唐明華， 郭 軍， 朱 興

(蘇州大學分析測試中心，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構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，在材料科學領域應用較少。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重要的影響[3]。透射電鏡可用于上述納米復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(Electron Tomography，ET)技術是一種用以研究材料三維空間立體結構的新興的有效方法[4]。該方法是通過傾轉(zhuǎn)角度獲得每一幀與材料對應方向上含有材料形貌信息的二維圖像，然后通過加權背投影(WBP)、代數(shù)迭代(ART)或同步迭代(SIRT)等方法重構出材料的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]。電子斷層三維重構技術作為空間形貌和結構的強有力的表征手段，最早由Derosier和Klug在1986年建立[7]，首先被應用于生物和醫(yī)學領域，用以分析細胞[8]、病毒[9]或蛋白質(zhì)的復雜結構[10,11]。目前該技術正逐步發(fā)展到材料科學研究領域，例如：Jiang等利用電子斷層三維重構技術確認金納米顆粒的杯狀形貌[12]；Lin等重構出空心α-Fe2O3納米環(huán)的形貌和內(nèi)部結構等[13]，但鮮少有通過電子斷層三維重構技術確認雜化嵌段共聚物兩相空間分布的案例。

本文關注的體系是由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，以及立體模型構建，最終從構建的立體模型及制作的錄像(movie)中可準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)，樣品由蘇州大學材料與化學化工學部提供。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)取向的目標樣品，保證目標樣品在大角度傾轉(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軟件中設置合適的濾波參數(shù)、自動聚焦參數(shù)、欠焦量，設置樣品桿傾轉(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利用Inspect 3D軟件進行壓縮數(shù)據(jù)、設置濾波參數(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。

1.4.3 數(shù)據(jù)分析利用Amira軟件對重構后的數(shù)據(jù)進行分析，使三維重構的結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。

實驗關鍵點：首先，調(diào)整電鏡合軸、放大倍率校準、光束傾斜校準、聚焦/消象散校準、自動調(diào)節(jié)聚焦高度校準、樣品桿校準等一系列調(diào)試和校準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)等情況進行適當調(diào)節(jié)。

2 結果與討論

2.1 樣品1的形貌和結構分析

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構，對樣品進行三維重構實驗并進行解析。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構，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構的可能性。

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的形貌和結構分析

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構。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。這一結論無法從常規(guī)透射電鏡(TEM)圖上觀察并確認，三維重構技術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的形貌和結構分析

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雜性。采用Tecnai G2F20場發(fā)射透射電鏡配置的三維重構軟件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”結構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構情況，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技術，不斷調(diào)試，尋找到合適的采集和重構參數(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。