透射电镜三维重构确定杂化嵌段共聚物两相空间分布

唐明华， 郭 军， 朱 兴

(苏州大学分析测试中心，江苏苏州 215123)

多金属氧酸盐(Polyoxometalate,POM)簇是由前过渡金属原子，通过氧配位桥连而成的一类具有确定结构的无机阴离子单分子簇合物[1]。由于POM簇中金属原子处于最高价氧化态，使其拥有优异的催化功能，但其加工性能较差，在材料科学领域应用较少。为了改善这一缺陷，科技工作者致力于通过共价键改性的方法使POM簇与聚合物杂化，从而合成不同分子量且分子量可控的嵌段共聚物。以这种方法制备的嵌段共聚物中POM簇与聚合物间形成的共价键，可以避免它们之间大尺度的宏观相分离，相分离尺度可控制在纳米范围内[2]。这一类杂化聚合物的两相的空间分布对材料的性能有至关重要的影响[3]。透射电镜可用于上述纳米复合材料的微观形貌观察，但单纯利用透射电镜的二维图像作为两相空间分布的依据还不够准确完善。目前，对如此纳米尺度的3D两相空间形貌还没有很好的手段进行表征。

透射电镜的电子断层三维重构(Electron Tomography，ET)技术是一种用以研究材料三维空间立体结构的新兴的有效方法[4]。该方法是通过倾转角度获得每一帧与材料对应方向上含有材料形貌信息的二维图像，然后通过加权背投影(WBP)、代数迭代(ART)或同步迭代(SIRT)等方法重构出材料的3D空间模型，因此无论是材料内部或表面的精细空间分布信息，通过重构后得到的立体模型都可以得到确认[5,6]。电子断层三维重构技术作为空间形貌和结构的强有力的表征手段，最早由Derosier和Klug在1986年建立[7]，首先被应用于生物和医学领域，用以分析细胞[8]、病毒[9]或蛋白质的复杂结构[10,11]。目前该技术正逐步发展到材料科学研究领域，例如：Jiang等利用电子断层三维重构技术确认金纳米颗粒的杯状形貌[12]；Lin等重构出空心α-Fe2O3纳米环的形貌和内部结构等[13]，但鲜少有通过电子断层三维重构技术确认杂化嵌段共聚物两相空间分布的案例。

本文关注的体系是由POM簇与聚合物之间通过共价键相连接而形成的POM簇-聚合物杂化物(POM-Polymer Hybrids，PPHS)，研究的样品分别是三种分子量不同的聚(多金属氧簇降冰片烯)与聚(己酸降冰片烯)的嵌段聚合物(Poly(POM)m-b-Poly(COOH)n)。利用Tecnai G2F20场发射透射电镜配置的三维重构附件对这三种不同分子量的杂化嵌段共聚物进行不同倾转角度下二维图像的采集、图像匹配对中及重构，以及立体模型构建，最终从构建的立体模型及制作的录像(movie)中可准确获知三种样品的立体空间形貌，进一步通过任意方向上的切片比较，精准地分辨出杂化共聚物在空间上的两相分布情况。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

Tecnai G2F20透射电子显微镜(美国，赛默飞世尔科技公司)。

实验所用的丙酮、正己烷纯溶剂均为分析纯。

1.2 待测样品制备

实验所用的三种POM簇-聚合物杂化物为分子量不同的(Poly(POM)m-b-Poly(COOH)n)，样品由苏州大学材料与化学化工学部提供。将上述聚合物用丙酮溶解，50 ℃搅拌下缓慢滴入正己烷，完全滴入后继续搅拌10 min，然后取分散均匀的样品滴于150目的碳支持膜铜网上，红外灯烘干后用于透射电镜中观察。样品量不能太多，放于碳膜上时样品的密度要适中，以保证目标样品在高角度倾转时不会被周围的样品挡住。

