透射電鏡TEM載網(wǎng)膜選擇及其表面處理

載網(wǎng)膜是透射電鏡最常用的耗材之一，主要作用是在電鏡觀察時負載小尺度的樣品。目前最常用的是銅材質(zhì)的載網(wǎng)，根據(jù)樣品觀察需求在載網(wǎng)上負載高分子膜及碳膜制成載網(wǎng)膜，主要包括碳支持膜、微柵、超薄碳膜和純碳膜等。

1、載網(wǎng)

透射電鏡用載網(wǎng)均為直徑為3mm、厚度為10-30μm的圓片，適用于所有廠家的各種型號的透射電鏡，其主要作用是負載樣品且在透射電鏡觀察時電子束能透過樣品，因此基本為網(wǎng)格結構，表面未負載膜的載網(wǎng)稱為“裸網(wǎng)”，按照不同的分類方法，主要包括：

1)按孔的形狀結構：如圖1所示，一般分為圓孔裸網(wǎng)、方孔裸網(wǎng)等, 圓孔網(wǎng)為國產(chǎn)網(wǎng)，采用腐蝕法制備，方孔網(wǎng)為進口網(wǎng)，采用電沉積方法制備，相比較圓孔網(wǎng)，方孔網(wǎng)的網(wǎng)格更規(guī)整，孔可以做的更小。

2)按網(wǎng)孔大?。?/strong>分為50目到2000目不等，孔徑可從800μm到6.5μm，最常用的載網(wǎng)為200目，孔徑約為100μm，肋寬約30μm。

3)按載網(wǎng)材質(zhì)：通常用的裸網(wǎng)材質(zhì)是銅，稱為“銅網(wǎng)”，根據(jù)需求還有鎳、鉬、金、鋁等材質(zhì)。

4)坐標網(wǎng)：如圖1c)所示，在裸網(wǎng)格上刻上字母或數(shù)字，可以標記樣品在在載網(wǎng)上的位置，方便查找樣品。

如上所述，裸網(wǎng)的孔徑在微米級，而透射電鏡觀察的樣品尺度通常在100nm以下，為了確保樣品能負責在載網(wǎng)上，在裸網(wǎng)上面需覆蓋一層厚度為10nm左右的有機膜，稱為支持膜。同時，為了防止載網(wǎng)支持膜和樣品在電子束照射下積累電荷，發(fā)生樣品飄移、跳動，甚至出現(xiàn)支持膜破裂等情況，在支持膜上再覆蓋一層導電層，提高支持膜的導電性，通常選用無定型碳，經(jīng)過鍍碳的載網(wǎng)支持膜稱為“碳支持膜”，根據(jù)樣品的觀察需求有多種膜，具體包括：

1)方華支持膜：方華支持膜的化學成分是聚乙烯醇縮甲醛，由于是純的有機膜，所以膜的彈性好，厚度通常為10nm左右，透射電鏡觀察時背底影響小。但方華膜因?qū)щ娦圆缓?，在電子束照射下，易因高溫或電荷積累，產(chǎn)生樣品漂移甚至膜破損，通常在100kV電鏡和生物樣品中使用較多。

2)碳支持膜：是一種最常用的支持膜，有兩層膜結構。從下至上依次為裸網(wǎng)，方華膜和碳膜，結構如圖2 a)所示。由于碳層具有較強的導電性和導熱性，彌補了無碳方華膜的荷電效應以及熱效應，增強了膜整體的穩(wěn)定性，適合大多數(shù)納米材料和生物樣品的一般形貌觀察。我們以多壁碳納米管為標樣，用透射電鏡JEM-2100F觀察的10K，50K，800K倍率下的碳納米管，可以看出應用碳支持膜負載碳納米管在透射電鏡下可實現(xiàn)從低倍至高倍的觀察，但是在高分辨觀察時，碳顆粒本身的襯度對于碳納米管的高分辨結構有較大的影響。

3)微柵膜：為了解決碳支持膜在高分辨觀察時的背底問題，可在支持膜上特意制作些微孔，稱為微柵膜，通常微柵膜的孔大小不一，孔徑為幾百納米到幾微米，如圖3所示為微柵膜的結構示意圖，應用微柵膜負載樣品，樣品可搭載在孔的邊緣，在孔內(nèi)的部分可實現(xiàn)無背底觀察，以提高成像的襯度，由圖3 d）可以看出碳納米管的高分辨像無膜的背底干擾，相比碳支持膜襯度有顯著提高。

