王小曼，梁 正，盧 思

（中國(guó)科學(xué)院 廣州能源研究所 分析測(cè)試中心，廣東 廣州 510630）

環(huán)氧樹脂是透射電子顯微鏡（TEM）樣品制備過程中應(yīng)用最為廣泛的包埋劑，為制備TEM樣品提供支撐，同時(shí)起到保護(hù)樣品超微結(jié)構(gòu)的作用[1]. 超薄切片機(jī)對(duì)環(huán)氧樹脂包埋過的樣品進(jìn)行切片，可為TEM觀察提供100 nm以下的超薄切片，在研究納米纖維材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及截面顯微形貌分析方面有著廣泛的應(yīng)用前景[2]. 超薄切片技術(shù)主要用于生物樣品的研究，隨著科學(xué)研究的發(fā)展，其對(duì)無機(jī)材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及特定截面的研究也日益增多，如納米棒及纖維材料的截面形貌等. 超薄切片技術(shù)主要包括樣品包埋、修塊、切片等多個(gè)步驟. 樣品包埋需用到環(huán)氧樹脂，由于環(huán)氧樹脂的浮力會(huì)導(dǎo)致樣品在其中漂浮，當(dāng)需觀測(cè)材料樣品特定方向的截面形貌時(shí)，需對(duì)樣品定位. 但在環(huán)氧樹脂包埋的過程中，棒狀材料及纖維狀材料易漂浮于包埋樹脂中而不易定位，影響了技術(shù)人員超薄切片的效率，技術(shù)人員通常依靠個(gè)人經(jīng)驗(yàn)預(yù)估設(shè)定樣品夾的旋轉(zhuǎn)角度，進(jìn)行連續(xù)切片和不斷地調(diào)整角度，非常繁瑣耗時(shí)，極大地增加了切片的困難[3]. 同時(shí)，當(dāng)樣品顏色與環(huán)氧樹脂顏色相近且樣品量較少時(shí)，實(shí)驗(yàn)人員仍需對(duì)樣品包埋定位并作好標(biāo)記.

在環(huán)氧樹脂包埋樣品的過程中，樣品易漂浮于樹脂中而不易定位，降低了技術(shù)人員超薄切片的效率，也影響了樣品截面的TEM觀察效果. 本文介紹一種可以對(duì)樣品進(jìn)行簡(jiǎn)單包埋定位的多次包埋法.

1 試驗(yàn)部分

1. 1 儀器與試劑

EM UC7/FC7超薄切片機(jī)，徠卡；JEM-2100F透射電子顯微鏡，日本電子；SPON 812環(huán)氧樹脂. 表1為SPON 812樹脂的包埋配方.

試驗(yàn)材料為垂直生長(zhǎng)在碳布上的納米棒、聚乙烯纖維材料、無機(jī)粉末材料. 選用的是SPON 812環(huán)氧樹脂[1]，其配方如表1所列.

表1 SPON 812樹脂配方Table 1 Resin composition of SPON 812

1. 2 普通包埋法

1. 2. 1 裝樣

使用鑷子夾持樣品放進(jìn)離心管底部，如圖1（a）所示.

1. 2. 2 加入環(huán)氧樹脂

在裝有樣品的離心管中加入按表1配置的包埋劑浸沒樣品，放入烘箱固化8 h，溫度設(shè)置80 ℃，形成包埋塊，如圖1（b）所示.

圖1 普通包埋法過程圖（a）裝樣，（b）樹脂包埋Fig. 1 Process diagram of common embedding method(a) placing samples, (b) resin embedding

1. 3 多次包埋法

1. 3. 1 固化樹脂作樣品基座

取體積為20 mL的離心管盛取包埋劑，采用一次性滴管按表1依次量取相應(yīng)體積的試劑，每加一種試劑需輕輕攪拌，使其混合均勻并減少氣泡的產(chǎn)生. 取配置好的包埋劑滴入包埋劑模板中，至其體積的1/3處，放入烘箱固化8 h，溫度設(shè)置為80 ℃，以制備平整的樣品基座，如圖2（a）所示.

1. 3. 2 薄涂包埋樹脂

用軟毛刷蘸取少量樹脂，輕輕地薄涂于樣品基座上，使樣品基座具有粘性，以便定位樣品，如圖2（b）所示.

1. 3. 3 定位樣品

使用鑷子夾持生長(zhǎng)有納米棒的碳布或者聚乙烯纖維材料平鋪于刷有樹脂的樣品基座上，室溫靜置，待其與樣品基座結(jié)合穩(wěn)固，定位樣品. 若為量較少、顏色與樹脂包埋劑的顏色相近的粉末樣，可用牙簽將樣品挑至帶有粘性的薄涂樹脂上，并在周圍作好標(biāo)記，定位樣品，如圖2（c）所示.

1. 3. 4 終包埋

使用吸管吸取剛配制好的包埋樹脂滴于包埋板中，使樹脂浸沒樣品，放入烘箱固化8 h，溫度設(shè)置為80 ℃，得到包埋完成的樣品，如圖2（d）所示.

圖2 多次包埋法過程圖（a）固化環(huán)氧樹脂作樣品基座，（b）薄涂樹脂，（c）固定樣品，（d）終包埋Fig. 2 Process diagram of multiple embedding method(a) cure epoxy resin as sample base, (b) coating resin, (c) fixed samples, (d) final embedding

2 超薄切片

將包埋好的樣品塊置于精研一體機(jī)（Leica TXP）的樣品夾具上，利用銑刀銑掉包埋樹脂露出樣品面，轉(zhuǎn)速為12 000 r/min. 再將樣品置于超薄切片機(jī)（Leica EM FC7）上，對(duì)樣品塊進(jìn)行修塊、對(duì)刀、切片、撈片等超薄切片的步驟[4]. 根據(jù)材料的特性，選擇常溫超薄切片或冷凍超薄切片.

