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破解不規(guī)則粗糙樣品的多維密碼——AFM/SEM二合一顯微鏡

更新時間:2024-12-05點(diǎn)擊次數(shù):27

近年來有研究發(fā)現(xiàn),納米顆粒的粗糙度對其性質(zhì)和功能有顯著的影響,清晰的理解表面粗糙度對外部刺激的反應(yīng)和相互作用,可以為預(yù)測納米顆粒在遞送、分布等現(xiàn)象中的行為提供可靠信息。因此獲得表面粗糙度信息對材料性能的研究具有重要的意義。目前,常通過光學(xué)顯微鏡和原子力顯微鏡測量這種特性,但光學(xué)顯微鏡僅能在毫米尺度上定位納米顆粒的突起處,AFM對表面不平整樣品的定位非常有挑戰(zhàn)性。


美國Quantum Design公司推出的AFM/SEM二合一顯微鏡FusionScope,將SEM、AFM以及EDS等多種技術(shù)深度融合,通過共享坐標(biāo)系,可提供AFM-SEM-EDS三位一體的原位相關(guān)解決方案,輕松揭示來自同一目標(biāo)區(qū)域的不同特性。其中樣品臺可以實(shí)現(xiàn)-10°-80°旋轉(zhuǎn),為探針提供側(cè)向視野,可視化記錄探針在樣品表面掃描的動態(tài)過程,排除一切不確定因素,為測試結(jié)果提供最直接的證據(jù)。




基于此,美國Quantum Design公司利用AFM/SEM二合一顯微鏡FusionScope對表面形貌極為復(fù)雜的維生素C顆粒進(jìn)行了多維度、全面的研究。首先,借助FusionScope的SEM識別特定單個顆粒的能力,將懸臂尖精確引導(dǎo)至目標(biāo)區(qū)域,同時利用側(cè)向視野觀察AFM的實(shí)時動態(tài)測量過程,最后結(jié)合SEM成像、AFM形貌測量以及力-距離曲線分析,獲取了單個顆粒的形態(tài)、表面粗糙度信息以及探針尖被顆粒污染的可能性,為增強(qiáng)顆粒研究和分析方法奠定了基礎(chǔ)。


本實(shí)驗(yàn)中,研究者采用3.5kV低加速電壓,以消除SEM在掃描維生素C有機(jī)顆粒時產(chǎn)生的電荷積累。FusionScope的SEM功能可以輕松識別和定位目標(biāo)維生素C顆粒(圖1a),可視化提供懸臂尖運(yùn)動的實(shí)時狀態(tài),自動將AFM尖精準(zhǔn)導(dǎo)航至目標(biāo)區(qū)域,側(cè)向視野可以直觀的觀察懸臂尖,確保尖處于顆粒的預(yù)期位置(圖1b)。隨后,在調(diào)幅模式下進(jìn)行高分辨率AFM成像(圖1c)。觀測所得的SEM和AFM數(shù)據(jù)都可以在FusionScope軟件中相關(guān)聯(lián),使數(shù)據(jù)分析變得簡單明了(圖1d)。

 

圖1:通過FusionScope獲得SEM與AFM疊加圖像的流程,(a)分辨目標(biāo)維生素C顆粒;(b)通過側(cè)向視野AFM探針置于目標(biāo)顆粒上方;(c)掃描得到顆粒的高分辨AFM圖像;(d)將兩個通道疊加。

 

為了對維生素c顆粒進(jìn)行全表征,本工作中重點(diǎn)分析了3種不同形狀和大小的顆粒,以評估它們的表面粗糙程度。圖2中顯示了3個單獨(dú)顆粒的SEM正視圖,可以清晰分辨三組樣品的大小和結(jié)構(gòu)。



圖2:SEM 頂部視野中的三種不同形貌的維生素C顆粒。

 

利用FusionScope的共享坐標(biāo)系,研究者將AFM尖無縫導(dǎo)航到每個獨(dú)立的顆粒表面。樣品和探針尖的近正交視角進(jìn)一步促進(jìn)了精確定位,特別是接近具有精細(xì)結(jié)構(gòu)的樣品時,如顆粒3。



圖3:SEM側(cè)向視野中探針尖靠近3組樣品表面。



圖4:振幅模式下記錄的AFM形貌掃描圖,3組顆粒的結(jié)果顯示如圖,藍(lán)色框中顯示的是粗糙度測量范圍,粗糙度的結(jié)果從~600 nm(顆粒1),到420 nm(顆粒2),再到150 nm(顆粒3)不等。



圖5:(Top)高分辨的AFM形貌和相位圖像顯示出顆粒2的可能組成成分。(Middle)AFM形貌與相圖的疊加圖案揭示在同一個結(jié)構(gòu)處二者具有不同的成分(Bottom)在ROS1和ROS2兩處的力曲線揭示材料具有不同的剛度和粘附性能。


該樣品所有的力-距離曲線測試包括當(dāng)懸臂梁接近樣品表面(圖6(1))至與樣品接觸(2),到懸臂梁將顆粒向下推到底部(3),最后對顆粒進(jìn)行真正的機(jī)械力探測,都是用SEM 在側(cè)向視野中觀察到的。紅色曲線表示的探針偏折其實(shí)是一種假象,將力-距離測量與SEM側(cè)向視野相結(jié)合,能夠避免這些誤導(dǎo)性的結(jié)果,并提供微小物體表面的力學(xué)性能的分析。




側(cè)向視野中觀察到的傾斜樣品力學(xué)曲線測量動態(tài)過程



圖6:SEM圖像顯示了在獲取力-距離曲線時懸臂梁的位置,為了說明納米顆粒在力-距離曲線中的運(yùn)動,在SEM 圖像中添加了水平虛線后,將其分成了三個階段并獲得力曲線(a-c)。圖6(1)和圖6(2)之間的力-距離曲線顯示懸臂在接觸顆粒之前的恒定偏折;另一方面,在圖6(2)-(3)之間顯示了偏折量的增加,該變化是由于探針將顆粒向下推到了表面;最后綠色曲線所示陡峭的力增長是由于納米顆粒定格至底部,完整的力曲線如圖6d所示。


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1、FusionScope多功能顯微鏡https://www.chem17.com/st166724/product_37318248.html


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