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)是實現(xiàn)這一目標的核心手段。本文深入剖析了超薄切片機從修塊到最終切片的完整切割過程，揭示了機械力、熱力、震動和化學(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制，對于制備出高質(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，其機械強度已降至低點，制備過程中任何微小的擾動都可能對其造成不可逆的損傷。超薄切片并非簡單的“切菜”，而是一個在納米尺度上與材料力學(xué)行為進行博弈的精密過程。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。
電鏡制樣超薄切片機通常在半自動或全自動超薄切片機上完成，核心部件包括：精密樣品臂、玻璃/鉆石刀、水槽、進給機構(gòu)和防振系統(tǒng)。整個過程可分解為四個階段：
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：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：此步驟是精細調(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：
進樣：樣品臂以極其微小的步距(通常1-10 nm)向刀刃方向前進。
切割與推進：當(dāng)樣品接觸到高速移動的刀刃時，被切下的薄片在水槽液面上漂浮。隨后，樣品臂自動前進一個設(shè)定的切片厚度，準備下一次切割。
連續(xù)切片：通過連續(xù)的“切割-推進-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：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干燥儀中處理(對于某些特殊樣品)。
關(guān)鍵點：此步驟可能引入
污染(鑷子接觸)和
機械損傷(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環(huán)節(jié)都可能成為樣品損傷的源頭。
1. 機械損傷
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，會受到巨大的側(cè)向壓縮應(yīng)力。對于塑性材料(如生物組織、某些聚合物)，這會導(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)域的襯度異常或模糊。
拉伸與撕裂：切片從主體分離的瞬間，會受到拉伸應(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，嚴重干擾觀察。
褶皺：當(dāng)切片在從刀刃分離到進入水槽的過程中，如果受到的力不平衡(如表面張力、水流擾動)，就容易形成褶皺。褶皺不僅影響成像，還會因局部厚度增加導(dǎo)致電子束無法通過而呈現(xiàn)黑色條帶。
2. 熱損傷
來源：高速運動的刀刃與樣品摩擦?xí)a(chǎn)生摩擦熱；環(huán)境溫度的波動也會影響樣品和樹脂的硬度。
影響：
蛋白質(zhì)變性：對于生物樣品，局部溫度升高會導(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)在高溫下會變軟，加劇壓縮變形。
樣品漂移：在TEM觀察時，殘留的熱量會導(dǎo)致樣品在電子束下持續(xù)漂移，無法進行高分辨觀察。
控制：現(xiàn)代切片機通常配備主動冷卻系統(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。鈍化的刀刃會增加切割所需的力，從而加劇機械損傷和熱損傷。
鉆石刀碎屑：鉆石刀雖然耐用，但在長期使用或受到?jīng)_擊時，可能會產(chǎn)生微小的鉆石碎屑。這些碎屑一旦脫落并粘附在樣品上，會成為高密度的污染物亮點。
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. 振動與漂移損傷
來源：建筑地基的微小震動、空調(diào)、人員走動等。
影響：即使是納米級的振動，也足以導(dǎo)致刀刃與樣品的相對位置發(fā)生偏移，造成切片厚度不均、連續(xù)性中斷(跳片)或形成震顫標記。在TEM觀察中，嚴重的漂移會使圖像無法聚焦。
四、 損傷控制策略
理解了損傷來源，便可對癥下藥：
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、細致地修塊，確保切面絕對平整。
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：將切片機放置在堅固、獨立的防震臺上，遠離振動和氣流源。
規(guī)范操作：保持刀刃和水槽清潔，撈片動作要輕柔、熟練。
結(jié)論
超薄切片是一個看似簡單卻蘊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。樣品損傷是機械力、熱力、振動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)與機械工程的“匠人”。通過系統(tǒng)性地分析切割過程和損傷機制，并采取綜合性的控制措施，我們才能最大限度地逼近那個理想的目標：制備出一張無瑕、能真實反映樣品本征結(jié)構(gòu)的超薄切片，從而為后續(xù)的TEM分析奠定堅實的基礎(chǔ)。
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