4)超薄碳膜：應用微柵膜，線狀或片狀等較大的樣品可搭載在孔邊緣，如果樣品是納米級的小顆粒則不能搭載在孔邊緣，用碳支持膜襯度又差，此種樣品可使用超薄碳膜，為三層膜結構，是在微柵基礎上再鍍一層超薄碳層，超薄碳膜厚度小于5nm，這樣薄碳層將微孔擋住，小顆粒樣品可分散在超薄膜上，在高分辨觀察時可盡量減少膜襯度的影響，如圖4所示，在低倍觀察時幾乎看不出超薄碳膜的襯度，在高分辨觀察時，超薄碳膜會形成背底襯度，但是與碳支持膜相比，襯度已明顯減小。

5)純碳膜：當樣品所用的有機溶劑（氯仿、甲苯等）能夠溶解方華膜時，載網(wǎng)膜中就要去除方華膜，只剩碳膜，稱為純碳膜，碳膜的厚度通常為20nm左右,如圖5所示，在高分辨觀察時背底的影響也比較明顯。

6)其他類型支持膜：

上述是最常用的幾種載網(wǎng)膜，它們能滿足大部分透射電鏡樣品觀察的需求，但在實際應用中，為滿足一些特殊樣品的觀察要求，還有多種其他類型的載網(wǎng)膜，比如：

雙聯(lián)載網(wǎng)支持膜：將兩片載網(wǎng)膜連在一起，負載樣品后，將樣品夾住，形成三明治的結構，加強了對樣品的固定，比如應用于磁性材料可避免其吸附到透射電鏡的極靴上。

氮化硅薄膜：采用硅為基本支撐、無定形的氮化硅Si3N4為觀察窗口，相比碳類的載網(wǎng)膜，氮化硅膜耐酸耐高溫，且無碳影響，可用于酸性條件下制備樣品，及1000攝氏度的高溫環(huán)境。

石墨烯支持膜：石墨烯具有良好的導電性，耐高溫，耐腐蝕，耐電子束轟擊，并且襯度很低，應用此種膜可顯著提高樣品觀察時的襯度和穩(wěn)定性，但是由于石墨烯本身結晶，在高分辨下有有序結構，會對高分辨觀察晶體結構有影響

由上述介紹的載網(wǎng)膜的結構及特點，可根據(jù)樣品的特征選擇合適的載網(wǎng)膜，匯總?cè)绫?所示，需要說明的是一些特殊情況：

1） 用能譜分析銅元素時，不能選用銅載網(wǎng)，要選用鎳、鉬等其他材質(zhì)的載網(wǎng)膜，同理分析碳元素時，要用氮化硅膜。

2）在做高分子、生物樣品切片后需要染色時要用裸網(wǎng)或微柵，因為染色劑通常會染方華膜。

3）在負載一些二維方向尺度較大的薄膜樣品時，比如大面積的石墨烯膜、有機膜，如果用碳支持膜背底影響較大， 用微柵膜在低倍觀察時有微柵孔的結構，因此可選用目數(shù)較高的裸網(wǎng)，如1000目、2000目的銅裸網(wǎng)。

4、親水性處理

直接制備的各種裸網(wǎng)及載網(wǎng)膜通常表面是疏水的，不利于親水性樣品的吸附，而透射電鏡觀察時，很多樣品是親水的，因此需要對裸網(wǎng)及載網(wǎng)膜進行親水性處理，通常用含氧的等離子體進行處理，可用射頻輝光放電的方法產(chǎn)生氧等離子，其原理如圖6所示，空氣在高頻高壓的電場中產(chǎn)生放電，氧氣被電離成氧等離子體，氧等離子體與載網(wǎng)膜表面反應生成一系列親水性基團，從而使表面呈親水性。

分析測試中心電鏡室有一臺等離子清洗儀，能夠在低功率情況下產(chǎn)生柔和的氧等離子，對載網(wǎng)膜表面進行親水性修飾，且不會破壞膜本身的結構，如圖7為經(jīng)等離子處理前后載網(wǎng)膜表面水的接觸角，處理前為117.3°，明顯為疏水性表面，經(jīng)處理后接觸角減小到39.9°，呈親水性。

載網(wǎng)膜表面的親、疏水性對于某些親水性樣品尤其是自組裝結構樣品的制備有重要的影響，如圖8所示的是使用未經(jīng)處理的疏水的載網(wǎng)膜和親水化處理的載網(wǎng)膜制備的纖維素樣品(新材料實驗室樣品)的透射電鏡圖，可以看出使用疏水的載網(wǎng)膜在透射電鏡下觀察的樣品不僅少，而且樣品的結構發(fā)生了改變，而使用親水化的膜，能夠很好的觀察到纖維素的結構及聚集狀態(tài)。

總之，透射電鏡用載網(wǎng)及載網(wǎng)膜有不同的種類，使用時需要根據(jù)樣品及觀察目的選擇合適的載網(wǎng)膜，才能有效地觀察到樣品的結構。