纳米材料中电子断层成像技术的应用范文

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《电子显微学报》2016年第5期

摘要:

本文通过使用电子断层成像技术，分别对纳米金样品和纳米囊泡药物两种材料进行多角度成像研究，发现纳米金样品为圆盘状，并没有棒状结构，同时还测量了纳米金盘的厚度。纳米囊泡拟包含药物为膜状结构而非针状或棒状。多角度成像排除了二维电镜图片的假象，显示电子断层成像技术在纳米材料的应用前景。

关键词:

电子断层成像技术;纳米金样品;纳米囊泡药物

入射电子与物质相互作用时会产生二次电子、背散射电子、透射电子和特征X射线等各种信号。其中透射电子、背散射电子是透射电镜的主要成像信号。透射电镜中，电子束与样品相互作用，在荧光屏(或图像收集设备)上显示该样品的投影信息，因此透射电镜图像是一个三维物体垂直于电子束入射方向的二维投影，对于均质球体来说，任何角度投影的图像都能正确显示其形状和尺寸。但由于无法直接从该二维投影了解该物体在三维空间里的立体结构信息，对于圆盘状、薄片状或其他特殊形状的样品，某些特定角度的投影容易产生对三维立体结构分析上的假象。旋转样品，获得样品在不同方向上的投影图，再通过计算机软件处理这一系列投影图，还原样品三维空间里的立体结构信息，这样的技术被称为“电子断层成像技术”［1］。利用这种技术可以恢复样品的原有立体形貌，消除部分二维投影的假象。这种技术近年来，在细胞、亚细胞结构的研究获得了很广泛的应用，得到不少令人瞩目的结果［2－3］。但在纳米材料上的应用，尤其在国内的纳米材料方面，鲜见报道。本文利用电子断层成像技术，分别对纳米金样品和纳米囊泡药物两种材料进行研究，获得这两种材料的三维立体结构。

1材料与方法

1.1材料

纳米金样品由中山大学物理与工程学院提供。纳米囊泡药物由中山大学药学院提供。

1.2方法

1.2.1纳米金样品的电镜制样方法

取5μL纳米金样品悬液(浓度为7.5×10－11mol•L－1)［4］滴到碳膜铜网上，1min后用滤纸吸去多余的悬液，在室温下自然干燥。

1.2.2纳米囊泡药物的冷冻电镜制样方法

在冷冻制样前，为提高微筛膜铜网(Quantifoil)的亲水性，对该铜网进行辉光放电亲水处理。同时，为了后续不同角度投影的对准，在制样前新鲜加入10nm的胶体金颗粒。具体制样过程为:取4μL纳米囊泡药物(浓度为5×10－6mol•L－1)，加1μL10nm的胶体金颗粒溶液(浓度为1×10－5mol•L－1)，混匀后，立刻滴加在已处理的微筛膜铜网上，使用FEIVITROBOTIV进行冷冻制样，滤纸吸附时间为3s，转移铜网并保存在液氮中。通过Gatan626冷冻样品传输架，将样品转移到JEM2010Cryo型电镜，－173℃进行观察拍照。

1.2.3电镜拍摄方法

上述两样品均使用JEM2010Cryo型电镜手动收集一系列倾斜角度的投影图像［5－7］，加速电压为200kV，图像收集采用Gatan895CCD。采集图像放大倍数分别为30K和50K，每2°收集一次图像，倾斜角度为±54°。用IMOD软件［8］对收集的图像进行计算机三维重构。三维结构采用Chimera软件显示。

2结果与讨论

2.1纳米金样品

纳米金样品的二维投影见图1。图中可见样品有3种形态，分别呈现圆形(A)、杆状(B)和三角形(C)，一般可以根据该图分析得出该样品有3种形态。图2是同一个纳米金样品在不同旋转角度的投影照片。图2a中显示两个样品分别呈现椭圆形(白色箭头)和杆状(黑色箭头)两种形态。将该样品从－40°倾斜角度旋转至0°时，可见图2a中的杆状样品投影(黑色箭头)变成图2c中的椭圆形状，图2a中的椭圆形样品(白色箭头)变成图2c中的杆状。图2d中，显示两椭圆形样品稍有重合。图2e中，两样品均呈现椭圆形状。可见圆形和杆状的二维投影，实际是同一个纳米金样品在不同方向上的投影。经IMOD软件处理并重构得到的三维结构结果显示(图3)，该纳米金样品的两个颗粒实际均呈圆饼状的结构，直径为45nm，厚度为10nm。

2.2纳米囊泡药物

图4是纳米囊泡药物的透射电镜二维投影照片。图中白色箭头所示样品为近似球状的囊泡结构，囊泡里含有短棍状的结构，白色箭头所示样品形态为针状。图5显示该纳米囊泡药物在旋转不同角度时透射电镜的投影照片。图5中白色箭头标示的针状样品(5d，e)，随着旋转角度不同，投影图像发生了形态改变，从原来衬度很大的针状，变成衬度很小，难以分辨的膜状结构(白色箭头)(5a，b)。这是同一个样品因为旋转角度不同而产生的不同投影图形。由于薄膜状样品的Z轴方向厚度很薄，而X轴和Y轴方向厚度较大，假设电子束沿样品的X轴或Y轴方向入射时，将难以穿透样品，这两个方向的投影衬度较大，成一针状结构(5d，e白色箭头)，其投影短径反映Z轴的样品厚度。沿样品Z轴方向入射的电子束，由于Z轴方向上的样品厚度很薄，电子束可轻易透过，引起的衬度变化小，因此其二维投影的反差极弱(图5a白色箭头)。而对于囊泡状的样品来说，由于其结构近似球形，因此在不同的角度，其投影都是近似圆环结构(图5黑色箭头)。同样，图5中黑色箭头所示的囊泡状样品内部包含的药物结构在不同方向上的投影因旋转角度不同而发生了变化。可见在图5c中黑色箭头所示囊泡内包含有一短棍状药物，但随着倾斜角度变化，在图5a中，同一个囊泡内的药物反差非常弱，难以分辨。说明这个囊泡内包含的药物与囊泡外的药物是类似的膜状结构。使用IMOD软件将纳米囊泡药物重建为三维模型(图6)，显示囊泡中包裹的短棒状结构实际上是膜状结构，厚度仅为10nm。

3结论

三维物体沿单个角度的投影很难体现该样品的全部形貌信息，特别是非对称性样品在不同方向的投影形态各异，仅采用一个投影角度获得的透射电镜二维图像很容易错误判断该样品的三维形貌。电子断层成像技术通过旋转样品拍摄一系列角度的多张投影照片，可以获得该样品多个角度的信息，如能经过计算机重构更可获得较为直观的三维结构，避免单角度拍摄引起的假象。可见对于观察纳米材料而言，电子断层和多角度成像技术是一项非常重要的技术，对正确获得样品的三维信息具有不可替代的意义。

作者:李茵茵 蒋中鸣 李红梅 贾旭东 张勤奋 单位:中山大学生命科学学院 昆明理工大学材料科学与工程系