唐明華, 郭 軍, 陳木子

(蘇州大學(xué)分析測(cè)試中心，江蘇蘇州 215123)

局域表面等離激元是指金屬或高摻雜半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)中類自由電子在外電磁場(chǎng)激發(fā)下，電子運(yùn)動(dòng)與電磁場(chǎng)互相激勵(lì)產(chǎn)生的共諧振蕩[1]。具有局域表面等離激元特性的這類金屬納米顆粒，比如金或銀，可以把光場(chǎng)聚集或局域到遠(yuǎn)小于波長的納米尺度空間內(nèi)，在生物傳感器[2 - 3]、超材料[4 - 5]、納米光激性回路[6]、光電探測(cè)器[7]、太陽能電池[8]、光催化劑[9 - 11]、非線性光學(xué)器件[12]等方面具有巨大的應(yīng)用價(jià)值。但金屬納米結(jié)構(gòu)中電子的共諧振蕩受制于納米顆粒幾何形狀所產(chǎn)生的邊界條件，因而為了顯著改變顆粒的表面等離激元響應(yīng)，越來越多的研究者嘗試制備合成各類形貌各異、并具有三維空間區(qū)域的貴金屬顆粒，比如納米雙錐、納米六角片、納米多面體(八面體、十六面體、二十四面體等)、納米星等。這些納米顆粒具有的特異空間立體結(jié)構(gòu)，比如容易分布著熱區(qū)的曲率較高的邊、尖端等，可提高表面等離激元響應(yīng)，為催化反應(yīng)提供更多的表面活性位點(diǎn)、表面增強(qiáng)拉曼、熒光等，但其特異的空間立體結(jié)構(gòu)通過掃描電鏡及透射電鏡的二維圖像并不能真切地觀測(cè)和確定。

電子斷層三維重構(gòu)技術(shù)是將樣品沿著一個(gè)與電子束垂直的軸向傾轉(zhuǎn)，每?jī)A轉(zhuǎn)一個(gè)角度得到一個(gè)與物體對(duì)應(yīng)方向的二維圖像，通過計(jì)算機(jī)對(duì)這一系列二維圖像進(jìn)行處理，將不同角度的二維圖像反向重構(gòu)出樣品的3D結(jié)構(gòu)的技術(shù)[13 - 14]。目前，由于電子斷層三維重構(gòu)技術(shù)可以對(duì)非均質(zhì)的蛋白復(fù)合物、細(xì)胞、細(xì)胞器及鑲嵌在膜上的膜蛋白等原位精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，被廣泛地應(yīng)用到結(jié)構(gòu)生物學(xué)及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[15 - 16]，但在納米材料、化學(xué)領(lǐng)域研究中的應(yīng)用并不廣泛。

本文利用Tecnai G2F20場(chǎng)發(fā)射透射電鏡配置的三維重構(gòu)附件對(duì)兩種具有特異空間立體結(jié)構(gòu)的金納米顆粒進(jìn)行不同傾轉(zhuǎn)角度下二維圖像的采集、圖像匹配對(duì)中及重構(gòu)、立體模型構(gòu)建，進(jìn)而從最終構(gòu)建的立體模型及制作的錄像(Movie)中可準(zhǔn)確獲知兩種樣品的立體空間形貌，尤其是曲率較高的邊、尖端的分布等等，從而可以從納米顆粒幾何形狀所產(chǎn)生邊界條件的不同解釋樣品表面等離激元特性的差異。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

Tecnai G2F20透射電子顯微鏡(美國，F(xiàn)EI公司)；S-4700掃描電子顯微鏡(日本，日立公司)；E-1010真空鍍膜儀(日本，HITACHI公司)。

實(shí)驗(yàn)所用試劑均為分析純?nèi)軇?/p>

1.2 待測(cè)樣品制備

實(shí)驗(yàn)所用兩種金納米顆粒樣品由蘇州大學(xué)材料與化學(xué)化工學(xué)部提供。取少量樣品放置于盛有少量無水乙醇的1.5 mL離心管中，將離心管放入超聲震蕩儀中震蕩5 min左右，然后用移液槍取分散均勻的樣品，分別滴于150目碳支持膜銅網(wǎng)和硅片上，紅外燈烘干后，分別于透射電鏡(TEM)及掃描電鏡(SEM)中觀察。

