王小曼，梁 正，盧 思

（中國科學(xué)院 廣州能源研究所 分析測試中心，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，同時起到保護樣品超微結(jié)構(gòu)的作用[1]. 超薄切片機對環(huán)氧樹脂包埋過的樣品進行切片，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，其對無機材料的內(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)氧樹脂的浮力會導(dǎo)致樣品在其中漂浮，當(dāng)需觀測材料樣品特定方向的截面形貌時，需對樣品定位. 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)人員通常依靠個人經(jīng)驗預(yù)估設(shè)定樣品夾的旋轉(zhuǎn)角度，進行連續(xù)切片和不斷地調(diào)整角度，非常繁瑣耗時，極大地增加了切片的困難[3]. 同時，當(dāng)樣品顏色與環(huán)氧樹脂顏色相近且樣品量較少時，實驗人員仍需對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樣品進行簡單包埋定位的多次包埋法.

1 試驗部分

1. 1 儀器與試劑

EM UC7/FC7超薄切片機，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.

試驗材料為垂直生長在碳布上的納米棒、聚乙烯纖維材料、無機粉末材料. 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（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（Leica EM FC7）上，對樣品塊進行修塊、對刀、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)埩粑廴镜犊冢樾紩?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，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超薄切片機制備納米棒截面，JEM-2100F透射電子顯微鏡進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的枝晶形貌，截面清晰完整不傾斜. 由此可以看出，對于碳布上生長的納米棒材料，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)長的聚乙烯纖維材料，必須通過樹脂包埋形成包埋塊后，再進行超薄切片. 如圖4（a）所示，當(dāng)需要觀測聚乙烯纖維短軸方向的形貌時，通過多次包埋方法實現(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現(xiàn)定位. 該方法有利于對纖維材料的短軸方向進行超薄切片，圖4（b）中紅色箭頭方向為切片方向.

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，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，會給技術(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，實現(xiàn)樣品的定位，再對該位置作好標(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單、實用性強的環(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，實現(xiàn)定位樣品，進而縮短了技術(shù)人員在超薄切片定位上的時間. 通過超薄切片后制備出的樣品截面更清晰、完整. 同時，當(dāng)樣品顏色與環(huán)氧樹脂顏色相近或樣品量較少時，多次包埋法為實驗人員提供了包埋的新思路.