SAXS揭秘微观世界第二讲

你知道小角X射线散射（SAXS）和透射电子显微镜（TEM）的优点和缺点以及它们如何互补？

在过去的二十年里，公共研究机构和商业公司对纳米技术领域越来越感兴趣[1, 2]。如今，纳米材料在生物医学、微电子、食品科学和农业等各个领域都有着广泛的应用。这些材料表现出与它们宏观尺度形式完全不同的电子、光学、机械和化学特性[3]。因此，全面、准确和可靠的纳米尺度表征在理解和开发这些材料中起着至关重要的作用。然而，由于研究纳米材料所面临的困难，通常需要结合两种或更多的表征方法，才能获得与特定体系相关的各种性质的全貌。因此，为了有效地选择和结合正确的方法，了解不同技术的优势和局限性就显得尤为重要。我们将重点介绍小角X射线散射（SAXS）和透射电子显微镜（TEM）的作用，以比较的方式探讨它们各自的独特功能以及它们如何相互补充。

首先，这两种表征方法基于根本不同的工作原理。SAXS是一种间接方法，利用X射线产生散射图样，然后在倒易空间中进行解释。相比之下， TEM则是一种直接方法，通过电子束成像在实空间中产生图像。

一、SAXS

顾名思义，在SAXS测量中，样品被单色X射线照射，记录散射的光子，到较低的角度（通常低于10°）。通过分析散射光子的强度随角度的变化，可以了解样品中颗粒和孔隙大小和粒径分布、颗粒和大分子的形状，甚至结晶和表面结构。利用不同的测量角度范围（广角、小角和超小角WAXS/SAXS/USAXS）和几何形式（透射模式或掠入射GISAXS），可以从宏观样品及其表面获取亚纳米到微米级的结构信息。

SAXS的一个特殊优势在于它能够探测相对较大的样品，提供具有统计学意义的结果，例如，用SAXS观察1 mm3的样品，就可以包含数十亿个100nm颗粒，而且可以探测到所有颗粒的各种取向。但是，这种方法的缺点是空间分辨率降低，无法提供局部信息。此外，由于使用的X射线能量较高（通常在8 keV范围内），对样品的准备要求较少，因此可以探测各种形式的样品（液体、固体、粉末等）。与成像技术（例如TEM）相比，SAXS实验的数据分析更加复杂，通常需要对样品形态有一定的了解，以避免误解。

二、TEM

TEM利用高电压加速电子，穿过薄薄的样品并收集信息，从而构建材料纳米结构的二维投影。由于是在透射模式下进行，对样品的要求更为严格。除了需要非常薄的样品切片（通常为100nm厚）外，样品还需要均匀、能让电子透过、无污染（尤其是碳污染[4]），并且适合在高真空环境中操作。这就导致了制备样品的步骤变得复杂且耗时，通常与真实样品环境相去甚远（例如块状材料、溶液等）。

然而，一旦将正确的样品放入电子束中，TEM就能提供一些最高分辨率的结构分析，并最终提供元素信息。其优势之一是它能够直接表征颗粒的形状，估计颗粒的大小，并相对估计样品的均匀性和颗粒大小的分散程度。然而，准确确定颗粒参数（例如粒径分布）受到许多操作者偏差的影响：由于TEM是一种局部探测手段，所分析的样品截面可能无法代表整个材料，检查单个颗粒比较耗时，且仅限于少量颗粒，并且可能偏向选择对比度较高的较大颗粒。此外，在样品制备过程中可能会产生不均匀性（特别是滴铸后去除悬浮液时）[6]。在制备过程中可能会导致特定颗粒的定向排列，从而导致错误的解释。实际上，由于图像是通过物体的投影形成的，不管是密度对比还是相位对比，除非是非常各向异性的物体（例如圆盘）在这种情况下才能观察到明显的取向（圆盘的一侧），否则无法获得3D形状对整体尺寸的影响。此外，成像偏差可能会误导，例如，一组圆盘可能被错误地解释为圆盘和棒状物的双重组合，而实际上可能只是由一组圆盘组成，其中一些圆盘是在其边缘上观察到的。

