【2025儀器科普】電鏡制樣超薄切片機(jī)的切割過程與樣品損傷分析

　　摘要
 
　　透射電子顯微鏡(TEM)觀察要求樣品必須薄至納米尺度，且無任何形變、褶皺或引入外來污染物。超薄切片技術(shù)是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的核心手段。本文深入剖析了超薄切片機(jī)從修塊到最終切片的完整切割過程，揭示了機(jī)械力、熱力、震動(dòng)和化學(xué)作用在每一步中的影響。在此基礎(chǔ)上，文章系統(tǒng)性地分析了由此產(chǎn)生的各類樣品損傷，包括機(jī)械損傷（壓縮、拉伸、劃痕）、熱損傷、刀具磨損引入的損傷以及褶皺與變形，并討論了相應(yīng)的控制策略。理解這些過程與損傷機(jī)制，對(duì)于制備出高質(zhì)量的TEM樣品至關(guān)重要。
 
　　一、 引言：薄，挑戰(zhàn)
 
　　TEM利用高能電子束穿透樣品成像，要求樣品厚度通常在50-100納米之間。如此極薄的樣品，其機(jī)械強(qiáng)度已降至低點(diǎn)，制備過程中任何微小的擾動(dòng)都可能對(duì)其造成不可逆的損傷。超薄切片并非簡單的“切菜”，而是一個(gè)在納米尺度上與材料力學(xué)行為進(jìn)行博弈的精密過程。制樣者的技藝在于最大限度地減小和控制這些損傷，讓樣品在電子束下呈現(xiàn)出其本征的結(jié)構(gòu)信息。
 
　　二、電鏡制樣超薄切片機(jī)的完整切割過程
 
　　電鏡制樣超薄切片機(jī)通常在半自動(dòng)或全自動(dòng)超薄切片機(jī)上完成，核心部件包括：精密樣品臂、玻璃/鉆石刀、水槽、進(jìn)給機(jī)構(gòu)和防振系統(tǒng)。整個(gè)過程可分解為四個(gè)階段：
 
　　1. 修塊
 
　　目的：將包埋在樹脂中的樣品塊，從宏觀的棱錐體初步修整成適合超薄切片的、頂部為細(xì)小平面的梯形或錐形。
 
　　過程：使用較厚的切片刀(如45°刀)和較大的進(jìn)樣量(如1-5 μm)，快速切除樣品塊四周多余的樹脂和不需要觀察的區(qū)域，最終得到一個(gè)截面尺寸約0.2mm x 0.5mm，頂部平面光滑平整的“小金字塔”。
 
　　關(guān)鍵點(diǎn)：修塊的好壞直接決定了最終切片的平整度和成功率。頂部平面必須絕對(duì)平行于刀刃。
 
　　2. 切厚片
 
　　目的：在修好的平頂基礎(chǔ)上，切出厚度在0.5 - 1 μm? 的“厚片”。
 
　　過程：換用超薄切片刀，大幅減小進(jìn)樣量(如100-200 nm)，切下數(shù)張厚片，直至切面變得光滑、平整、無劃痕。
 
　　關(guān)鍵點(diǎn)：此步驟是精細(xì)調(diào)整階段。通過觀察切片的干涉色(厚片的干涉色為銀白色或暗灰色)，操作者可以判斷刀刃狀態(tài)和樣品硬度是否匹配，為下一步的超薄切片做準(zhǔn)備。
 
　　3. 超薄切片
 
　　目的：切出厚度在50 - 100 nm? 的最終觀察用切片。此階段的切片干涉色為淡紫色到金色。
 
　　過程：
 
　　進(jìn)樣：樣品臂以極其微小的步距(通常1-10 nm)向刀刃方向前進(jìn)。
 
　　切割與推進(jìn)：當(dāng)樣品接觸到高速移動(dòng)的刀刃時(shí)，被切下的薄片在水槽液面上漂浮。隨后，樣品臂自動(dòng)前進(jìn)一個(gè)設(shè)定的切片厚度，準(zhǔn)備下一次切割。
 
　　連續(xù)切片：通過連續(xù)的“切割-推進(jìn)-切割”循環(huán)，獲得一序列連續(xù)的超薄切片，形成一條“帶”。
 
　　關(guān)鍵點(diǎn)：這是最核心的階段，所有潛在的損傷在此集中體現(xiàn)。速度、溫度、振動(dòng)等因素的控制至關(guān)重要。
 
　　4. 撈片與干燥
 
　　目的：將漂浮在水面的超薄切片轉(zhuǎn)移到載網(wǎng)(Grid)上。
 
　　過程：使用特制的鑷子或環(huán)，小心地將載網(wǎng)貼附在切片帶上，待切片粘附后提起。然后在空氣中自然干燥或在臨界點(diǎn)干燥儀中處理(對(duì)于某些特殊樣品)。
 
　　關(guān)鍵點(diǎn)：此步驟可能引入污染(鑷子接觸)和機(jī)械損傷(操作不當(dāng)導(dǎo)致切片破裂或折疊)。
  
　　三、 系統(tǒng)性樣品損傷分析
 
　　上述過程中的每一個(gè)環(huán)節(jié)都可能成為樣品損傷的源頭。
 
　　1. 機(jī)械損傷
 
　　這是由切片過程中應(yīng)力和應(yīng)變引起的，是普遍、最主要的損傷類型。
 
　　壓縮與變形：當(dāng)樣品被擠壓通過狹窄的刀刃時(shí)，會(huì)受到巨大的側(cè)向壓縮應(yīng)力。對(duì)于塑性材料(如生物組織、某些聚合物)，這會(huì)導(dǎo)致樣品內(nèi)部原子/分子鏈的滑移和重排，造成的塑性變形，在圖像中表現(xiàn)為局部區(qū)域的襯度異?；蚰：?。
 