1.3 透射电镜测试

将制备好的载有样品的碳支持膜铜网放入透射电镜样品杆上，将样品杆插入镜筒中，调整成像系统合轴，透射电镜工作电压为200 kV，工作电流为74 μA，点分辨率为0.214 nm，选择合适的放大倍数消除物镜象散后聚焦拍照。

1.4 三维重构实验

1.4.1 高质量二维图像的采集调节Tecnai G2F20场发射电镜处于良好工作状态；在电镜荧光屏下挑选最优取向的目标样品，保证目标样品在大角度倾转时不被遮挡、有尽可能大的倾转角度(至少±60°范围)，同时在倾转过程中能够包含尽可能多的信息[14]。在Xplore 3D软件中设置合适的滤波参数、自动聚焦参数、欠焦量，设置样品杆倾转范围、间隔角(1°或2°)，用底插CCD相机(Gatan 832)记录一系列不同倾转角度下得到的样品的二维图像，过程中要根据样品情况进行参数手动调节，以确保每张二维图像获得最佳的衬度。

1.4.2 二维图像的匹配对中与重构利用Inspect 3D软件进行压缩数据、设置滤波参数、计算图像偏移量、匹配对中，然后选用WBP、ART或SIRT等不同算法进行重构。

1.4.3 数据分析利用Amira软件对重构后的数据进行分析，使三维重构的结果合成为可视化的立体模型并制作录像(movie)，也可进行各个层面的断层切片分析。

实验关键点：首先，调整电镜合轴、放大倍率校准、光束倾斜校准、聚焦/消象散校准、自动调节聚焦高度校准、样品杆校准等一系列调试和校准操作保证采集到高衬度的二维图像是获得高质量立体模型的第一步；其次，在重构过程中需视情况进行倾转轴向的调整，从而尽可能消除样品杆在采集数据时发生扰动的影响，得到理想三维重构模型。根据轴向在X方向上发生平移、在X方向上发生旋转、在Z方向上前后翘起、Y轴轴向自身旋转等情况进行适当调节。

2 结果与讨论

2.1 样品1的形貌和结构分析

样品1(Poly(POM)m1-b-Poly(COOH)n1)的透射电镜图片(图1)显示：样品为衬度不同的两相物质自组装而成，两相是交替的，每一相的宽度在5～8 nm左右。仅从透射图片看样品1的具体形貌可能是圆球体、圆柱体或者圆锥体，并且两相在空间上如何分布也无法判断。为了进一步判定样品的形貌和两相结构，对样品进行三维重构实验并进行解析。实验中采用Tecnai G2F20场发射透射电镜配置的三维重构软件Xplore采集透射电镜的原始图片数据，确认选取样品的倾转角度范围为-63°～68°，对样品进行每隔一度连续倾转采集图像，一共采集132张原始二维图像。对132张二维图像进行匹配对中及立体模型构建得到的3D模型如图2(a)所示：可知样品1为圆球状形貌。依次对圆球状3D模型在X、Y方向沿着Z轴进行横截面切割，得到如图2(b)～2(g)截图，截图所对应的位置分别是圆球状3D模型在X、Y平面上沿Z轴方向上、中、下部的横截面，6张截面切片图显示：两相始终呈同心圆分布，且两相是依次交替分布的。而从3D立体模型的剖面图(如图2(h))，同时结合模型在其他方向和不同角度的切片图的观察和分析，确认样品1是两相依次交替分布的层层嵌套洋葱状结构，排除了从常规透射电镜图像中推理出具有同心柱状或同心锥结构的可能性。

图1 样品1的透射电镜图片Fig.1 TEM image of sample 1

图2 (a)样品1重构得到的三维立体模型;(b -g)三维立体模型在X、Y方向沿着Z轴的截面切片图;(h)三维立体模型的剖面图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 样品2的形貌和结构分析

