使用UC Enuity超薄切片機對聚合物進行常溫和低溫超薄切片

本研究展示了徠卡UC Enuity超薄切片機在常溫和低溫條件下制備聚合物超薄切片的技術能力。文中展示的高分辨率二維及三維TEM圖像，有力印證了該儀器在聚合物結構分析領域，獲得精確、可重復的樣品制備結果。

· 簡介 ·

聚合物作為現代科學與工業的根基性材料，其應用遍及包裝、紡織、生物醫療設備以及先進電子技術等諸多領域，并發揮著至關重要的作用。聚合物的這種多功能性，源于其可呈現的多種分子結構與形態，而這些結構與形態又進而決定了它們的機械、熱學及功能特性。在所有這些結構特征中，層狀結構——尤其是在半結晶聚合物中——對于決定材料的性能（如強度、柔韌性和阻隔性能）起著關鍵作用。

為了充分理解并優化這些材料，在納米尺度上研究其內部結構至關重要。為此，透射電子顯微鏡（TEM）是一種工具，它能提供所需的分辨率，以清晰地展現那些通常其他技術難以觀測的精細層狀結構。然而，由于聚合物質地柔軟且結構常呈非均質，為其制備TEM樣品面臨著獨特挑戰。而超薄切片技術，尤其在低溫條件下進行時，能制備出完好保留材料原始形貌的超薄切片。

在本研究中，我們探索使用了徠卡顯微系統的UC Enuity超薄切片機，以期在常溫與低溫雙重條件下完成聚合物樣品的切片。我們展示了高分辨率TEM圖像，印證了UC Enuity超薄切片儀在聚合物表征所需的高質量樣品制備中的作用。

結果

聚合物樣品制備

作為超薄切片制樣的第一步，通常可將聚合物劃分為兩大類：剛性材料與軟質材料剛性材料通常可直接在超薄切片機上切片，一般使用金剛石刀即可完成。對于軟質材料，其制樣最關鍵的溫度參數是玻璃化轉變溫度 (Tg)。它指的是聚合物從堅硬的玻璃態轉變為柔軟的橡膠態時的臨界溫度。在超薄切片技術的語境下，Tg之所以重要，是因為它有助于確定最佳的切片溫度，即判斷應在室溫還是低溫條件下進行操作。在Tg以下進行切片有助于減少樣品的變形與壓縮，從而確保獲得高質量的超薄切片。

然而，切片過程還受諸多其他因素影響：材料的加工歷史、是否為共混物或復合材料、所含包裹體、納米顆粒、增塑劑等。此外，聚合物也可進行染色，這同樣會改變材料的脆性，進而影響其切片行為。

常溫與低溫切片

可在室溫下進行切片的典型聚合物包括：聚碳酸酯（PC）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、經染色的聚丙烯（PP）、經染色的高密度聚乙烯（HDPE）、環氧樹脂、尼龍以及硬質聚氨酯等。需在低溫條件下切片的樣品例如：未經染色的聚丙烯（PP）、未經染色的聚乙烯（PE）、橡膠類、尼龍、聚氯乙烯（PVC）、軟質聚氨酯、乳膠以及未經染色的ABS。

下文實驗中，我們選取了聚苯乙烯-嵌段-聚甲基丙烯酸甲酯（PS-b-PMMA）進行常溫切片，并選取聚苯乙烯-嵌段-聚異戊二烯（PS-b-PI）進行低溫切片。實驗目的在于，通過透射電鏡清晰呈現兩種聚合物的層狀結構，以展示UC Enuity超薄切片機的切片質量。

聚苯乙烯-嵌段-聚甲基丙烯酸甲酯（PS-b-PMMA）的室溫切片

基于其較高的硬度，PS-b-PMMA的切片可在無需低溫的條件下進行。由于該樣品的合成量較少，為便于操作，將其包埋于紫外光固化樹脂中。在紫外光照射下，樹脂可在約10秒內將樣品固定于樣品座上。

隨后成功制備了厚度為60納米的聚合物切片（圖1）。

Figure 1: Ribbon of sections of poly(styrene)-b-poly(methyl methacrylate). Left: Sections on water in the knife boat during cutting guided by an eyelash. Right: Sections (white outlines) collected on grids with microgrid support.

