红外样品制样方法

电子类样品检测手段多种多样，其中扫描电子显微镜检测不仅观察样品表观形貌，通过制样设备可实现对内部指定点或区域的观察分析，就目前来说电镜观察手段及观察方法渐趋成熟，但制样手段及手法仍有许多值得探究，在这里简单介绍下简单易操作的制样方法。下图是经常遇到的几个电子类材料的类型，线路板PCB,LED,OLED等，从材料角度来说，基本为复合材料（金属/玻璃/硅/聚合物，填料）；大多为软硬结合材料；大多为分层结构；多为局部器件的平整面获取和分析。图1.电子材料部分类型举例一般根据样品形状大小，分析观察需要，可采用三种方式制备样品：样品较薄或待分析结构位于表面10微米左右，可用胶加以保护并采用徕卡精研一体机EM TXP配合其光学显微镜观察，切到目标位置附近，再做简单磨抛处理后，采用徕卡三离子束EM TIC 3X进行离子束的切磨处理；若样品较厚，且观察区域较大，可采用传统方法磨抛，并使高度和直径符合徕卡三离子束EM TIC 3X的旋转抛光要求即可，徕卡三离子束TIC 3X旋转抛光具有旋转和移动功能，可最大程度保证加工面积；若样品微小，则可将其用小型包埋板包埋，再用精研一体机EM TXP切割到目标位置附近后，再做离子束的切磨处理，在此不用担心楔形样品，厚度方向和高度方向的倾斜，采用多功能的样品台来调节即可。图2.微电子类材料处理的简单方法图3.徕卡三离子束EM TIC 3X多功能样品台图示对于样品较薄或待分析结构位于表面10微米左右，其处理方法及所需工具如下，胶水，胶带（或其他平整柔软垫子）载玻片，加热台过程如下：胶带贴于载玻片（若有耐高温软垫子，则不需要此步骤），将胶水混合滴在胶带上，样品有结构的一面扣在胶水上，轻轻按压，加热台加热后，抬起胶带，则胶水与样品固化在一起，此方法的优点在于不会过多使用胶，样品导电性不会因为过多的胶引起荷电效应过重或后续处理过于复杂。图4.较薄样品处理所用耗材及工具简图 对于较柔软样品，如柔性屏，由于其材质的不同，则处理起来与上述不同，其需要准备的耗材如下：剪刀或刀片（视材料的薄厚而定）取小块样品，用铝箔纸将其包覆起来，胶水封口，干燥后刀片切出断面，粘在小片硅片上或小样品托上，接着离子束加工即可。图5.柔性电子材料制样工具及耗材 由于电子类材料多为复合材料，且多为胶类物质填充其中，因此电镜观察除了要复合用背散射电子成像信息更丰富以外，导电性是一个干扰正常观察项，同时，微电子材料的诸如分层结构等多为纳米或亚微米级，因此对镀膜处理要求高，若镀膜颗粒大则分层不清楚甚至不分，较宽范围的金属层结构的晶向结构无法分析，徕卡高真空镀膜仪EM ACE600镀膜颗粒细腻，膜厚可控，非常适合离子束加工后的微电子类材料平整断面处理。图6.徕卡高真空镀膜仪 EM ACE600

近年来，红外光谱和显微成像技术有了突飞猛进的发展,尤其是在生命科学领域，得益于红外光谱技术对于分子结构的敏感性，其能够在无任何标记的情况下实现对生物样品成分的鉴定和分布解析，这对于不便于荧光标记的一些生物样品鉴别十分有利。然而目前大多数的红外光谱空间分辨率受限于红外光的衍射限，只有10-20 μm，且依赖于红外光波波长。另外多数红外检测设备对于生物样品制样过程也有着严格要求，如样品切片厚度，细胞和组织尺寸，含水量，需要荧光染色等，这对于生命科学研究非常不利。 针对上述问题，美国photothermal spectroscopy corp公司经多年潜心攻关，研发出非接触亚微米分辨红外拉曼同步测量系统—mirage，该设备凭借其有的光学光热红外（o-ptir, optical photothermal infrared）技术克服了上述问题，将红外光谱的空间分辨率提升至亚微米（~500 nm）；无需制备薄片，直接测试较厚样品，大地简化了制样过程、提高测试效率；同时可实现无接触式地快速简易测量，有效避免了传统atr模式下的散射像差和交叉污染。且该设备在反射模式下所得谱图与透射模式下ftir完全一致，还可以选配透射模式，十分适用于液体样品和一些特殊混合样品，大的扩展了光热红外在生命科学领域的应用范围(如图1所示)。这项先进技术让mirage有别于传统的红外测试设备，能够对生命科学领域的常用样本，诸如细胞爬片，病理组织切片，单细胞细菌等有良好的兼容性，并让活细胞观测成为可能。