1.3 掃描電鏡測(cè)試

將制備好的硅片上的樣品用導(dǎo)電雙面膠粘在樣品臺(tái)上，放入噴金電鍍儀里，設(shè)置工作電流為15 mA，噴金時(shí)間為60 s，進(jìn)行真空噴鍍。將噴鍍好的樣品放入SEM中觀察；SEM工作電壓為15 kV，工作電流為10 mA，選擇合適的放大倍數(shù)聚焦拍照。

1.4 透射電鏡測(cè)試

將制備好的載有樣品的碳支持膜銅網(wǎng)放入透射電鏡樣品桿上，樣品桿插入鏡筒中，調(diào)整成像系統(tǒng)合軸，TEM工作電壓為200 kV，工作電流為74 μA，點(diǎn)分辨率為0.24 nm，選擇合適的放大倍數(shù)消除物鏡象散后聚焦拍照。

1.5 三維重構(gòu)實(shí)驗(yàn)

1.5.1二維圖像的采集首先調(diào)節(jié)電鏡處于TEM模式，平行光束處于低劑量狀態(tài)，確保Tecnai G2F20場(chǎng)發(fā)射電鏡處于良好工作狀態(tài)；在電鏡熒光屏下挑選最優(yōu)取向的目標(biāo)樣品，在Xplore 3D軟件中設(shè)置合適參數(shù)，設(shè)置樣品桿傾轉(zhuǎn)范圍、間隔角，底插CCD相機(jī)(Gatan 832)記錄一系列不同傾轉(zhuǎn)角度下得到的樣品的二維圖像。這一過程耗時(shí)50 min左右，主要是樣品桿按照校準(zhǔn)過的傾轉(zhuǎn)軌跡以設(shè)定的間隔角度不斷傾轉(zhuǎn)，系統(tǒng)不斷進(jìn)行漂移校正和聚焦校正后得到一系列像素為2048×2048的TEM二維圖像。影響這一過程的主要因素有：(1)大角度傾轉(zhuǎn)的形狀因子，即樣品傾轉(zhuǎn)角度越大，樣品的二維投影圖發(fā)生變化，厚度也顯著性增加；(2)樣品漂移，即樣品桿傾轉(zhuǎn)過程中的機(jī)械擾動(dòng)及電子束作用于樣品因樣品耐受電子束程度不同而導(dǎo)致的不同程度的漂移等；(3)像聚焦和襯度的修正，即每?jī)A轉(zhuǎn)一個(gè)角度，系統(tǒng)按照預(yù)設(shè)的參數(shù)自動(dòng)聚焦、調(diào)節(jié)欠焦量，獲得高襯度、高分辨的二維圖像。因此需要設(shè)置合理的濾波參數(shù)、自動(dòng)聚焦參數(shù)、欠焦量，使系統(tǒng)能夠識(shí)別樣品位置、進(jìn)行漂移矯正、正確聚焦，從而使CCD相機(jī)記錄的每張二維圖像獲得最佳的襯度和分辨率。

