臨界點(diǎn)干燥與SEM分析工作流程

應(yīng)用手冊(cè)

臨界點(diǎn)干燥程序是在SEM應(yīng)用中對(duì)精密樣本實(shí)施干燥的有效方法。臨界點(diǎn)干燥保全了樣本的表面結(jié)構(gòu)，否則，當(dāng)樣本從液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)時(shí)可能會(huì)因?yàn)楸砻鎻埩Χ鴮?dǎo)致表面結(jié)構(gòu)受破壞。在過去，臨界點(diǎn)干燥是一個(gè)耗時(shí)的過程，由于手動(dòng)操作太多造成了樣本的重現(xiàn)性較低。許多生物樣本通常在干燥前通過固定和脫水制備，干燥后進(jìn)行金、鉑或鈀等金屬鍍膜使其表面導(dǎo)電，這樣才能方便開展SEM分析。

 

臨界點(diǎn)干燥 – 介紹

掃描電子顯微鏡（SEM）的用途之一是研究生物應(yīng)用中的表面形態(tài)，這需要保全樣本的表面細(xì)節(jié)。用于電子顯微鏡（EM）成像的樣本需要干燥處理以便與顯微鏡的真空兼容。水分子的存在會(huì)干擾真空，進(jìn)而影響成像。水分子還將導(dǎo)致所研究的結(jié)構(gòu)體出現(xiàn)大規(guī)模變形或坍塌（見“空氣和臨界點(diǎn)干燥的比較”）。水會(huì)對(duì)空氣形成很高的表面張力。在蒸發(fā)（空氣干燥）過程中，穿過從液相到氣相的交界面，由表面張力引起的切向力會(huì)對(duì)樣本的納米和微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。

 

要保全樣本形態(tài)，臨界點(diǎn)干燥是最先進(jìn)的方法（見“CO₂的壓力/溫度相圖”）。在臨界點(diǎn)上，液體和氣體的物理特性無法區(qū)分。處于臨界點(diǎn)的化合物可以在不穿過液氣界面的情況下轉(zhuǎn)化為液相或氣相，避免了破壞作用。使用水的臨界點(diǎn)脫水是不可行的，因?yàn)槲挥?74℃和229 bar的溫度下時(shí)，任何生物樣本都會(huì)被破壞。為了克服這一問題，可以用液態(tài)二氧化碳（CO₂）代替水，其臨界點(diǎn)為31℃和74 bar，所以更適合所有生物應(yīng)用，技術(shù)上也相對(duì)容易維護(hù)。

 

但CO₂作為過渡液體也存在一項(xiàng)嚴(yán)重的缺點(diǎn)；CO₂不能與水混溶。因此，必須用乙醇或丙酮之類的交換液來代替水，這些液體可以在水和液態(tài)CO₂中混溶。這兩種交換液都不能用于臨界點(diǎn)干燥，因?yàn)樗鼈兊呐R界點(diǎn)溫度很高（乙醇：Pc 60 bar/Tc 241℃；丙酮：Pc 46 bar/Tc 235℃）。

 

在預(yù)臨界點(diǎn)干燥步驟中，用交換液代替水，然后用液態(tài)CO₂代替交換液，液態(tài)CO₂被帶到臨界點(diǎn)并通過在恒定臨界點(diǎn)溫度下降低壓力轉(zhuǎn)化為氣相。

 

CO₂壓力/溫度相圖

三相點(diǎn)：固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)下均為相同的物理特征。

臨界點(diǎn)/超臨界液：液態(tài)和固態(tài)下為相同的物理特征。

 

空氣與臨界點(diǎn)干燥之間的對(duì)比

空氣干燥樣本（水蚤）

臨界點(diǎn)干燥樣本（水蚤）

 

SEM分析工作流程

手動(dòng)處理

固定：交聯(lián)蛋白提升機(jī)械和熱穩(wěn)定性。

脫水：交換液濃度升高后取代樣本中的水。

CPD：液態(tài)CO2（預(yù)充）取代樣本中的交換液，然后進(jìn)行臨界點(diǎn)干燥。

鍍膜：樣本具備導(dǎo)電性以后即可進(jìn)行SEM分析。

固定：交聯(lián)蛋白提升機(jī)械和熱穩(wěn)定性。

脫水：交換液濃度升高后取代樣本中的水。

CPD：液態(tài)CO2（預(yù)充）取代樣本中的交換液，然后進(jìn)行臨界點(diǎn)干燥。

涂鍍：樣本具備導(dǎo)電性以后即可進(jìn)行SEM分析。

 

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