除此之外，mirage还可与拉曼光谱进行联用，实现同时同地相同分辨率的ir和raman测试，且无荧光风险，能够帮助研究者更快速全面的确定所分析生物样品的化学组成信息。图1. o-ptir光学光热红外显微镜，工作原理及钙化乳腺组织的o-ptir红外成像图 光学光热红外o-ptir在生命科学领域应用的显著优势：1.亚微米的空间分辨率；2.可直接获取液体中活细胞的红外成像；3.灵敏度高，可直接观测单细胞 (如细菌、哺乳动物细胞等)；4.无米氏散射干扰，即使在细胞边缘也不受影响；5.高的光谱分辨率；6.无需直接接触即可测量软组织的红外光谱；7.可实现红外和拉曼同步测量；8.可实现超过10 μm厚的样品测试，直接置于载玻片上观察分析；9.可配置化的红外光源；典型案例分析：1.感染疟原虫的红细胞表征 疟原虫属寄生虫引起的疟疾是威胁生命的主要疾病之一，而疟原虫引发的感染周期十分复杂，因此在细胞和分子水平观察疟原虫的变化对于研究疟原虫的致病有着重要意义。agnieszka m. banas等人通过使用o-ptir对疟原虫感染的红细胞在亚微米尺度的分子特征变化进行了表征，结果显示正常红细胞的蛋白呈现环状分布，而感染后的红细胞蛋白质则呈现无规则分布。通过对比传统ftir与基于o-ptir技术能够发现，o-ptir能够提供更为详细的图像分辨率并且能够测量红细胞不同位置的光谱信息。而传统ftir受制于米氏散射限制，效果较差。图2. 对比ftir与o-ptir对红细胞成像的结果：(a)红细胞的白光图；(b)图a中红色方块放大的区域；(c,e)ftir的蛋白/脂质空间分布的红外成像；(d,f)o-ptir的蛋白/脂质空间分布的红外成像；(g)红细胞的ftir红外光谱；(h)红细胞的o-ptir红外光谱 (g,i)疟原虫感染红细胞和正常红细胞的pca（pc1&pc2，pc1&pc3）得分；(h,j)疟原虫感染红细胞和正常红细胞的pca（pc1&pc2，pc1&pc3）得分 参考文献：b. [malaria] “comparing infrared spectroscopic methods for the characterization of plasmodium falciparum-infected human erythrocytes” (nature communication chemistry, https://doi.org/10.1038/s42004-021-00567-2). advantages: 1, 3, 4, 5, 6 2.单个病毒的红外成像 受制于红外限分辨率的限制，单个病毒的红外光谱成像一直以来都是十分困难的，对于只有100 nm左右的病毒进行红外光谱成像显得十分无力。yi zhang等人使用o-ptir技术成功实现对单个痘病毒进行了检测，并成功观测到了病毒的外形，并对病毒表面的蛋白的光谱进行了表征。图3.单个痘病毒的光谱和成像表征。(a)痘病毒的干涉散射图像 (b)痘病毒1550cm-1波束下的mip图像 (c)痘病毒1650cm-1波束下的mip图像 (d)随机选取病毒上4个点的光谱 参考文献：“vibrational spectroscopic detection of a single virus by mid-infrared photothermal microscopy” (analytical chemistry, https://dx.doi.org/10.1021/acs.analchem.0c05333). advantages: 1, 3, 4, 5, 6 3. 光学光热红外o-ptir与raman光谱协同分析固定或活的单细胞 英国曼彻斯特大学的peter gardner教授近期发表了他们关于活(和固定)细胞振动光谱分析的新研究结果。作者使用光学光热红外o-ptir与raman光谱，并借助于两个激发源（qcl和opo激光器），对细胞进行了宽光谱范围的覆盖，从而使所有与生物学相关的分子振动都能被检测到，且保持一致的亚微米的空间分辨率。此外，红外光谱采集与拉曼光谱有效的结合起来，在相同的激发位置，形成振动互补，得到一套完整的振动光谱信息。如下图所示，该红外和拉曼的组合方式可以用来分析液体环境中固定或活细胞的亚细胞结构，其中的蛋白质二次结构及富脂体均可以在亚微米尺度上被有效地识别出来。 