TEM掌控的纳米世界

　　TEM在水凝胶材料中的表征应用水凝胶材料是指在水中通过物理交联或化学交联而形成的3D网络结构和含水量很高的软物质材料。水凝胶在生物医药等领域有着巨大的用途和广阔的发展前景。所以水凝胶的表征也就变得非常重要，尤其是超分子自组装水凝胶组装结构的表征中TEM有着十分广泛的用途。
　　以下将对关于TEM作为水凝胶材料的研究进行简要阐述。透射电镜是高分辨率，高放大倍数显微镜，它是材料科学研究中的一种重要方法，可以提供有关极微细材料组织结构，晶体结构及化学成分的资料。透射电镜的分辨率为0。10。2nm，放大倍数为几万几十万倍。
　　TEM（普通透射电子显微镜）的在水凝胶材料的常见表征应用
　　由于电子束穿透样品的能力低，因此要求所观察的样品非常薄，对于透射电镜常用75200kV加速电压来说，样品厚度控制在100200nm。要得到更多显微结构信息的高分辨率照片，一般需要场发射TEM。
　　1、TEM表征凝胶网络结构利用TEM进行表征可为评判水凝胶材料微观形貌与结构提供重要的依据，尤其是针对超分子自组装形貌结构表征时，TEM表征更是最为直观的表征技术手段之一。
　　a。凝胶微观三维网络的表征：水凝胶是一类在水中以物理交联或者化学交联形成的具有3D网络结构材料。如图一，POG10den分子是又POG10多肽链和PAMAM接枝得到的，他们与天然胶原蛋白一样可以成胶，POG10多肽连可以独立形成三从螺旋结构，但是PAMAM分子是树状的大分子网络，最水中形成球型组装体，因此，POG10den加热下组装成胶，在水中主要呈现的是球型的组装聚集体（如图一左），而天然胶原蛋白可以形成三重螺旋结构，其包含了由GlyProHyp重复单元组成，进而自组装形成纤维，最终相互缠结互穿形成三维的凝胶网络（图一中）。RSFHPMC9（再生丝羟丙基甲基纤维素）体系水凝胶拥有优越的力学性能，拥有较高的力学强度，抗压模量达到1MPa以上。
　　作者由此提出了一种可能的凝胶化机理，即HPMC分子与RSF分子之间的氢键和疏水相互作用可能对RSFHMPC凝胶化行为产生协同作用。sheet的RSF结构与HPMC之间的协同氢键作用形成了相互缠结的致密的交联网络（如图一右），这对力学性能的提高起了关键作用。
　　图一：POG10den分子的组装结构聚集体（左），天然胶原蛋白形成的凝胶三维网络（中），RSFHPMC9体系的凝胶三维网络结构（右）。
　　b、微观自组装结构的表征以及自组装结构的演变过程机理研究：
　　超分子自组装的结构形貌通常包括纳米带，纳米纤维，纳米管，纳米线，纳米片和胶束球。在这里，我们对容易形成凝胶的两类典型的纳米结构形貌进行简要的介绍。
　　I3QGK短肽分子链在水中主要是sheet构像主导，在水中易于形成均一细长的纳米带结构（如图二左），I3QGK纳米带是相对刚性的，其扭曲和或螺旋的迹象相当有限，可能是由于Q氨基酸残基的影响导致其sheet结构控制短肽分子形成平而长的纳米带结构。另外，类似的。利用开环聚合的方法得到的（GEA）mTyrn短肽分子也通过自组装形成了细长的纳米纤维的结构形貌（如图二右），进而相互缠结形成凝胶网络。另外超分子自组装结构也有时依赖于某个因素，例如自组装结构随某个因素（如pH、温度、时间等）发生变化，从而发生变化，TEM表征变得非常重要，其表征能够对各时段内某一时刻组装结构进行追踪表征，以清楚直观地理解自组装结构额演化或增长情况，继而为超分子自组装体系机理研究服务。
　　图三示出5较清晰地表征了试样自组装结构随一定因素pH的演化过程的研究。即混合末端含两亲性肽后的DNA和PNA（肽核酸）在1、5、7天的演变过程，从第一天生成的有节距的纳米纤维丝对结构随时间的变化的趋势，组装结构逐步生长成为到第七天的纳米纤维束。
　　图二：直观的表征小分子水凝胶微观自组装结构：纳米带（左）、纳米纤维（右）
　　图三：第一天的有节距的纳米纤维丝对结构随时间的变化的趋势，组装结构逐步生长成为到第七天的纳米纤维束。
　　2、TEM表征凝胶体系微观形貌尺寸利用TEM的质厚衬度像（吸收衬度像）可以对样品形貌进行表征，其中就包括样品形貌的尺寸的大小、分布、排列等。