1.5.2圖像匹配對(duì)中及重構(gòu)如圖1，這一過程主要是利用Inspect 3D軟件對(duì)Xplore軟件采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)處理，主要包括(1)壓縮數(shù)據(jù)：將Xplore軟件采集的上百張二維圖像從像素2 048×2 048壓縮到1 024×1 024，從而降低后續(xù)三維重構(gòu)的計(jì)算量。如何提高計(jì)算機(jī)技術(shù)使不犧牲每張圖像分辨率的情況下完成三維重構(gòu)的巨大計(jì)算量是急需改善的問題。(2)設(shè)置濾波參數(shù)：設(shè)置合理的濾波參數(shù)，使每張二維圖像形成一個(gè)清晰且容易辨識(shí)的特征中心點(diǎn)。(3)計(jì)算圖像偏移量：根據(jù)上一步形成的特征中心點(diǎn)，Inspect 3D軟件自動(dòng)計(jì)算上百張二維圖像之間的偏移量。(4)匹配對(duì)中：根據(jù)上一步計(jì)算的偏移量，Inspect 3D軟件自動(dòng)將上百張二維圖像之間的偏差校準(zhǔn)。由于采集數(shù)據(jù)過程中，樣品桿機(jī)械擾動(dòng)是樣品漂移的最主要因素，因此需要手動(dòng)調(diào)整樣品桿在X、Y、Z三個(gè)方向上的傾轉(zhuǎn)軸向，從而使上百張圖像在各個(gè)軸向上的偏移量最小達(dá)到匹配對(duì)中的目的。(5)選用加權(quán)背投影(WBP)、代數(shù)迭代(ART)或同步迭代(SIRT)等不同算法進(jìn)行重構(gòu)。由于電子斷層三維重構(gòu)技術(shù)中的有限傾斜角和高噪聲的限制，加權(quán)背投影(WBP)往往無法獲得高分辨率的重構(gòu)；代數(shù)迭代(ART)每次校正過程只考慮一條射線的投影和該射線所經(jīng)過的像素點(diǎn)，隨機(jī)誤差較大；同步迭代(SIRT)可選15次及以上的迭代次數(shù)，可避免數(shù)據(jù)缺失和高噪音的影響，因此可獲得較好的重構(gòu)效果[17]。

圖1Inspect3D操作流程

Fig.1Inspect3Dworkflow

1.5.3立體模型構(gòu)建利用Amira軟件對(duì)重構(gòu)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，使三維重構(gòu)的結(jié)果合成為可視化的立體模型并制作錄像(movie)。

2 結(jié)果與討論

2.1 一號(hào)金納米顆粒樣品的形貌和結(jié)構(gòu)分析

一號(hào)納米金樣品經(jīng)透射電鏡和掃描電鏡的形貌觀察分別見圖2(a)和圖2(b)，可知納米金樣品兩端為針尖狀，長度尺寸約600 nm，從SEM圖上分散的樣品可知：納米金樣品由表面不規(guī)則的棱片組裝而成，但具體由幾個(gè)棱片組裝而成何種立體結(jié)構(gòu)未可知。由此三維重構(gòu)實(shí)驗(yàn)中采用Tecnai G2F20場(chǎng)發(fā)射TEM配置的三維重構(gòu)軟件Xplore采集TEM的原始圖片數(shù)據(jù)，確認(rèn)選取樣品的傾轉(zhuǎn)角度范圍為-60°～+70°，對(duì)樣品進(jìn)行每隔一度連續(xù)傾轉(zhuǎn)采圖，一共采集131張?jiān)级S圖像。圖2(c～e)是樣品用三維重構(gòu)軟件Xplore采集TEM的原始數(shù)據(jù)中分別傾轉(zhuǎn)0°、-60°、+70°的二維圖像，可看出即使傾轉(zhuǎn)了不同角度，僅通過二維TEM圖像依然無法獲知樣品的立體結(jié)構(gòu)。應(yīng)用Inspect 3D 軟件對(duì)131張二維圖像進(jìn)行匹配對(duì)中及重構(gòu)，并用Amira 軟件進(jìn)行后期立體模型構(gòu)建，最終三維重構(gòu)得到的3D模型如圖2(f)所示，3D模型的側(cè)切面、橫切面及俯視圖分別如圖2(g)、(h) 、(i)所示，由此可知一號(hào)納米金樣品由五個(gè)表面為鋸齒狀的棱片組裝而成，棱片表面的鋸齒狀是不均勻且大小不一的，樣品的橫切面為五角星狀，兩端為五角錐狀。這些棱片本身、棱片的鋸齒狀表面、樣品的五角錐狀兩端都分布有曲率較高的邊、尖端等，顯著地提高樣品的表面等離激元特性。