样品2(Poly(POM)m2-b-Poly(COOH)n2)同样为POM簇与聚合物通过共价键相连接而形成，但两相衬度和形貌与样品1完全不同。从样品2的透射电镜图片(图3(a))可知：样品2直径约为200 nm，衬度深浅不一，初步判断：衬度高的一相作为基底存在，衬度低的一相呈球状或者孔道结构。为了探究两相具体形貌和空间分布，采用Tecnai G2F20场发射透射电镜配置的三维重构软件Xplore采集透射电镜的原始图片数据，确认选取样品的倾转角度范围为-66°～60°，对样品进行每隔一度连续倾转采集图像，一共采集127张原始二维图像，对127张二维图像进行匹配对中、立体模型构建得到3D立体模型如图3(b)，模型中以橙色代表其中衬度深的一相，衬度浅的另一相镂空显示，依次对3D模型在X、Y方向沿着Z轴进行横截面切割，得到如图4(a)～4(f)截面，所对应的位置分别是3D模型的中间部位在X、Y平面上沿Z轴方向从上到下依次均匀切割的横截面图：可知样品2是圆球状，其中一相为基底，另一相像孔隙一样嵌在其中，嵌入相的大小不均匀，各个嵌入相部分并不贯通，独立较均匀分散存在。这一结论无法从常规透射电镜(TEM)图上观察并确认，三维重构技术显示了判断材料两相空间分布的优越性。

图3 (a)样品2的透射电镜图片；(b)样品2重构得到的三维立体模型Fig.3 (a)TEM image of sample 2;(b) 3D reconstructed model of sample 2

图4 (a-f)三维立体模型在X、Y方向沿着Z轴的截面切片图Fig.4 (a-f)The transverse section of 3D model along the Z-axis

2.3 样品3的形貌和结构分析

样品3(Poly(POM)m3-b-Poly(COOH)n3)的TEM图片(图5)显示：样品3直径约为300 nm，同为两相杂化的样品3两相交替分布，但在不同区域取向不同，在空间的形貌分析上具有更大复杂性。采用Tecnai G2F20场发射透射电镜配置的三维重构软件Xplore采集透射电镜的原始图片数据，确认选取样品的倾转角度范围为-60°～68°，对样品进行每隔一度连续倾转采图，一共采集129张原始二维图像，对129张二维图像进行匹配对中、立体模型构建得到3D模型如图6(a)，模型中以橙色代表其中衬度深的一相，衬度浅的另一相镂空显示，依次对3D模型在X、Y方向沿着Z轴进行横截面切割，得到如图6(b)～6(g)，所对应的位置分别是3D模型的中间部位在X、Y平面上沿Z轴方向从上到下依次均匀切割的横截面图，从3D立体模型和六张截面切片图可知：样品3是圆球状，两相依次交替，呈指纹状分布，纹理可通过横截面图获知。对3D立体模型进行近似1/3切割，通过三个立体面的分布可知样品3类似于三个不同取向的“洋葱状”结构组合而成的一个球体，三个组合体间互相独立，在360度有着各自均分角度取向的分布，并不交织。

图5 样品3的TEM图片Fig.5 TEM image of sample 3

图6 (a)样品3重构得到的三维立体模型;(b -g)三维立体模型在X、Y方向沿着Z轴的截面切片图;(h)三维立体模型的剖面图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 结论

通过常规的透射电镜手段不能直观全面地了解聚(多金属氧簇降冰片烯)-聚(己酸降冰片烯)嵌段聚合物的各相分布和空间立体结构情况，因此无法进一步判断相分布对材料性能的影响。本文利用透射电镜三维重构技术，不断调试，寻找到合适的采集和重构参数，建立了理想的三维模型，并进一步通过不同方向上的切片和分割，成功地表征出三种外观均为球型、分子量不同的聚(多金属氧簇降冰片烯)-聚(己酸降冰片烯)嵌段聚合物的内部两相形貌和空间分布差异，为进一步合成高性能材料提供了理论依据。同时，这种方法具有一定的普适性，可推广到其他基于POM的含其他簇合物或降冰片烯衍生物的双嵌段/多嵌段聚合物的微观形貌分析，对于构建基于Poly(POM)的拥有良好耐用性能和加工性能的杂化材料具有实际的研究意义。