　　如图四左，KEF8多肽由于F（苯丙氨酸）氨基酸强烈的相互作用，使得多肽主要呈现sheet结构，两周后。多肽水溶液通过自组装形成了更长的扭曲的纳米带结构，通过测量，清楚的表征出纳米带的宽度范围在2534nm。此外，YYAYY短肽采用Y（酪氨酸）氨基酸侧链基团苯酚结构经催化交联作用使短肽分子发生自组装而形成球型纳米凝胶结构（如图四中、右），用TEM对其进行了表征与测量，其间在TEM大面积显示图上，可观察到大量球型纳米凝胶结构，这些球型纳米凝胶具有均匀性，且分布比较均匀，进一步小规模高分辨TEM图（右图）确定了球型纳米凝胶平均粒径为200nm。当然对平均粒径通常可通过多点多次的统计测量来推算。
　　图四：左图表征纳米纽带的宽度尺寸范围为2534nm，中、右两图表征纳米凝胶的直径尺寸约为200nm。
　　透射电镜（TEM）的特殊应用
　　1、冷冻透射电镜（CryoTEM）
　　2015年，国际著名期刊《自然》旗下子刊NatureMethods就将冷冻电镜技术评为年度最受关注的技术。2017年，冷冻电镜（CryoTEM）斩获诺贝尔化学奖，也再次证明了CryoTEM技术的科学价值。国内冷冻投射技术大牛施一公曾言，从现在的发展前景看，冷冻电镜是可以和测序技术和质谱技术并列的第三项技术！CryoTEM通常是在普通透射电镜上增加样品冷冻装置，将样品冷却到液氮温度（77K），用于观察蛋白质、生物切片等对温度敏感的样品。将试样冻结，可减少电子束对试样的破坏和减少试样的变形，而将移动的分子冻结则可实现高分辨成像以获得更逼真的试样形态。
　　C16K2两亲性多肽链由于K（赖氨酸）氨基酸的侧链基团氨基可以质子化和去质子化作用，使得该多肽分子具有一定的pH响应性，从而使得该多肽分子约在pH7。5一下容易自组装形成球型胶束结构，而在弱碱性环境pH8附近主要形成细长的纳米纤维结构，pH大于8。3，其自组装结构主要会形成双分子层的纳米带状结构。
　　如图五，直观的表征自组装结构随某一因素pH改变而导致组装体结构趋势变化过程和真实形貌，
　　（a）pH值为5时，只观察到球形胶束结构。
　　（b）pH值为8时溶液显示细长的纳米纤维结构（红色箭头）。
　　（c）在pH值9时，可以观察到扁平的带状结构，同时也有迹象表明长纤维（红色箭头）类似于pH值8时形成的纤维。
　　图五：随pH变化而使得自组装从pH5的胶束球状结构变成pH8的纳米纤维丝状结构再到pH9的纳米带状结构。
　　2、高分辨透射电子显微镜（HRTEM）
　　HRTEM只是分辨率比较高，是透射电镜的一种。它可将将晶面间距通过明暗条纹形象的表示出来。通过测定明暗条纹的间距，然后与晶体的标准晶面间距d对比，确定晶型。这样很方便的标定出晶面取向，或者材料的生长方向。
　　主要应用有：
　　晶体缺陷分析。广义的讲，一切破坏正常点阵周期的结构均称为晶体缺陷，如空位、位错、晶界、析出物等。这些破坏点阵周期性的结构都将导致其所在区域的衍射条件发生变化，使得缺陷所在区域的衍射条件不同于正常区域的衍射条件，从而在荧光屏上显示出相应明暗程度的差别。
　　组织分析。除各类缺陷可产生不同衍射花纹之外，多种不同晶体微观组织还相应地具有不同的图像及衍射花纹，利用这些图像及衍射花纹可对晶体结构及取向分析，同时对组织形貌进行观察。
　　如图六（上，d，e）以芦荟叶凝胶制备碳量子点（CQDs），作者制备了粒径范范围为1。5nm3。7nm，水动力直径为2。67nm的球型CQDs，通过HRTEM的表征，图六上（d）和（e）为均匀间距为0。18nm的CQDs晶格条纹图像，对应于石墨碳的（100）衍射面。
　　另外，如图六（下，e，f），作者通过生物合成的方法制备纳米银粒子（BSN），由图六下的e图可看出所合成BSN分散性好，多呈十面体、二十面体等球形结构。图六下的f图给出了一个十面体形状的纳米粒子。
　　图六（d，e）为CQDs的HRTEM图，晶格条纹间距0。18nm，下图（e，f）为BSN粒子的HRTEM图，晶型多为十面体和二十面体形状的球形结构。