重条件下完成聚合物样品的切片。我们展示了高分辨率TEM图像，印证了UC Enuity超薄切片仪在聚合物表征所需的高质量样品制备中不可或缺的作用。
结果
聚合物样品制备
作为超薄切片制样的第一步，通常可将聚合物划分为两大类：刚性材料与软质材料刚性材料通常可直接在超薄切片机上切片，一般使用金刚石刀即可完成。对于软质材料，其制样最关键的温度参数是玻璃化转变温度 (Tg)。它指的是聚合物从坚硬的玻璃态转变为柔软的橡胶态时的临界温度。在超薄切片技术的语境下，Tg之所以重要，是因为它有助于确定最佳的切片温度，即判断应在室温还是低温条件下进行操作。在Tg以下进行切片有助于减少样品的变形与压缩，从而确保获得高质量的超薄切片。
然而，切片过程还受诸多其他因素影响：材料的加工历史、是否为共混物或复合材料、所含包裹体、纳米颗粒、增塑剂等。此外，聚合物也可进行染色（通常使用四氧化锇和/或四氧化钌），这同样会改变材料的脆性，进而影响其切片行为。
常温与低温切片
可在室温下进行切片的典型聚合物包括：聚碳酸酯（PC）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、经染色的聚丙烯（PP）、经染色的高密度聚乙烯（HDPE）、环氧树脂、尼龙以及硬质聚氨酯等。需在低温条件下切片的样品例如：未经染色的聚丙烯（PP）、未经染色的聚乙烯（PE）、橡胶类、尼龙、聚氯乙烯（PVC）、软质聚氨酯、乳胶以及未经染色的ABS。
下文实验中，我们选取了聚苯乙烯-嵌段-聚甲基丙烯酸甲酯（PS-b-PMMA）进行常温切片，并选取聚苯乙烯-嵌段-聚异戊二烯（PS-b-PI）进行低温切片。实验目的在于，通过透射电镜清晰呈现两种聚合物的层状结构，以展示UC Enuity超薄切片机的切片质量。
聚苯乙烯-嵌段-聚甲基丙烯酸甲酯（PS-b-PMMA）的室温切片
基于其较高的硬度，PS-b-PMMA的切片可在无需低温的条件下进行。由于该样品的合成量较少，为便于操作，将其包埋于紫外光固化树脂中。在紫外光照射下，树脂可在约10秒内将样品固定于样品座上。
随后成功制备了厚度为60纳米的聚合物切片（图1）。
Figure 1: Ribbon of sections of poly(styrene)-b-poly(methyl methacrylate). Left: Sections on water in the knife boat during cutting guided by an eyelash. Right: Sections (white outlines) collected on grids with microgrid support.
由于该聚合物未经染色，其图像衬度较弱；但即便如此，即使不使用相位衬度，其聚合物纤维的排列结构已依稀可辨（图2左图）。施加相位衬度后，图像衬度被显著增强，从而极大地改善了规则聚合物结构的可见度，以利于进一步分析。(图 2，右）。
聚苯乙烯-嵌段-聚异戊二烯（PS-b-PI）的低温切片
通常，冷冻或玻璃化样品无需树脂包埋即可直接切片。然而，由于本次合成仅在实验室级别进行，所得样品量不足以用标准样品座稳定固定。因此，我们通过树脂包埋来增加样品体积并将其固定于样品座上。所使用的树脂为紫外光固化树脂，它在紫外光照射下可在数秒内固化；随后，样品被安装在一个低温样品销上（图3）。
Figure 3: Trimming and sectioning of poly(styrene)-b-poly(isoprene) under cryo conditions. Upper left: Overview of sample mounted onto a pin and trimming knife. Upper right: Trimming of the sample towards a block face (insert). Lower left: Ribbon of sections (white arrow) guided by a micrometer mounted eyelash (black arrow). Lower right: Ribbon (white arrow) collected by a loop with sucrose.
随后，将样品在液氮中进行预冷以加速降温，这主要是因为大多数聚合物样品的热导性较差。然而，根据聚合物类型的不同，也可能采用其他冷却方式，因为某些样品可能会因在液氮中快速冷却而碎裂。
接着，将样品块修整出合适的切面，并在睫毛笔的辅助下进行切片；该睫毛笔可通过微米螺旋进行精细调节，使其平行于切片进给方向轻微移动。最终成功获得了约30纳米厚的切片，并用蔗糖液滴将其收集，然后转移至带有多孔碳膜的载网上，最后在水滴上清洗以完成TEM分析制样。
图4展示了承载切片的载网全景以及微栅的结构。
Figure 4: TEM overview images of poly(styrene)-b-poly(isoprene). Left: overview of EM grid with sections marked with a white outline. A magnified image of the microgrid within the holes is visible in the lower right corner. Mesh size of the microgrid is in the range of about 500 nm up to several micrometer. Center: Magnified image of an exemplary location with all relevant zones in the sample: 1- Sample without carbon support; 2 – Thin carbon layer; 3 – thick carbon layer. Right: Magnified image of the insert in the center image. The polymer structure becomes visible (see also Fig. 3).
因支撑微栅呈泡状结构，图像区域因位置不同而呈现差异（无碳支撑、薄碳层或厚碳层区域）。在无支撑区域对聚合物进行高倍放大后，其微观结构清晰可辨（图5）。
Figure 5: Magnified TEM images of 30-40 nm sections of poly(styrene)-b-poly(isoprene). Left: 40.000x magnification. Right: 80.000x magnification. The coiled structure of the polymer becomes visible.
层状结构清晰可见。证明切片制备与收集过程良好。且可在单张30-40纳米切片上观测到精细形貌。三维重构截图呈现出规则排列的三维结构（图6）。
Figure 6: 3D Reconstruction of poly(styrene)-b-poly(isoprene). Left: Oblique view. Center: Top view. Right: Top view rotated. The curled, regular structure is visible.
总结
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以聚苯乙烯-嵌段-聚甲基丙烯酸甲酯为例实现常温切片：样品经UV固化树脂包埋，成功获得60-90纳米切片。即使未染色，其聚合物结构仍清晰可辨，相位衬度增强技术进一步提升了观测效果。
对聚苯乙烯-嵌段-聚异戊二烯采用低温切片方案。因样品量有限，通过UV树脂包埋并辅以液氮冷却。成功制备30-40纳米切片。TEM分析清晰揭示了层状结构与三维有序组装。
实验结果证实，UC Enuity超薄切片机能够为先进聚合物表征研究提供高质量的样品制备支持。
致谢：我们非常感谢 Hiroshi JINNAI 教授提供的样本。特别感谢 Akemi Kumagai（东北大学多元物质科学研究所）在样品制备、切片及成像工作中的重要贡献。
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