2.2 二號(hào)金納米顆粒樣品的形貌和結(jié)構(gòu)分析

二號(hào)納米金樣品經(jīng)TEM和SEM的形貌觀察分別見圖3(a)和圖3(b)，從TEM圖片判斷納米金樣品為橢圓形，長度尺寸約150 nm，寬度尺寸約50 nm，從SEM圖上分散的樣品判斷：納米金樣品由突起的棱片組裝而成，但具體由幾個(gè)棱片組裝而成何種立體結(jié)構(gòu)未可知。由此三維重構(gòu)實(shí)驗(yàn)中采用 Tecnai G2F20 場(chǎng)發(fā)射TEM配置的三維重構(gòu)軟件Xplore采集TEM的原始圖片數(shù)據(jù)，確認(rèn)選取樣品的傾轉(zhuǎn)角度范圍為-68°～+68°，對(duì)樣品進(jìn)行每隔一度連續(xù)傾轉(zhuǎn)采圖，一共采集137張?jiān)级S圖像。圖3(c～e)是樣品用三維重構(gòu)軟件Xplore采集TEM的原始數(shù)據(jù)中分別傾轉(zhuǎn)0°、-68°、+68°的二維圖像，可看出傾轉(zhuǎn)了不同角度，樣品邊緣的襯度發(fā)生變化，但僅通過二維TEM圖像仍無法獲知樣品的立體結(jié)構(gòu)。應(yīng)用Inspect 3D軟件對(duì)137張二維圖像進(jìn)行匹配對(duì)中及重構(gòu)，并用Amira 軟件進(jìn)行后期立體模型構(gòu)建，最終三維重構(gòu)得到的3D模型如圖3(f)所示，3D模型的側(cè)切面、橫切面及俯視圖分別如圖3(g)、(h) 、(i)所示，由此可知

圖2 (a)一號(hào)納米金樣品的透射電鏡(TEM)圖片;(b)納米金樣品的掃描電鏡(SEM)圖片;納米金樣品在不同傾轉(zhuǎn)角度采集的TEM二維圖像:(c)0°,(d)-60°,(e)+70°;(f)重構(gòu)得到三維立體模型;(g)三維立體模型的側(cè)切面;(h)三維立體模型的橫切面;(i)三維立體模型的俯視圖Fig.2 (a)TEM image of the first Au sample;(b) SEM image of Au sample;TEM images recorded by TEM tomography of Au nanoparticle at different tilt angles in 1° steps:(c) 0°,(d)-60°,(e)+70°；(f):3D model of the established sample;(g) The lateral aspect of 3D model;(h) The transverse section of 3D model;(i) The top view of 3D model

圖3 (a) 二號(hào)納米金樣品的透射電鏡(TEM)圖片;(b) 納米金樣品的掃描電鏡(SEM)圖片;納米金樣品在不同傾轉(zhuǎn)角度采集的TEM二維圖像:(c) 0°,(d)-68°,(e)+68°;(f)重構(gòu)得到三維立體模型;(g) 三維立體模型的側(cè)切面;(h)三維立體模型的橫切面;(i) 三維立體模型的俯視圖Fig.3 (a) TEM image of the second Au sample;(b) SEM image of Au sample;TEM images recorded by TEM tomography of Au nanoparticle at different tilt angles in 1° steps:(c) 0°,(d) -68°,(e)+68°；(f):3D model of the established sample;(g) The lateral aspect of 3D model;(h) The transverse section of 3D model;(i) The top view of 3D model

二號(hào)金納米顆粒樣品由五個(gè)表面不平整的突起棱片組裝而成，棱片表面未見曲率較大的尖端，樣品的橫切面為五角星狀，兩端為圓包狀。這些棱片本身分布有曲率較高的邊，有利于提高樣品的表面等離激元特性。

3 結(jié)論

通過掃描電鏡和透射電鏡對(duì)兩種具有表面等離激元特性的金納米粒子樣品形貌觀察和分析不能直觀準(zhǔn)確地確認(rèn)材料的空間立體結(jié)構(gòu)。本文利用透射電鏡三維重構(gòu)技術(shù)，選擇合適的采集和重構(gòu)參數(shù)，并進(jìn)行三維模型的建立，對(duì)兩種金納米粒子樣品的不同幾何形狀所產(chǎn)生的邊界形態(tài)進(jìn)行了確認(rèn)和分析。