　　拉伸與撕裂：切片從主體分離的瞬間，會(huì)受到拉伸應(yīng)力。脆性材料(如陶瓷、干種子)在此過程中極易產(chǎn)生微裂紋或撕裂。
 
　　劃痕與犁溝：由鈍的或不干凈的刀刃造成。刀刃上的微小缺口或附著物會(huì)在樣品表面拖拽出一道道劃痕，這些劃痕在電子束下清晰可見，嚴(yán)重干擾觀察。
 
　　褶皺：當(dāng)切片在從刀刃分離到進(jìn)入水槽的過程中，如果受到的力不平衡(如表面張力、水流擾動(dòng))，就容易形成褶皺。褶皺不僅影響成像，還會(huì)因局部厚度增加導(dǎo)致電子束無法通過而呈現(xiàn)黑色條帶。
 
　　2. 熱損傷
 
　　來源：高速運(yùn)動(dòng)的刀刃與樣品摩擦?xí)a(chǎn)生摩擦熱；環(huán)境溫度的波動(dòng)也會(huì)影響樣品和樹脂的硬度。
 
　　影響：
 
　　蛋白質(zhì)變性：對(duì)于生物樣品，局部溫度升高會(huì)導(dǎo)致蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的破壞。
 
　　樹脂軟化：熱塑性樹脂(如Lowicryl)在高溫下會(huì)變軟，加劇壓縮變形。
 
　　樣品漂移：在TEM觀察時(shí)，殘留的熱量會(huì)導(dǎo)致樣品在電子束下持續(xù)漂移，無法進(jìn)行高分辨觀察。
 
　　控制：現(xiàn)代切片機(jī)通常配備主動(dòng)冷卻系統(tǒng)(如Peltier元件)，將樣品臂和刀座溫度穩(wěn)定在設(shè)定值(如-20°C to -100°C)，以抵消摩擦熱并保持樣品硬度。
 
　　3. 刀具磨損與污染引入的損傷
 
　　刀刃鈍化：玻璃刀或鉆石刀都有使用壽命。鈍化的刀刃會(huì)增加切割所需的力，從而加劇機(jī)械損傷和熱損傷。
 
　　鉆石刀碎屑：鉆石刀雖然耐用，但在長期使用或受到?jīng)_擊時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生微小的鉆石碎屑。這些碎屑一旦脫落并粘附在樣品上，會(huì)成為高密度的污染物亮點(diǎn)。
 
　　玻璃刀邊緣不規(guī)則：自制玻璃刀的質(zhì)量不穩(wěn)定，刀刃邊緣可能不直或有微小起伏，導(dǎo)致切片厚度不均和連續(xù)性差。
 
　　4. 振動(dòng)與漂移損傷
 
　　來源：建筑地基的微小震動(dòng)、空調(diào)、人員走動(dòng)等。
 
　　影響：即使是納米級(jí)的振動(dòng)，也足以導(dǎo)致刀刃與樣品的相對(duì)位置發(fā)生偏移，造成切片厚度不均、連續(xù)性中斷(跳片)或形成震顫標(biāo)記。在TEM觀察中，嚴(yán)重的漂移會(huì)使圖像無法聚焦。
 
　　四、 損傷控制策略
 
　　理解了損傷來源，便可對(duì)癥下藥：
 
　　優(yōu)化包埋：使用硬度與樣品匹配的樹脂，確保包埋、聚合充分，為樣品提供均勻的支撐。
 
　　精修塊：耐心、細(xì)致地修塊，確保切面絕對(duì)平整。
 
　　選擇合適刀具：根據(jù)樣品硬度選擇玻璃刀(軟樣品)或鉆石刀(硬/韌性樣品)。定期檢查并更換鈍化的刀。
 
　　精確控制參數(shù)：根據(jù)材料特性，優(yōu)化切片速度、溫度和進(jìn)樣量。例如，硬樣品需要更低的溫度和更慢的速度。
 
　　創(chuàng)造穩(wěn)定環(huán)境：將切片機(jī)放置在堅(jiān)固、獨(dú)立的防震臺(tái)上，遠(yuǎn)離振動(dòng)和氣流源。
 
　　規(guī)范操作：保持刀刃和水槽清潔，撈片動(dòng)作要輕柔、熟練。
 
　　結(jié)論
 
　　超薄切片是一個(gè)看似簡單卻蘊(yùn)含深刻物理原理的過程。從宏觀的修塊到納米尺度的超薄切割，每一步都在與材料的力學(xué)極限作斗爭。樣品損傷是機(jī)械力、熱力、振動(dòng)等多因素耦合作用的結(jié)果。一名優(yōu)秀的電鏡制樣員，不僅是操作者，更是深刻理解材料科學(xué)與機(jī)械工程的“匠人”。通過系統(tǒng)性地分析切割過程和損傷機(jī)制，并采取綜合性的控制措施，我們才能最大限度地逼近那個(gè)理想的目標(biāo)：制備出一張無瑕、能真實(shí)反映樣品本征結(jié)構(gòu)的超薄切片，從而為后續(xù)的TEM分析奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。