透射电子显微镜法测量纳米粒子的尺寸

2019-10-23 10:45来源:医用纳米材料检测与评价标准网址:http://www.nanoctr.cas.cn浏览数:359 


引   言

  透射电子显微镜(Transmission Electron Microscope, TEM)是非常好的测量粒子粒径大小的工具。本标准文本介绍了用透射电子显微镜测量纳米粒子粒径大小的过程以及样品准备,以及提供了准确测量纳米量级粒子尺寸的方法和数据分析的讨论。

  从透射电子显微镜获得的粒子的粒径大小也许与从其他手段获得的不同。因为每种测量方法的加权平均不同,以及不同方法所检测的物理性质不同。

透射电子显微镜法测量纳米粒子的尺寸

Measuring the size of nanoparticles using transmission electron microscopy

1.原理   

  由于电子的德布罗意波长非常短,透射电子显微镜的分辨率远远高于光学显微镜,可达0.1-0.2nm。因此可用透射电子显微镜观察样品的精细结构,甚至可观察原子排布,这使透射电子显微镜成为物理、化学和生物学相关领域的重要分析手段

  在透射电子显微镜中,由电子枪发出的电子束,在真空通道中经过一系列电子透镜汇聚成明亮且均匀的平行电子束,并照射在样品室内很薄的样品上,电子与样品中的原子碰撞而发生散射或者电子在样品晶格中发生布拉格衍射,因此,样品的不同位置将产生振幅衬度或者相位衬度,并经一系列放大,最终投射在观察室内的荧光屏板上,荧光屏再将电子影像转化为可见光影像。在非原子分辨成像中,散射导致的振幅衬度占主要,因此衬度大小与样品的密度、厚度、材料的原子序数等相关[1]。

2.仪器 

  本实验所用的透射电子显微镜是美国Tecnai G2 20 S-TWIN透射电子显微镜,发射源为六硼化镧灯丝,最高加速电压可达200kV,放大倍数为25-1030k,最大倾角为±40°。其特点在于电子束亮度高,相干性好,样品台倾转角度大,可用来观察各种材料的微观结构并对样品进行纳米尺度的微区分析,如形貌观察、电子衍射、衍射衬度成像、高分辨电子显微学研究等。

  本实验中还会用到氧气等离子清洗仪。

3.试剂

  待测样品、95%乙醇、超纯水

4.样品制备

      4.1 处理纳米材料时,采取适当的防护措施。

      4.2 采用表面覆盖一层碳膜的铜网作为样品网。

      4.3 用于样品准备的玻璃器具和仪器用过滤的去离子水清洗并干燥。如果使用清洗剂,应彻底清洗,以防残留。

      4.4 一般样品为水溶液,为了使样品更好地沉积在铜网上,可以在滴加样品,使用氧气等离子体清洗仪处理铜网。氧气等离子的功率和处理时间以不破环铜网的碳膜为宜,典型的条件是10W,1min。然后将10ul纳米粒子样品滴在网上。部分样品流至网下也没关系。在样品网上盖上培养皿,在室温下放置,直至样品自然晾干。

      4.5 用去离子水小心地淋洗滴好的样品网,再用乙醇淋洗,最后用滤纸吸干乙醇。

5.测量步骤

      5.1 开启透射电子显微镜

      5.2 装样

      5.3 进样

      5.4 调节样品高度

      5.5 调节仪器

      5.6 标准样品成像

      5.7 选择合适的放大倍数,使视野中出现大量的纳米粒子,同时保证该放大倍数下分辨率远远小于纳米粒子尺寸(如小于1/100)。因此对于1024×1024像素成像时,在单张照片中最多包含100个纳米粒子(如果纳米粒子紧密排列)。

      5.8 在样品不同的区域内观测至少200个纳米粒子。

      5.9 重复上述步骤,进行待测样品的成像。

6.数据分析[2]

       6.1 标准和性能验证

  典型的TEM具有很大范围的放大倍数以及多种操作模式,但所显示的放大倍数与实际放大倍数不同,相差可能有10%。因此,TEM仪器必须校准,提供准确的比例尺。而且,最好根据仪器说明书用标准物周期性地对仪器进行校准。

  对TEM进行放大倍数校准时,可采用标准样品校正法。常见的标准物质和其标准数值范围如下:(1)商业化的乳胶粒子,直径>20nm(2)金溶胶,直径>2nm。(3)标准格子样品。(4)单晶硅,可用于校准0.2nm或更高的分辨率。

  利用电子显微镜测量粒子的大小是十分简单的,但所分析的数据必须能代表所有的样品。对数据进行统计分析,例如t-检验,可表明所选样品是否具有代表性。

       6.2 数据分析和测量参数

  数据分析的方法有很多种,这些方法将在处理数据时做不同的假设。读者可根据情况选择合适的方法或利用软件,例如ImageJIgorPro.

  要获得纳米粒子尺寸分布,一个基本的过程是将数字显微图像转换成独立粒子和背景的二值图像。可通过阈值将图像像素值分级。将图像阈值处理受到用户的偏爱,并尽量自动化。当图像上的背景灰度值不统一时,没办法使用自动化程序,就需要手动选择对多个区域都合适的阈值。

  只要得到了合适的二值图像,就可进行像素值分级。一个纳米粒子由大量满足阈值标准的像素组成。然而,一些背景像素的灰度值也满足纳米粒子的阈值。典型的背景像素是单数的或数量很少,因此需要将最小尺寸标准用于二值图像中。同样地,一个给定的纳米粒子会有一个或少量的无像素区域,分析数据时要将这些像素填上。

  从一个特定的二值图像中,通过测量满足阈值的像素值来获得尺寸大小。然后假设纳米粒子为理想的刚性小球,将像素值转换为对应的圆形直径。因此,纳米粒子的尺寸不考虑明显的小面。纳米粒子的圆度值,由4 πA/P2计算,其中A表示粒子面积,P表示周长,这个值接近1是理想圆形。圆度值小于等于0.25的纳米粒子可被认为是聚集或数据分析中的误差。

7.参考文献

[1] GB/Z 21738-2008,一维纳米材料的基本结构.高分辨透射电子显微镜检测方法。

[2]‘Measuring the Size of Nanoparticles in Aqueous Media Using Batch-Mode DLS',Assay Cascade Protocols, Frederick National Lab, Nanotechnology Characterization Laboratory, ncl.cancer.gov.

                                                 国家纳米科学中心分析报告