图4. o-ptir观测固定未染色mia paca-2细胞成像。(a)固定的未染色的mia paca-2细胞的光学图像；(b)红色方块区域的放大图像；(c)opo波束段的o-ptir红外光谱；(d)qcl波束段o-ptir的红外光谱；(e)黑色区域的拉曼和红外光谱 参考文献d. [mammalian cancer cell] “analysis of fixed and live single cells using optical photothermal infrared with concomitant raman spectroscopy” (analytical chemistry, https://dx.doi.org/10.1021/acs.analchem.0c04846). advantages: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 74. o-ptir与s-xrf联用探究阿尔兹海默症阿尔兹海默症是老年痴呆症常见的病因之一，而淀粉样β蛋白沉淀是引发ad的重要病因之一，因此对于淀粉样β蛋白分布的研究就显得十分重要。nadja gustavsson等人通过o-ptir成功观测到了神经中的淀粉样β蛋白分布，并且结合s-xrf分析发现铁簇与淀粉样β-折叠结构和氧化的脂质存在共定位关系。这项研究充分预示了o-ptir/s-xrf联合技术可在ad疾病的研究中发挥重要作用。图5.单个神经元的o-ptir与x光荧光成像。（a）单个神经元的光学（左）与o-ptir图像（中和右）（b）神经元上铜、铁的分布（c）铁与蛋白叠合图（d）铁与脂质的叠合图参考文献[neuron] “correlative optical photothermal infrared and x-ray fluorescence for chemical imaging of trace elements and relevant molecular structures directly in neurons” (“light: science & applications” https://doi.org/10.1038/s41377-021-00590-x) advantages: 1, 3, 4, 5, 6 用户单位： 用户评价：

背景介绍硅橡胶是由硅氧键连接构成的高分子聚合物，硅氧键具有很强的键能，热稳定性，化学稳定性好，具有较强的耐老化性能；压缩率大，表面张力小，憎水防潮性好，比热容和导热系数小，不溶于水。填料的含量对聚合物复合材料的性能有很大的影响，还会影响混炼时的加工性能。加入过多的填料，会使混炼变得困难，还会直接影响到聚合物复合材料的力学性能，填料的含量控制在一定范围内，随着填料含量的增加，聚合物复合材料的性能是逐渐增加的，超过这个阈值，聚合物复合材料的性能则不会增加。填料在聚合物中分散越好，越容易形成网络，对聚合物复合材料的性能越佳。而填料的尺寸对其分散性有非常重要的影响：粒径越小，粒子之间越容易团聚，在聚合物中的分散更加困难，会使聚合物的力学性能急速下降；粒径过大，容易在聚合物中形成应力集中点，使其力学性能下降，因此，也不宜添加过多。所以如何控制填料的粒径和含量，需要通过SEM的实验结果来确定。本文采用了两种制样方法，使用蔡司Sigma300在低电压下不喷金直接观测硅橡胶截面形貌，对比观测氧化铝填料在硅橡胶中的分布情况。制样方法如下所示：(1)刀片切割：采用锋利的刀片切割出较薄的截面；(2)液氮淬断：剪取小块样品放入液氮中冷冻，由于橡胶韧性较好，则需冷冻较长时间。如图1所示图1不同制样方法：刀片切割(A)；液氮脆断(B)不同制样方法对结果的影响：图2不同制样方法硅橡胶的截面形貌像A1,A2：刀片切割；B1,B2：液氮淬断实验结果表明：刀片切割后的样品，图中的聚合物基体有一定粘连，对判断 Al2O3填料在聚合物中的分散有一定的影响；但在液氮中淬断的样品，聚合物基体无粘连，很容易判断Al2O3填料在聚合物基体中的分散情况，如图2所示。如果聚合物薄膜较薄，直接用剪刀剪断或者刀片切割，样品的截面则会被表层覆盖，更难判断填料在基体中的分散。