在常溫切片的過程中，其切面通常在500 μm ×500 μm以內(nèi)，修整后的樣品邊緣需平整，避免碎屑?xì)埩粑廴镜犊?，碎屑?huì)導(dǎo)致切片面產(chǎn)生劃痕. 在修塊過程中可使用靜電發(fā)生器，使切片及碎屑更易離開樣品塊. 對(duì)刀的過程是使刀口和樣品面平行，當(dāng)?shù)犊诤蜆悠分g出現(xiàn)一道彩色的縫隙，即為對(duì)刀完成. 常溫切片刀上有注水槽，將水槽中注入超純水，水面呈現(xiàn)霧白即為注水位置適宜，以方便形成連續(xù)切片浮在水面上. 對(duì)刀后是超薄切片，切片厚度FEED常設(shè)置為100 nm以下，以滿足TEM觀察對(duì)樣品的要求.若樣品易褶皺可適當(dāng)降低切片速度，若樣品端面會(huì)吸水，可適當(dāng)增加切片速度，以保證切片順利漂浮于水面上. 使用睫毛筆將連續(xù)切片剝離刀口，用撈片圈或手持夾有銅網(wǎng)的自鎖鑷子沾取切片，并將銅網(wǎng)置于濾紙上吸干水分，將銅網(wǎng)放入樣品盒中等待測(cè)試.

冷凍超薄切片需將樣品降溫至其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下進(jìn)行切片，其撈片的方式是用撈片圈沾取飽和的蔗糖溶液，當(dāng)蔗糖溶液由透明開始變白凝固時(shí)，快速沾取切片并轉(zhuǎn)移至銅網(wǎng)上.

3 結(jié)果分析

以垂直生長(zhǎng)在碳布上的納米棒為例，通過上述多次包埋法，利用EM UC7/FC7超薄切片機(jī)制備納米棒截面，JEM-2100F透射電子顯微鏡進(jìn)行透射電子顯微分析. 通過普通包埋法制備的納米棒截面如圖3（a）中紅色標(biāo)記所示，納米棒有較大傾斜，截面形貌模糊，枝晶易碎裂不完整. 采用多次包埋法制備的納米棒截面如圖3（b）中紅色標(biāo)記所示，納米棒平鋪于樹脂基座上，可以清晰地看到周圍生長(zhǎng)的枝晶形貌，截面清晰完整不傾斜. 由此可以看出，對(duì)于碳布上生長(zhǎng)的納米棒材料，采用上述的多次包埋方法可以制備出較好的TEM截面樣品.

圖3 不同包埋方法制備的TEM納米棒截面圖（a）普通包埋法，（b）多次包埋法Fig. 3 Cross-section images of TEM of nanorods prepared by different embedding methods(a) common embedding method, (b) multiple embedding method

一些尺寸較小且不易用樣品夾夾取的材料，如細(xì)長(zhǎng)的聚乙烯纖維材料，必須通過樹脂包埋形成包埋塊后，再進(jìn)行超薄切片. 如圖4（a）所示，當(dāng)需要觀測(cè)聚乙烯纖維短軸方向的形貌時(shí)，通過多次包埋方法實(shí)現(xiàn)樣品的定位，技術(shù)人員需剪取一小段纖維材料，在樣品基座上薄涂包埋樹脂后，將其平放于樣品基座上實(shí)現(xiàn)定位. 該方法有利于對(duì)纖維材料的短軸方向進(jìn)行超薄切片，圖4（b）中紅色箭頭方向?yàn)榍衅较?

圖4 多次包埋法制備聚乙烯纖維短軸截面樣品(a) 聚乙烯纖維, (b)聚乙烯纖維經(jīng)過多次包埋Fig. 4 Polyethylene fiber samples with short axis section prepared by multiple embedding method(a) polyethylene fiber, (b) polyethylene fiber after multiple embedding

當(dāng)樣品顏色與樹脂包埋劑顏色相近且樣品量較少時(shí)，樣品漂浮于樹脂中，采用常規(guī)的包埋方法確定樣品位置時(shí)，會(huì)給技術(shù)人員尋找樣品造成困難.采用上述的多次包埋法可避免樣品漂浮，實(shí)現(xiàn)樣品的定位，再對(duì)該位置作好標(biāo)記. 如圖5（a）為顏色較淺的粉末材料，樹脂包埋后較難看清樣品位置，如圖5（b）可用多次包埋法將樣品定位，并在樣品處用紙片作標(biāo)記，以便于超薄切片.

圖5 定位標(biāo)記淺色樣品（a）淺色粉末材料, (b)多次包埋法并標(biāo)記樣品位置Fig. 5 Locate and label light-colored samples(a) light colored powder material, (b) multiple embedding method and marking of sample locations

4 結(jié)論

本文介紹了一種操作簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)的環(huán)氧樹脂多次包埋方法. 該方法可以避免樣品在樹脂中的漂浮，實(shí)現(xiàn)定位樣品，進(jìn)而縮短了技術(shù)人員在超薄切片定位上的時(shí)間. 通過超薄切片后制備出的樣品截面更清晰、完整. 同時(shí)，當(dāng)樣品顏色與環(huán)氧樹脂顏色相近或樣品量較少時(shí)，多次包埋法為實(shí)驗(yàn)人員提供了包埋的新思路.