因此，根据您的研究目标及情况，您可能会发现其中一种技术足以解决您的问题。然而，由于SAXS和TEM提供互补信息，结合这两种方法可以更全面地描述样品的性质，例如纳米颗粒的大小和形状、它们的空间分布或均匀程度。通过使用TEM获取的有关颗粒形态和排列的实际信息，可以帮助我们更好地理解样品的统计数据。这样做可以让我们在分析数据时更好地保持颗粒的真实状态，而不至于失真。

三、硅胶纳米颗粒的粒径分布：SAXS和TEM揭秘

一般来说，纳米颗粒的适用性，尤其是二氧化硅纳米颗粒，受到几种物理化学性质的影响，比如粒径分布、形状和稳定性。SAXS和TEM都是很好的纳米颗粒表征方法，可以准确描述单一大小的粒径分布。

然而，当涉及双峰或异质分布时，TEM的准确性会受到影响，因为观察到的颗粒数量最多只有几百个或几千个。图1显示了使用TEM拍摄的双峰二氧化硅纳米颗粒样品的图像。图中还展示了对大约150个颗粒进行的粒径分布测量，每个直方图的尺寸为5nm。在图像中，可以清楚地看到纳米颗粒聚集在一起。

一方面， SAXS对于聚集物的形成非常敏感，在散射矢量q的低值处会有明显的特征。由于在对同一颗粒系统进行的SAXS测量中并未观察到这种聚集，可以得出结论，其原因在于样品制备过程。更具体地说，这种聚集发生在样品被滴在透射电子显微镜网格上的过程中。因此，很明显，根据分析中使用的网格部分的不同，存在结果可能不代表整个系统的风险，并且可能导致对聚集体形成的错误解释。

另一方面，SAXS能够对双峰硅胶纳米颗粒系统提供具有统计意义的表征。正如图1所示，SAXS数据很好地模拟了两种颗粒的大小和比例。不过，这种方法的一个缺点是需要进行软件分析，而目前最流行的数据解释模型是基于球形颗粒（或只有一个可变维度的颗粒）。然而，这个领域正在迅速发展，未来很快将会有新的多分散各向异性颗粒分析模型出现。在这段时间内，我们可以通过TEM测量来直接确认这一假设，因此这两种技术相互补充，可以获得对系统更全面和准确的描述。

图1 双峰硅胶纳米颗粒的形态特征和粒径分布。(左) 透射电子显微镜（TEM）图像。(右) 由TEM和SAXS确定的粒径分布。来源：Materials, 2020, DOI: 10.3390/ma13143101.

总之，小角X射线散射是一种强大的纳米材料常规表征方法，极大地受益于使用透射电子显微镜等显微技术来确认拟合例程中使用的模型的有效性。

参考文献

[1] Miyazaki, Kumiko, and Nazrul Islam. “Nanotechnology systems of innovation—An analysis of industry and academia research activities.” Technovation 27.11 (2007): 661-675.

[2] Woolley, Jennifer L., and Nydia MacGregor. “Science, technology, and innovation policy timing and nanotechnology entrepreneurship and innovation.” Plos one 17.3 (2022): e0264856.

[3] Mourdikoudis, Stefanos, Roger M. Pallares, and Nguyen TK Thanh. “Characterization techniques for nanoparticles: comparison and complementarity upon studying nanoparticle properties.” Nanoscale 10.27 (2018): 12871-12934.

[4] Hettler, Simon, Manuel Dries, Peter Hermann, Martin Obermair, Dagmar Gerthsen, and Marek Malac. “Carbon contamination in scanning transmission electron microscopy and its impact on phase-plate applications.” Micron 96 (2017): 38-47.

[5] Gleichmann, Nicole. “SEM vs TEM.” Technology Networks: Analysis & Separations, online (2020): https://www. technologynetwo rks. com/analysis/articles/sem-vs-tem-331262.

[6] Yang, Ye, Suiyang Liao, Zhi Luo, Runzhang Qi, Niamh Mac Fhionnlaoich, Francesco Stellacci, and Stefan Guldin. “Comparative characterisation of non-monodisperse gold nanoparticle populations by X-ray scattering and electron microscopy.” Nanoscale 12.22 (2020): 12007-12013.

[7] Al-Khafaji, Mohammed A., Anikó Gaál, András Wacha, Attila Bóta, and Zoltán Varga. “Particle size distribution of bimodal silica nanoparticles: A comparison of different measurement techniques.” Materials 13.14 (2020): 3101.