由于該聚合物未經染色，其圖像襯度較弱；但即便如此，即使不使用相位襯度，其聚合物纖維的排列結構已依稀可辨（圖2左圖）。施加相位襯度后，圖像襯度被顯著增強，從而極大地改善了規則聚合物結構的可見度，以利于進一步分析。(圖 2，右）。

聚苯乙烯-嵌段-聚異戊二烯（PS-b-PI）的低溫切片

通常，冷凍或玻璃化樣品無需樹脂包埋即可直接切片。然而，由于本次合成僅在實驗室級別進行，所得樣品量不足以用標準樣品座穩定固定。因此，我們通過樹脂包埋來增加樣品體積并將其固定于樣品座上。所使用的樹脂為紫外光固化樹脂，它在紫外光照射下可在數秒內固化；隨后，樣品被安裝在一個低溫樣品銷上（圖3）。

Figure 3: Trimming and sectioning of poly(styrene)-b-poly(isoprene) under cryo conditions. Upper left: Overview of sample mounted onto a pin and trimming knife. Upper right: Trimming of the sample towards a block face (insert). Lower left: Ribbon of sections (white arrow) guided by a micrometer mounted eyelash (black arrow). Lower right: Ribbon (white arrow) collected by a loop with sucrose.

隨后，將樣品在液氮中進行預冷以加速降溫，這主要是因為大多數聚合物樣品的熱導性較差。然而，根據聚合物類型的不同，也可能采用其他冷卻方式，因為某些樣品可能會因在液氮中快速冷卻而碎裂。

接著，將樣品塊修整出合適的切面，并在睫毛筆的輔助下進行切片；該睫毛筆可通過微米螺旋進行精細調節，使其平行于切片進給方向輕微移動。最終成功獲得了約30納米厚的切片，并用蔗糖液滴將其收集，然后轉移至帶有多孔碳膜的載網上，最后在水滴上清洗以完成TEM分析制樣。

圖4展示了承載切片的載網全景以及微柵的結構。

Figure 4: TEM overview images of poly(styrene)-b-poly(isoprene). Left: overview of EM grid with sections marked with a white outline. A magnified image of the microgrid within the holes is visible in the lower right corner. Mesh size of the microgrid is in the range of about 500 nm up to several micrometer. Center: Magnified image of an exemplary location with all relevant zones in the sample: 1- Sample without carbon support; 2 – Thin carbon layer; 3 – thick carbon layer. Right: Magnified image of the insert in the center image. The polymer structure becomes visible (see also Fig. 3).

因支撐微柵呈泡狀結構，圖像區域因位置不同而呈現差異（無碳支撐、薄碳層或厚碳層區域）。在無支撐區域對聚合物進行高倍放大后，其微觀結構清晰可辨（圖5）。

Figure 5: Magnified TEM images of 30-40 nm sections of poly(styrene)-b-poly(isoprene). Left: 40.000x magnification. Right: 80.000x magnification. The coiled structure of the polymer becomes visible.

層狀結構清晰可見。證明切片制備與收集過程良好。且可在單張30-40納米切片上觀測到精細形貌。三維重構截圖呈現出規則排列的三維結構（圖6）。

Figure 6: 3D Reconstruction of poly(styrene)-b-poly(isoprene). Left: Oblique view. Center: Top view. Right: Top view rotated. The curled, regular structure is visible.

總結

本研究評估了徠卡顯微系統UC Enuity超薄切片機在常溫與低溫條件下制備聚合物樣品的能力。制備流程取決于聚合物剛性與玻璃化轉變溫度（Tg），以判斷是否需要低溫切片避免形變。

以聚苯乙烯-嵌段-聚甲基丙烯酸甲酯為例實現常溫切片：樣品經UV固化樹脂包埋，成功獲得60-90納米切片。即使未染色，其聚合物結構仍清晰可辨，相位襯度增強技術進一步提升了觀測效果。

對聚苯乙烯-嵌段-聚異戊二烯采用低溫切片方案。因樣品量有限，通過UV樹脂包埋并輔以液氮冷卻。成功制備30-40納米切片。TEM分析清晰揭示了層狀結構與三維有序組裝。

實驗結果證實，UC Enuity超薄切片機能夠為先進聚合物表征研究提供高質量的樣品制備支持。

致謝：我們非常感謝 Hiroshi JINNAI 教授提供的樣本。特別感謝 Akemi Kumagai（東北大學多元物質科學研究所）在樣品制備、切片及成像工作中的重要貢獻。

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